详解数字电位器的原理与应用.
基于数字电位器MAX5481的原理及其应用
基于数字电位器MAX5481的原理及其应用作者：李锡瑞来源：《数字技术与应用》2009年第12期[摘要]MAX5481是10位、非易失、线性变化的数字电位器。
采用软件控制实现系统的远程控制,设置,可使系统更加灵活、功能更加广泛,从而解决了模拟电位器的诸多缺点和限制。
文中介绍了MAX5481的性能特点和引脚功能,并给出了典型应用。
[关键词]MAX5481 单片机功能特点应用[中图分类号]TM301[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0071-031 概述MAX5481[1]是10位非易失、线性变化、可编程分压器和可变电阻器,能实现机械电位器的功能,采用可引脚配置的3线串行SPITM兼容接口或增/减数字接口替代了机械装置。
它是一个3端分压器,其具有内部、非易失、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM),用于存储上电时滑动端的初始位置。
3线SPI兼容串行接口允许以高达7MHz的数据速率进行通信。
还提供引脚可选的增/减数字接口。
MAX5481非常适合需要数字控制电位器的应用场合。
用作分压器或可变电阻器时提供两种端到端电阻(10k和50k)。
端到端标称电阻温度系数为35ppm/°C,比例温度系数仅为5ppm/°C,因此这些器件非常适用于那些要求低温度系数分压器的应用,例如低漂移、可编程增益放大器。
采用+2.7V至+5.25V单电源供电或±2.5V双电源供电。
向非易失存储器写数据时,该系列器件消耗400μA(最大值)电源电流,待机电源电流为1.0μA(最大值)。
MAX5481采用节省空间的(3mmx3mm)、16引脚TQFN或14引脚TSSOP封装,可工作在扩展级(-40°C至+85°C)温度范围。
2 MAX5481的主要特点如下:(1)1024个抽头位置;(2)上电具有非易失滑动端记忆功能;(3)16引脚TQFN封装或14引脚TSSOP封装形式;(4)端到端电阻温度系数为35ppm/°C;(5)比例温度系数为5ppm/°C;(6)提供两种端到端电阻10k和50k;(7)采用可引脚配置的串行SPITM兼容接口或增/减数字接口;(8)待机电源电流为1.0μA(最大值);(9)采用+2.7V至+5.25V单电源供电或±2.5V双电源供电。
数字电位器的可变电压电源设计
I数字电位器的可变电压电源设计随着电子技术的不断发展，电子产品种类越来越齐全，电子设备的应用也越来越广泛，并且时刻与人们生活息息相关，任何电子设备都离不开可靠的稳定的电源，这些设备对电源的要求也越来越高，电子设备的小型化和低成本化是电源以轻、薄、小和高效率为发展方向的动力。
本文介绍了一种利用晶体管组成的滞留稳压电源，这种电源能够给电子设备提供稳定的电源，通过数字电位器调节使输出电压在3-15V，且在输出电压为15V时输出电流为500mA,由于串联型直流稳压电源可以输出大的电流和高的电压，又采用负反馈电路，能够克服由于负载变动而产生输出电压的变化，从而能够经常保持一定值的输出电压。
测试结果表明，所设计的可变电压电源在输出端可以输出3-9V的电压，并且是稳定的，各点的参数也符合要求，能够为电子设备提供稳定可靠的直流电压。
目录1 引言 (1)1.1 选题的目的及意义 (1)1.2 研究背景 (1)1.3 可变电压电源研究的现状 (1)2 数字电位器的特点及其工作原理 (3)2.1 数字电位器 (3)2.2数字电位器的特点 (4)2.3 数字电位器的工作原理 (5)3 数字电位器的应用技术及直流电压 (7)3.1 减小额定阻值误差和温度系数的影响 (7)3.2 通频带的选择 (8)3.3 大电流线性分压器 (8)3.4 输出正、负电压的分压器 (9)3.5控制信号波形畸变 (9)4 数字电位器可变电源电压设计 (10)4.1稳压电源的组成 (10)4.2电源的结构 (10)4.2.1选择输出晶体管 (11)4.2.2 误差放大器的设计 (11)4.2.3稳压工作用的电容器 (12)4.3电容滤波电路 (13)4.4测试方法 (13)结束语 (15)附录 (18)1 引言1.1 选题的目的及意义在这二十一世纪信息高速发展的时代，基于市场对设备集成化，微型化的要求，越来越需要用数字电位器代替机械电位器，以提高系统的可靠性和可控性。
