数控电位器原理与应用非常完整的毕业设计论文

./WORD格式整理版本科毕业论文〔设计论文〔设计题目：数控电位器原理及应用学院：职业技术学院专业：自动化班级：2004学号：PB041357022学生姓名：马磊指导教师：李疆20XX月日前言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,故称为数电位器,亦称数控电位器。数控电位器自20世纪90年代问世以来,就显示出强大的生命力,它是采用数控方式调节电阻的。具有使用灵活、调节精度高、无触电、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点。相对于机械式电位器,使用数控电位器的主要优势是定位精度高,提高系统的可靠性或者提供宽温度范围的性能,消除系统微控制器,提高电子噪声抑制能力；不受机械震动影响,可以简化生产流程,还占用空间较小,提高校准精度和可重复性,并可以通过程控来实现半自动化调节；数控电位器也增加了电路板布线的灵活性。非易失数控电位器的可靠性更高。一次性编程<OTP>数控电位器〔如MAX5427-MAX5429,可以在编程后永久保存缺省的抽头位置。另外,由于减小了寄生参数,因而具有较强的抗干扰能力。数控电位器几乎可以在所有应用中替代机械式电位器,以减轻设计人员和最终用户的负担。相信使用过单片机的人不能不被它强大的功能所折服,我们越来越不敢忽视单片机在电子领域中的作用。数控电位器一般带总线接口,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,例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,是连接数字电路和模拟电路的桥梁,真正实现了"把模拟器件放到总线上"。目前,数控电位器正在国内外迅速推广,并被大量用到PC、手机、闭环伺服控制、音频设备、仪器偏移调整及信号调理、智能式仪表、复印机、打印机等办公设备、电动机控制、全球定位系统、DSP系统中、家用电器、电力监控设备、工业控制、医疗设备等领域。任何需要用电阻来进行参数调整、校准或控制的场合,都可使用数控电位器构成可编程模拟电路。在我国还是近几年出现的新型器件,虽然许多人在实际应用中对其不够了解,但正在国内正迅速崛起。在国外,数控电位器被应用于许多高科技领域,且被给予很大的重视。数控电位器的原理与应用——基于三线加/减式接口的数控电位器原理与应用第一章数控电位器的概述1.1数控电位器的名词术语1.数控电位器的概念数控电位器是一种专门用来代替传统的机械电位器的新型CMOS数字、模拟混合信号处理集成电路。美国ADI〔AnalogDevicesInc.模拟器件公司就是用"DigitallyPotentiometer"来表示数控电位器的。2.数控电位器常用的英文缩写如下：DCP〔DigitallyControlPotentiometer：数控电位器。美国Xicor公司是世界上最早生产数控电位器的厂家,该公司将数控电位器简称为DCP。RDAC〔ResistanceDigitaltoAnalogConverter：电阻式数/模转换器。因数控电位器的输入为数字量,输出为模拟量,是一种特殊的数/模转换器〔DAC,故称之为电阻式数/模转换器。DPP〔DigitallyProgrammablePotentiometer：数控可编程电位器。这是美国CaTalyst公司对数控电位器的简称。DigitalPot〔DigitalPotentiometer：数控电位器。这是美国ADI对数控电位器的一种简称。DigiPOT〔DigitalPotentiometer：数控电位器。这是美国MAXIM对数控电位器的一种简称。DVR〔DigitalVariableResistor：数字式可变电阻器。DR〔DigitalResistor：可变〔指可编程电阻器。1.2数控电位器的主要特点及产品分类数控电位器与机械电位器的性能比较1．机械电位器的缺点传统的机械电位器属于模拟式分立元件,其特点是在标称电阻范围内,通过改变滑动端的位置来获得所需要的任意电阻值。机械电位器的主要缺点如下：〔1性差、噪声大、易污染、怕潮湿、抗振动性差,容易受环境因素的影响。〔2体积大、使用寿命短。〔3需要手动调节,不仅耗时、费力,而且调节方法及调节效果因人而异,存在人为误差,至使调节精度低,重复性差。〔4当触点接触不良时会产生电噪音〔即"咔啦"声。2．数控电位器的优点近年来问世的数控电位器可圆满解决上述问题。