揭密数字可编程电位计技术

很多电子系统设计都要求某种形式的系统内调节，要么是生产期间的一次性(one off)校准，要么是日常工作期间改变某个参数。这种功能非常重要，应用示例繁多，诸如微调胎压监测器的传感器灵敏度、改变音频放大器的增益控制、调整游戏机的动作控制，以及对电源设备进行最终调节，等等。

过去使用的是(基于某种类型的旋转或线性调节原理的)传统机械式电位计，但它们的应用日趋比微。而数字电位计变得越来越有竞争力且更易于使用，故正逐步在宽广的工业领域中替代机械式电位计。

数字可编程电位计市场已有迹象显示，未来几年间将经历可观的增长，背后包含几项关键因素，其中包括消费电子产品更高控制等级的需求、汽车应用中传感器应用增多(要求进行精确的校准)等。

数字可编程电位计器件的基本原理
数字可编程电位计是一种混合信号器件，由不同模拟及数字电路部分构成。三端电位计位于模拟部分。数字部分与模拟部分相辅相成，包含所需的不同编程接口、寄存器及控制元件。数字部分将模拟部分与系统设计的其他部分相连。数字电位计的基本功能与机械式电位计相同。三个端子中有两个端子与电阻的两端接触，而第三个端子(即电阻触点wiper)可连接电阻长度范围内的不同点，从而能够设定所要求的电阻值。将数字电位计方法与机械式电位计区分开来的就是控制电阻触点的方式。机械式电位计以物理方式移动电阻触点的连接，而数字电位计通过串行总线或数字控制线路来以电气方式完成。

图1 机械式电位计与数字电位计基本的工作原理差别

数字可编程电位计的优势
机械式电位计并不是特别方便，因为它们需要手动调节电阻触点位置。由于需要手动，容易日久损耗，缩短集成了它们的系统的工作寿命。

相对而言，数字电位计已被证明是更强固的方案，提供更高的可靠性及更长的工作寿命，遭受冲击/震动时易于恢复，更适合用于严格的环境中。数字可编程电位计的尺寸也较小，使其更适合便携应用。这些器件能够使用新式接口(如I2C或SPI同步串行总线)，更易于集成到系统之中，这样就能够直接以微控制器(MCU)来控制它们。此外，它们也不易受到干扰效应的影响。

 由于它们配合在产品开发时采用平台策略，它们要求的工程负担更小，大幅加快上市。此外，数字方法支持在设计中纳入温度传感器，从而能够调节电位计的精度，补偿极热或极冷条件。

在制造/校准流程，它们允许更便利的自动调节，不需要人为干预，并兼容贴片机，这些因素显著降低了生产总成本。数字可编程电位计的电阻触点位置可以存储在单独的易失性(EEPROM)存储器中，或者集成在电位计本身中的非易失性存储器中，使得前面的设置信息不会丢失，在它再次往回调节时系统恢复这些设置。

虽然数字可编程电位计的单位价格一般都比机械式电位计高，这其实是误导的。当考虑到机械式电位计的现场维护/调节成本及其更高的生产成本时，数字可编程电位计不仅在经济上还在技术上证明了自己的优势。

应用数字电位计时的注意事项
虽然数字电位计能够有效地在传统设备中直接替代机械式产品，但工程师也需要注意几项问题。想要在模拟电路中应用数字可编程电位计，应当慎重对待这些问题，从而确保这器件是考虑中应用的最佳选择。

1 精度–这种器件的精度由其含有的电阻增量(亦即抽头)数量决定。抽头数量越多，数字可编程电位计的精度越高。新式数字可编程电位计提供多达256个抽头，故支持高精度等级。然而，通过使用相对简单的电路，有可能进一步提升精度。这可以通过将数个数字可编程电位计以并联、堆叠或级联(cascaded)配置布设在一起来实现，但会增大总体物料单(BOM)，并可能延长开发时间。