数码电位器MAX5450在数字化AGC系统中的应用
数码电位器MAX5450在数字化AGC系统中的应用摘要：介绍MAX5450在井下超声流量测井仪采用的以MC1350为核心的数字化自动增益控制系统中的应用，介绍MAX5450的工作原理及其高速、精确、稳定和低功耗特性。
并阐述了数字化AGC系统的优越性，低功耗、高频特性。
关键词：数字化AGC系统；MAX5450；MC13500 引言在电子设备中，经常要对电信号的3个参数——振幅、频率、相位进行自动控制。
例如，一部通信接收机，当发射信号地点的远近，功率的大小不同即输入信号变化时，输出信号大小能自动保持稳定，这就要求放大器的增益能自动调节。
再如供电电源，当市电电网电压或是耗电负载变化时，要求输出电压保持恒定。
以上这些功能属于传统自动增益控制的范畴。
井下超声流量测井仪中应用的AGC 系统，则因其在井下这种特殊环境中特别是高温情况下必须保证整个系统的低功耗，耐高温，抗干扰强，体积小等特性。
为达到以上要求，我们设计了以MC1350和MAX5450为核心的电路。
MAX5450在单片机的控制下能实现自动调节阻值，它的源电流极低只有1uA，具有超低功耗。
在分辨率足够的情况下，其调节精确，稳定，数据可长期保存和随时刷新，还有体积小，抗振动的特点。
因此我们可以用很少的器件和软件开支来实现数字化自动增益控制这一电气功能。
1 基本结构及工作原理MAX5450是一种256节点双数字电位器，是在单片机的控制下实现自动操作的智能化器件，这种数字电位器在每片封装中都含有两只相互隔离的数字电位器，它们可以独立使用，也可以组合使用获得更高的分辨率。
阶梯式的阻值变化具有调节精确和阻值稳定的特性。
其阻值分辨的台阶越多，阻值变化越精细，调整的灵敏度越高。
它用控制脉冲计数的方法来调整阻值，其实质是一种特殊形式的数模转换器，其特性表现不是电流或电压，而是电阻或电阻比率。
MAX5450原理框图如图1所示，它由输入部分、译码器和电阻阵列3部分组成，在输入信号INCU/D和CS作用下，器件中的加减计数器去控制接通某个电子开关，从而把电阻阵列上的一个点连接到中间的滑动抽头以输出Vw，L=GND,Rw=Vw/Iw,Iw为固定值400uA，Vw输出的变化从而使Rw阻值发生变化。
x9241的中文资料
巧妙的利用软件编程，将Ｘ９２４１内部的四个６４抽头数字电位器组成一个高分辨率低成本的数字电位器 数字电位器（ＤＣＰ）是专为替代传统机械电位器、可变电阻器而设计的新型集成电路。
其通过Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ以及ＣＳ，Ｕ／Ｄ，ＩＮＣ三线方式与ＭＣＵ接口，可实现应用程控调节，也有按钮控制方式，从而实现与传统机械电位器或可变电阻器相同的电位、电阻调节功能的特殊集成电路。
与传统机械电位器相比，数字电位器具有数字调节、长寿命、易于装配、节省空间、不受振动影响等突出优点，已被广泛应用于医用设备、仪器仪表、工业控制、计算机、家用电器、手机、数码产品等各个领域。
在有些应用中，如激光二极管的动态偏置调节，使用数字电位器或者微调ＤＡＣ来控制电压，就受到了分辨率、接口、成本的限制。
为了解决这类问题，我们将在这里介绍使用低分辨率（６４抽头）、低成本的Ｉｎｔｅｒｓｉｌ（Ｘｉｃｏｒ）公司Ｉ２Ｃ总线控制数字电位器Ｘ９２４１组成一个高分辨率（８００１抽头）的数字电位器的解决方法。