数控电位器亦称数控可编程电阻器,简称数控电位器〔DCP,是采用CMOS工艺制成的数字-模拟混合信号处理集成电路,能在数字信号的控制下自动改变滑动端位置,从而获得所需要的电阻值。数控电位器本身就是一个包括控制接口、存储器和电阻的系统,它是通过软件和控制接口进行编程的,因此在调节过程中不会产生电噪音。与机械电位器相比较,数控电位器具有以下优点：〔1采用集成电路工艺制成的,没有机械电位器特有的滑片,彻底解决了因滑片磨损而造成接触不良的问题。〔2很容易与单片机或计算机接口,通过程序自动调节电阻值,能自动操作,为实现批量产品的自动调节创造了条件。〔3具有存储设置或数据的记忆功能。用户可记忆或不记忆方式。选择记忆方式时将电位器当前的调节位置保存在非易失存储器中,下次通电时自动恢复这一位置；选择不记忆方式时,当系统通电时数控电位器就自动复位,恢复到出厂时默认的零位或其他位置上,这一特性是机械电位器无法比拟的。〔4重复性好,可靠性高,密封性好,低噪声,不容易受污染,防潮湿,抗振动、抗冲击,基本不受温度、湿度、压力等环境因素的影响、使用寿命长,能提高系统的可靠性。〔5体积小,可直接安装在印刷板上,能简化生产流程,提高装配速度,降低系统的成本及维修费用。3．数控电位器与机械电位器的性能比较数控电位器与机械电位器典型产品的外形比较如图所示。小型机械电位器〔含精密多圈电位器一般要用小螺钉旋具来调整,数控电位器则用数字信号来调整。图数控电位器与机械电位器典型产品的外形比较数控电位器与机械电位器的性能比较见表~表1.2.3。从表1.2.3可见,数控电位器具有极高的可靠性能指标〔大于99.999%。表数控电位器与机械电位器性能比较之一名称特性电阻变化规律调节方法位置记忆自动恢复使用寿命体积数控电位器集成化有源器件阶梯变化数字控制记忆/不记忆任选有长小机械电位器分立式无源元件连续变化手动控制有无短大数控电位器与机械电位器性能比较之二特性数控电位器机械电位器分辨率分辨率高。分辨率是生产厂家的测试指标,因此非常可靠,能够保证从理论上讲,可提供无限高的分辨率,但实际上还要取决于调节人员的熟练程度使用灵活性使用灵活,将多个数字电位器进行级联,可提高其电阻值和分辨率使用不灵活工作条件限制受电源电压的限制主要受滑动片与电介质之间击穿电压的限制电源需要电源供电不需要电源供电机械磨损无机械磨损有机械磨损耐久性调整次数几乎是无限的调整次数有限环境影响一般情况下,不受环境因素的影响容易受振动、冲击、湿度和压力的影响滑的端位置保存设置好的滑动端位置可通过内部〔或外部E²PROM长期保存调节滑动端位置时不需要电源。滑动端位置可用石蜡或胶水固定,但以后调整时就很难移动调整通常采用二线或三线串行接口,由微控制器〔MCU进行自动调整。也有的数控电位器是通过按键来调整的,不需要配微控制器。调整时间短需要手动旋钮或用螺钉旋具〔螺丝刀来调整触头,直到欧姆表或电压表上显示出所需要的读数。调整时间长定标线性、对数、指数〔一般称作"伪"对数线性、对数、指数控制距离可实现远程控制,容易实现自动控制不能远程控制,无法实现自动控制噪声无调节噪声当接触不良时会产生噪声温度补偿某些数控电位器中包含温度传感器和非易失存储器,当环境温度发生变化时,可提供查找表来调整电位器输出,实现温度自动补偿不能进行温度补偿成本本身价格稍高,但使用寿命很长,还能节省维修费用,从而降低了总成本本身价格较低,但使用寿命较短,维修费用较高,进行人工调整时还容易出现调整错误,可靠性差,从而大大增加了成本表数控电位器与机械电位器性能比较之三对比项目数控电位器机械电位器生产厂家美国Catalyst公司BeyschlagCentralab公司产品型号CAT5114ST3电阻规格/kΩ1010允许偏差〔%1520结构〔分辨力32抽头单一方向210º转角封装形式SOIC-8〔小型IC3L单价〔数量>100片/美元0.751.35安装费用/美元0.04~0.080.04~0.08调试费用/美元«0.01〔自动调节0.12〔人工调节使用寿命无限长200个使用周期可靠性指标>99.999%〔即<100FIT——综上所述,利用数控电位器代替机械电位器,不仅能改进产品、降低成本、提高可靠性和稳定性,还能利用软件实现系统的自动调节、设置,使系统功能更加强大、使用更灵活。数控电位器的主要特点数控电位器具有以下特点：〔1数控电位器属于模拟-数字混合信号产品,是一种步进可调电阻。其输入为数字量,输出为模拟量,是一种特殊的数/模转换器〔DAC。但其输出量并非电压或电流,而是电阻值或电阻比率。〔2分辨率与内部RDAC的位数有关,RDAC的位数愈多,分辨率愈高。分辨率、抽头数与RDAC位数的对应关系见表。数控电位器内部单元电阻的个数等于抽头数减去1。