2 线性度(Linearity)–数字可编程电位计的线性度指的是实际电阻触点电压与预计电阻触点电压之间的散度(divergence)。性能较高的器件应当拥有不超过±1最低有效位( LSB)的最大值。

3 温度特性–在许多应用中，特别是汽车或工业终端应用中，需要顾及数字可编程电位计的温度系数，使得极高热等级不影响其工作。这个数字以电阻在给定温度与参考温度之间的10-6/℃漂移的形式来表述。当面临严格的应用环境时，就值得指定使用温度相关度极低的数字可编程电位计。另外使用闭环反馈原理来校准系统，就可以校正由温度波动导致的任何变化。

4 电阻触点(wiper)内部阻抗–处理电阻触点的内部阻抗对系统精度的影响是要顾及的另一问题，特别是在电阻触点接近电位计的高端端子或低端端子的时候，可使用消减技术来消解这个问题。这些技术通常基于增添匹配电阻触点内部阻抗的补偿电阻。

应用示例
使用数字可编程电位计的应用多种多样，接下来重点讨论其中的几个应用示例。

1 固态照明–使用LED取代白炽灯泡来照明日趋普及，因为LED照明支持节能，并能够提供更高的系统可靠性。LED器件要求稳流电流，它们的亮度与施加的电流成正比。LED驱动器常使用外部电阻来设定LED电流。如果使用数字可编程电位计来取代外部电阻，就可以根据存储在非易失性存储器中的电阻值来调节LED亮度。图2显示的是这类系统设计中使用的32抽头数字可编程电位计。电阻触点的位置通过三输入接口来控制。控制器的INC输入以向上/向下输入的逻辑状态确定的方向来调节电阻触点增量。电阻触点位置通过CS输入存储在控制器中，故掉电时信息不会丢失。

图2 固态照明系统的调光控制

2 显示器控制–随着平板显示器的应用持续增多，另一个数字控制的重要商机应运而生。显示器的VCOM信号用作参考电压，让制造商生产的每个显示器都能够精微调节，使其关键参数相互匹配。因此，与机械式电位计相比，数字可编程电位计拥有串行总线输入，使得微调过程能够自动进行，这就降低了相关成本，并避免人为误差发生的可能性。显示器控制器的典型应用如图3所示。

图3 数字可编程电位计用于VCOM缓冲控制

3 汽车–新式汽车的成本中电子电路构成的比例越来越高。汽车半导体市场规模预计将从2010年的210亿美元增长至2017年的380亿美元(依据Stategy Analytics的最新研究)。为了校准新车型中的不同传感器，很有可能使用这些数字可编程电位计。从仪表盘/前照灯亮度到液位感测(用于油箱监测等)，再到引擎控制和供暖/空调系统中涉及的传感器，都有可能使用某种形式的数字可编程电位计。

4 工业 数字可编程电位计也能够集成在多种工业系统中。例如，气体检漏器检测加工厂的危险气体等级，确保工人安全。随着使用的增多，这些设备使用的电化学单元需要重新校准，因为其灵敏度发生了改变。

5 通信–在通信应用中，数字可编程电位计能够为光纤收发器提供温度补偿。环境热等级的变化会影响激光二极管输出的波长，而这会损伤网络的数据传输能力。使用如图4所示的数字控制方法，就可以消解这个问题。

图4 数字可编程电位计为激光二极管提供温度补偿

由于这些应用示例中需要处理的多种不同任务及应付大量设计事项，使得数字电位计的未来很有希望。这种极为灵活多用的器件能够证明具有明显优势，适合于多种工业领域的设计工程师，提供连接至电子系统的更简单接口，并具备更高可靠性。而且，随着众多制造商为这些产品提供全面的技术设计入选(design-in)及应用支援，即使对这种技术感到陌生的工程师都可以自信地为其终端产品甄选及应用最优的数字可编程电位计方案。