实现高分辨率的原理 我们假设有三个数字电位器，ＰＯＴ１和ＰＯＴ２为６４抽头ＤＣＰ，ＰＯＴ３为１２８抽头ＤＣＰ，其中ＰＯＴ１和ＰＯＴ２用作ＰＯＴ３的ＶＨ和ＶＬ的设置，并且必须保证ＰＯＴ１和ＰＯＴ２始终为“１”个位置间隔，那么就有６３种不同的电压间隔施加到ＰＯＴ３上。
理论上，当ＰＯＴ３在特殊电压抽头１２７和下一个电压间隔的抽头０之间跳动时，应该还有一个多余的抽头位置，但是这些抽头不是多余的，它们的作用可以改善输出的线性度，因为在相邻的两个电压间隔中的抽头０和抽头１２７的电压是一样的。
对于６３个不同间隔的每一个，又借助１２７个不同的输出，就会有８００１（６３×１２７＝８００１）个不同的Ｖｗ输出可以在ＶＨ和ＶＬ之间获得。
图１就是说明的这个概念。
如何使用Ｘ９２４１实现高分辨率（８００１抽头） Ｉｎｔｅｒｓｉｌ（Ｘｉｃｏｒ）公司的Ｘ９２４１把四个非易失性数字电位器集成在一个单片ＣＭＯＳ微电路中，它的功能框图如图２。
数字电位器芯片
数字电位器芯片
数字电位器芯片是一种集成电路，用于模拟电路中的可变电阻。
它是基于MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）技术
实现的，具有高分辨率和精确控制的特点。
数字电位器芯片可以替代传统的机械电位器，广泛应用于各种电子设备中。
数字电位器芯片由控制逻辑、存储单元和电阻网络组成。
控制逻辑接收外部控制信号，并通过存储单元来设置电阻值。
电阻网络则是由一系列的MOSFET器件组成，通过调整MOSFET
的通道电流来改变整体的电阻值。
数字电位器芯片主要具有以下特点和优势：
1. 高分辨率：数字电位器芯片通常具有12位或更高的分辨率，可以实现非常精确的电阻调节。
2. 精确控制：由于采用数字控制，数字电位器芯片可以精确地调节电阻值，避免了传统机械电位器的误差和漂移。
3. 速度快：数字电位器芯片可以快速响应控制信号，并调整电阻值，适用于高速信号处理和调节。
4. 可编程性：数字电位器芯片通常具有可编程的特性，可以通过外部控制器或微处理器来设置和调节电阻值，方便集成到各种电子系统中。
5. 体积小：数字电位器芯片采用集成电路技术制造，具有体积
小、重量轻的特点，适用于小型和便携式设备。
数字电位器芯片在各种应用中具有广泛的用途，例如音频设备中的音量控制、电子测量仪器中的校准和调节、自动化系统中的控制和调节等。
它可以替代传统的机械电位器，提高系统的稳定性和精确度，同时降低成本和维护的难度。
总之，数字电位器芯片是一种先进的集成电路，具有高分辨率、精确控制、快速响应、可编程和小体积等优点。
它在各种电子设备中得到广泛应用，为电路调节和控制提供了更加便捷和可靠的解决方案。
数字电位器常见问题及应用经验总结
对于设计人员而言，数字电位器正变得越来越重要，它们具有很多优点，但也存在很多限制。
下面比较机械电位器，数字电位器的共同点和区别，并由此帮助读者了解如何使用数字电位器。
电位器的出现有很长的历史，它以各种方式应用在广泛的领域，如常数调整和测量领域。
最常见的莫过于设定和微调电阻值来微调电路，设置电平和调整增益等。
电位器也被用来设计机器人和工业设备中的位置反馈。
针对电位器需要考虑的各个方面，需针对特定应用的各种需求来设置。
如电位器上的最大电压，各臂所能提供的最大电流，能允许消耗的最大功率以及最需要考虑的电阻问题。
从功率到噪声的各个方面。
单个电阻的误差通常有+/-20%到+/-5%，温度也会造成电阻值的漂移，所以需要考虑电位器的精度，线性，单调性与否，是否考虑设计中其它因素。
比如人耳对声音的频率响应将比较重要。
断电与加电时电阻的变化，成本和体积，还有可靠性如装配，潮湿等。
在爱迪生一千多项的发明当中,电位器总是为人们所遗忘。
它是在十九世纪七十年代被发明并应用在开关中。
如图一所示。
经一百年来，随着材料及外形的改变，机械电位器在一些初级的应用中受到极大的关注。
