工程师小课堂：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。数字电位器的主要参数特性如下图所示。

在使用数字电位器来设置电压时，如需限定电压输出范围，只需在数字电位器的供电回路上串联电阻即可。下图给出将输出电压范围从0到15V改变成6+/-1V，其中只需增加电阻R1和R3。

 用电位器来调整放大器增益的电路得到广泛应用，如液晶显示(LCD)中的对比度调节，传感器校准和数字多媒体播放等。机械电位器因工艺原因，端到端的电阻误差行业标准是+/-20%。当电阻值偏大时，电路分辩率降低。当电阻值偏小时，电路调节范围缩小。如下图所示。此20%误差带来的增益波动，在开环应用中因无补偿控制将会引起严重的后果。数字电位器可以将通道电阻的匹配精度做到1%，从而有效解决了电阻误差带来的增益波动问题。

在数字音频应用中，数字电位器大量取代了机械电位器是因为数字电位器具有高可靠性，数字控制，易于在线性和对数性间转换和更好的稳定性。这其中的工程挑战有：

音频信号电压范围应在电路供电范围内，即不能高于Vdd也不能低于Vss。

上电顺序为：首先是电源地和正负电源，然后是数字信号，最后是数字电位器的内置ESD的A，W，B端口。

电位器端到端电阻误差问题。可以将电位器在电路中接成电阻分压式，这样电位器的输出取决于游标的位置而与电阻误差无关。如下图所示。

上电时电位器游标值问题。对于机械电位器，只要不改变游标位置，断电再复电后，游标值保持不变。对于数字电位器情况则不一样。有的数字电位器内置EEPROM，将游标值记录下来，复电后游标值保持不变。有的数字电位器复电后将游标自动设为中值。有的数字电位器在复电后将游标随机设值。这需要使用者仔细查阅相关规格书，不可一概而论。

上电噪声问题。音频电路在上电或电路切换瞬间，容易因电压突变而在喇叭中发出“砰蓬”声，对音质而言是一种噪音。有的数字电位器内置过零点电路，使音频电路上电或电路切换发生在电压过零点处，从而避免电压突变，消除了“砰蓬”声。

音量调节均匀性问题。人耳对音频实际上是呈对数性反应而非线性。绝大部分机械电位器按线性设计，这样在调节音量大小时，声音强弱并不均匀增加或减少。数字电位器可按对数性即按dB设计，这样无需额外的电路设计而解决音量调节均匀性问题。

数字电位器还可以应用在数字滤波器电路中。下图为Analog Devices 公司给出的电路图和计算公式。需要特别注意的是数字电位器本身的带宽限制跟游标值的设定有关，详情请查阅厂家的应用手册。

数字电位器并不能完全取代机械电位器，原因有数字电位器输入电压必须在Vdd和Vss间的限定，电流的限定(如@1K=5.5mA@10K=0.55mA，详情请查datasheet)，上电顺序的要求，上电初始化，EEPROM电可擦写存储器的考虑，数字接口的考虑和电阻值不能做得太大,在跟踪输入信号来调整增益时需考虑响应时间等。

结论：数字电位器较机械电位器最大缺点是目前还不能处理高电压大电流，但有非常多其它的优点可以使电子工程师开发更多新功能，降低成本。