数字电位器的研究及应用

孙耀杰，杜 森，王国君，董津生

（河北工业大学 信息学院，天津 300401）

数字电位器（Digital Potentiometer）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[1]。

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1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1 数字电位器等效电路

图2 数字电位器内部电路原理

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[2]。

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10 kΩ，采用 8引脚，有 DIP、OIC、FSSOP 3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1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（INC、U/D和CS）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。

图3 X9313内部结构

2个顶脚引线分别接VH和VL，中间抽头为VW。INC、U/D和CS为3个控制端，其中，CS为片选端，CS为低电平时，X9313被选中。此时才能接收U/D和INC的信号。INC在下降沿使计数器增或减1[3]。如果U/D=1，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U/D=0，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11111，或从11111变成00000，也就是说当CS为高电平而INC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所示为由X9313构成的0～+5 V输出的按键式调压电路。将VH端接+5 V，VL接地。从VW端输出0～+5 V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0.05 V，最高可达5 V。如果按住S2即U/D为低电平，此时按S1则每按一次电压降低0.05 V[4]。

图4 输出按键调压电路

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INC、U/D和CS 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[5]和上例相同。

图5 X9313与单片机接口电路

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2.5 V。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[6]。

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。

[1]沙占友.数字电位器设计原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]沙占友，孟志永，王彦鹏.单片机外围电路设计[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3]黄法，孔秀华.数字电位器的应用拓展[J].电子元器件应用，2009（1）：23-27.

[4]叶淑彬.数字电位器的结构特点及典型应用[J].浙江树人大学学报，2004（4）：17-21.

[5]蒋双梅，曹立进，高敦堂，等.一种按钮式数字电位器在视频数据混合器中的应用[J].微电子学，200131（1）：33-38.

[6]SHA Zhan-you.Dust-like object temperature measurement system based on programmable silicon oscillator[C].Shengyang：Northeastern University Press，2006：337-341.