无可置疑机械电位器和数字电位器有许多区别，而它们的共性却令人惊讶。
其中最大相同就是它们都具有可调性，能提供大范围的端到端电阻。
机械电位器可耐上千伏的高压，数字电位器受制于小体积通常电压在30伏以内。
机械电位器电阻容量也比数字电位器大。
然而我们只要稍加考虑就可以解决上述问题。
机械电位器受振动发生电阻飘移的时候会给设计造成问题。
机械电位器的接触点因磨损，老化而造成电阻增大或失效，进而使机械电位器的性能无法预知。
数字电位器则无因机械结构造成上述的问题，可以经上万次开关操作而依然保持一致。
数字电位器通常采用多晶硅或薄膜电阻材料，具有低噪声，高精度和优良的温度系数。
机械电位器和数字电位器尺寸大小比对如图二所示。
数字电位器另一个显著优点是可编程性，它可以象EEPROM一样电压编程来调节电阻，可以取代电压跟随器，还可以象数模转换器一样来控制或设置电压电流。
电位器
浅谈数字电位器hc360慧聪网电子行业频道2004-01-02 08:57:08一、数字电位器与机械电位器的区别及其特点电位器是一种应用最广的电子元件之一。
传统的电位器是通过机械结构带动滑片改变电阻值，因此可以称作机械式电位器，其结构简单、价格低，但由于受到材料和工艺的限制，最容易产生滑动片磨损，导致接触不良、系统噪声大甚至工作失灵。
随着科技的发展，国外多家公司推出一种采用集成电路工艺生产的电位器，其外形像一只集成块，这种电位器采用数字信号控制，故称为数字电位器。
数字电位器具有以下特点：采用集成电路工艺生产，具有良好的线性、精度和温度稳定性；采用电信号控制电阻的变化，应用范围广，使用灵活；滑动端位置易于由单片机、计算机或逻辑电路控制，通过编程自动调节电阻值，大大提高调节精度和自动控制能力；可以选择记忆功能和不记忆功能，选择记忆功能时将电位器当前的调节位置保存在非易失性存储器中，下次通电时自动恢复这一位置，能自动消除手动调节的误差。
若选择不记忆功能，当系统通电时数字电位器自动复位（事先设定的位置），这一特性是机械电位器无法比拟的；温度稳定性好，抗冲击具有优越的环境适应性；没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了滑片接触不良的问题；体积小，节省空间，易于装配；寿命长，可靠性高。
数字电位器内部一般都包含有非易失性存储器，记忆电位器的工作状态。
一般把这类器件简写为“Ｅ２ＰＯＴ”。
二、数字电位器的工作原理数字电位器一般由数字控制电路、存储器和ＲＤＡＣ电路两部分组成。
其原理框图如附图所示。
不同型号的数字电位器其数字控制电路的结构形式不同，但主要功能都是将输入的控制信号进行处理后控制ＲＤＡＣ。
非易失性存储器用来存储控制信号和电位器的抽头位置。
ＲＤＡＣ电路是数字电位器的重要组成部分，它是一种特殊的数／模转换电路，与一般的数／模电路不同的是，转换后的模拟量不是电压值，而是电阻值，所以将其称为“ＲＤＡＣ”。
ＲＤＡＣ由电阻阵列、模拟开关阵列和译码器等组成。
X9241原理及应用
X9241原理及应用逄玉台;王建华【摘要】X9241是4个数字电位器为一体的CMOS集成电路,每个电位器包含63个电阻,4个电位器可以级联,在程控放大器中可提供256级的增益控制.数字电位器滑臂位置的控制由用户通过I2C串行总线传递增益码控制,X9241自带I2C二线接口,接法简单,使用方便,可灵活控制滑臂位置,改变阻值大小.该芯片广泛应用于电路控制、参数调节和信号处理中.介绍X9241的功能、组成,分析工作原理,给出X9241应用电路框图及编程.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2006(029)022【总页数】3页(P138-140)【关键词】数字电位器;X9241;寄存器;程控放大器【作者】逄玉台;王建华【作者单位】西安通信学院,陕西,西安,710106;西安通信学院,陕西,西安,710106【正文语种】中文【中图分类】TM547X9241是4个数字控制电位器为一体的单块CMOS集成电路。
每个数字电位器由63个电阻串联而成，在两个电阻连接处通过开关连接到滑动引脚。
电阻串上的滑动点位置是由使用者通过2线总线控制。
每个电位器有和他相关联的可变滑动点计数寄存器(WCR)和4个非易失性数据寄存器(DR0～DR3)，使用者能够直接读和写他们。
WCR的内容控制电阻串上滑动点位置的开关导通。
上电时将DR0内容传送到WCR。
X9241能被用成三端电位器或一个可变二端电位器，广泛应用到控制、参数调节和信号处理。
1 X9241结构原理1.1 X9241简介X9241的组成框图如图1所示。
他是由4个相同数字控制电位器、接口和控制电路组成。
每个数字电位器由1个WCR，4个非易失性数据寄存器(R0，R1，R2，R3)、模拟开关和电阻串组成。
1.2 X9241引脚说明X9241引脚排列如图2所示。
SCL：数据输入和输出时的时钟输入引脚；SDA：数据输入和输出引脚，开路输出，使用时需要接上拉电阻；A0、A1、A2、A3：地址引脚。
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详解数字电位器的原理与应用数字电位器（DigitalPotenTIometer）亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器（模拟电位器）的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。
数字电位器采用数控方式调节电阻值的，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，可在许多领域取代机械电位器。
数字电位器一般带有总线接口，可通过单片机或逻辑电路进行编程。
它适合构成各种可编程模拟器件，如可编程增益放大器、可编程滤波器、可编程线性稳压电源及音调／音量控制电路，真正实现了“把模拟器件放到总线上”（即单片机通过总线控制系统的模拟功能块）这一全新设计理念。
目前，数字电位器正在国内外迅速推广，并大量应用于检测仪器、PC、手机、家用电器、现代办公设备、工业控制、医疗设备等领域。
1.基本工作原理
由于数字电位器可代替机械式电位器，所以二者在原理上有相似之处。
数字电位器属于集成化的三端可变电阻器件其等效电路，如图l所示。
当数字电位器用作分压器时，其高端、低端、滑动端分别用VH、VL、VW表示；而用作可调电阻器时，分别用RH、RL和RW表示。
图2所示为数字电位器的内部简化电路，将n个阻值相同的电阻串联，每只电阻的两端经过一个由MOS管构成的模拟开关相连，作为数字电位器的抽头。
这种模拟开关等效于单刀单掷开关，且在数字信号的控制下每次只能有一个模拟开关闭合，从而将串联电阻的每一个节点连接到滑动端。
数字电位器的数字控制部分包括加减计数器、译码电路、保存与恢复控制电路和不挥发存储器等4个数字电路模块。
利用串入、并出的加／减计数器在输入脉冲和控制信号的控制下可实现加／减计数，计数器把累计的数据直接提供给译码电路控制开关阵列，同时也将数据传送给内部存储器保存。
当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路的输出端只有一个有效，于是只选择一个MOS管导通。
数字控制部分的存储器是一种掉电不挥发存储器，当电路掉电后再次上电时，数字电位器中仍保存着原有的控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。
因此，数字电位器与机械式电位器的使用效果基本相同。
但是由于开关的工作采用“先连接后断开”的方式，所以在输入计数有效期间，数字电位器的电阻值与期望值可能会有一定的差别，只有在调整结束后才能达到期望值。
从图2可以看出，数字电位器与机械式电位器有2个重要区别：1）调整过程中，数字电位器的电阻值不是连续变化的，而是在调整结束后才具有所希望的输出。
这是因为数字电位器采用MOS管作为开关电路，并且采用“先开后关”的控制方法：2）数字电位器无法实现电阻的连续调整，而只能按数字电位器中电
阻网络上的最小电阻值进行调整。
2.数字电位器的典型应用
数字电位器的应用广泛，而且按照不同的分类标准也有很多种类，但是基本原理是相似的，这里以三线加／减式接口的数字电位器X9313为例，介绍数字电位器的应用。
2.1内部结构及工作原理
X9313为工业级的32抽头数控电位器，最大阻值为10kΩ，采用8引脚，有DIP、OIC、FSSOP3种封装。
X9313的内部功能框图，如图3所示。
它由输入部分、5位E2PROM、存储和调用电路、32选l译码器、由MOS场效应管构成的32路模拟开关、电阻阵列6部分组成。
其中输入部分是5位加／减计数器经过三线加／减式接口（）与单片机相连，其工作像一个升／降计数器，输出经译码，控制接通某个电子开关，这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。
电阻阵列由32个等值的电阻和与之相配套的电子开关组成。
根据控制端的电平，计数器的内容还可以储存到非易失存储器中以便后续使用。
2个顶脚引线分别接VH和VL，中间抽头为VW。
为3个控制端，其中，为片选端，为低电平时，X9313被选中。
此时才能接收的信号。
在下降沿使计数器增或减1。
如果，滑动端向VH方向滑动，VW与VH之间的电阻减小一个阶值。
反之，如果，滑动端向VL方向滑动。
计数器输出译码后，经过32选1，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。
当计数器达到某个极端（00000或11111）时，不会循环回复，从00000自动变成1111l，或从11111变成00000，也就是说当为高电平而也为高电平时，计数器的值存储到非易失存储器中，系统上电时，器件自动
将非易失性存储器中的值送到计数器，作为计数器的输出。
2.2典型应用
2.2.1 手控调压电路
图4所示为。
将VH端接+5V，VL接地。
从VW端输出0～+5V的可调电压。
R1、R2为上拉电阻。
只要按动开关S1，输出电压就升高，每按一次电压升高0．05V，最高可达5V。
如果按住S2即为低电平，此时按S1则每按一次电压降低0．05V。
2.2.2 X9313与单片机的接口电路
这里以常用的AT89C2051单片机为例介绍数字电位器与单片机的接口电路。
电位器的3个控制端分别接AT89C2051的P1．7、P1．6和P1．5。
由R1、C1构成上电复位电路，C2、C3和石英晶体JT构成晶振电路。
因为单片机I／O端口内部已有上拉电阻，所以上电时上述控制端均为高电平，电位器处于待机状态，此时应用和上例相同。
相关程序代码如下：
上面的程序实现了使UD为高电平，此时给数字电位器发送50个脉冲，增大电阻使高低端之间电压为2．5V。
通过单片机传给数字电位器脉冲信号来控制数字电位器的大小，从而方便而精确地改变电阻值。
但是在实际应用中，要注意对数字电位器的误差进行分析和补偿。
3.结束语
数字电位器是一种颇具发展前景的新型电子器件，在许多领域可取代传统的机械电位器。
其优点为：调节精度高；无噪声，工作寿命极长；无机械磨损；数据可读写；具有配置寄存器及数据寄存器；多电平量存储功能。
它广泛应用于仪器仪表、计算机及通信设备、家用电器、医疗保健产品、工业控制等领域。
任何需要用电阻来进行参数调整和控制的场合，都可使用数字电位器构成可编程模拟电路。
但是在实际使用中应特别注意数字电位器的电阻调整误差，由于不同应用场合时的误差影响因素有所不同。
因此在实际应用时，最好利用A／D转换电路对其进行精确测量，并采用单片机对其补偿。