采用4位RDAC的分辨率仅为6.7%,而采用10位RDAC的分辨率达到0.098%。因此,采用10位RDAC的数控电位器调节精度优于0.1%。由MAX5490、MAX5491、MAX5493型数控电位器,适合构成精密分压器,其最大的比例误差仅为0.035%,在-55~+125℃温度范围内,温漂仅为2×10-6/℃表分辨率、抽头数与RDAC位数的对应关系RDAC的位数45678910抽头数24=1625=3226=6427=12828=25629=512210=1024单元电阻的个数1531631272555111023分辨率〔%6.73.21.60.790.390.1960.098〔3不受环境影响,抗振动,不易污损。分布参数小,因此具有较强的抗干扰能力。〔4体积小,能节省印制电路板〔PCB的空间,易于安装。使用寿命长。〔5适配微控制器进行编程。MCU可通过串行总线来控制滑动端的位置,对数控电位器的电阻值进行自动调整。〔6内部有非易失性存储器〔E2PROM,用户可对其进行读、写操作,通过软件和控制接口对数控电位器的电阻值进行编程。掉电后能长期保存原有控制数据及滑动端位置不变,保存期可达100年,读、写次数一般可达5~20万次。〔7利用数控电位器可实现模拟电路中对电阻、电压或电流的数字控制及调整。除具有可变电阻特性外,数控电位器还能提供过零检测、按键去抖动接口、温度补偿、写保护等功能。〔8允许将几个数控电位器进行串联、并联或混联,以提高电阻值或分辨率；亦可组成同轴电位器、精密电阻分压器等。〔9受芯片制作工艺的影响,数控电位器的总阻值一致性较差,一般有15%~30%的偏差。但目前一种精密型数控电位器已经问世。〔10使用灵活,用途广泛。数控电位器还能构成各种可编程模拟器件,例如可编程LED、可编程滤波器、可编程振荡器,可编程增益放大器〔PGA、可编程仪表放大器〔PIA、可编程比较器、可编程基准电压源、可编程稳压电源、频率补偿网路、自动音量/音调控制电路等。〔11低电压,低功耗,超小型化,工作温度范围宽〔商业级产品一般为0~70℃,工业级产品为-40~+85数控电位器的分类数控电位器的种类繁多,功能各异,大致有以下九种分类方法：〔1按照数控电位器的抽头数来分类数控电位器的抽头数就等于内部模拟开关的数量,而单元电阻的个数等于抽头数减去1。若按抽头数来划分,数控电位器主要有以下7种：16抽头,32抽头,64抽头,128抽头,256抽头,512抽头,1024抽头。抽头数量愈多,调节精度愈高,输出电阻的误差愈小。对于同一型号的数控电位器也多种规格,例如X9113型数控电位器就有4种规格：X9313Z〔总电阻值R=1kΩ,X9313W〔10kΩ,X9313U〔50kΩ,X9313T〔100kΩ。〔2按照数控电位器的滑动端个数来分类普通单路数控电位器〔含多路数控电位器中的某一路只有一个滑动端,极少数产品有两个滑动端。例如,由Xicor公司开发的X9455型双路双滑动端数控电位器,内部包含两个独立的数控电位器,而每个数控电位器有两个滑动端。〔3按照总电阻值分类数控电位器的总电阻值主要有1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ、200kΩ、1MΩ等。〔4按照芯片内部所包含数控电位器的个数来分类主要有单路、双路、四路和六路数控电位器。〔5按照电阻值的变化特性来分类分为：①直线型电位器〔X。这种电位器适合构成线性调节电路,例如可编程增益放大器、分压器等。②对数型电位器〔D。广泛用于音量控制中。③指数型电位器〔Z。图电阻变化率与滑动端它们的电阻变化率与滑动端位置变化率的关位置变化率的三种关系曲线系曲线如图1.2.2数控电位器以直线型居多,也有对数型和指数型。通过其他手段可以实现线性数控电位器、对数或指数数控电位器的互相转换。例如：通过软件控制滑动端位置的跳变,可以将线性数控电位器实现指数或对数规律的变化；只要改变对数型数控电位器的接线方式并对位置数据取补码,也可将对数型数控电位器改作指数型电位器使用。〔6按照片内是否包含非易失性存储器来分类①非易失性数控电位器；掉电后滑动端位置可自动保存。②易失性数控电位器；掉电后滑动端位置不能保存。③一次性可编程数控电位器；滑动端位置一旦设定好了,就不可再更改。〔7按照数控电位器的接口来分类目前国外生产的数控电位器主要有以下8种接口电路：①按键式接口；②单线接口；③I2C总线接口；④三线加/减式串行接口；⑤二线加/减式串行接口；⑥SPI；⑦Microwire总线接口；⑧二线并行接口。其中,①～⑦为串行接口,⑧〔8按照电源电压来分类①低压数控电位器。普通数控电位器大多采用低压单电源供电,电源电压范围一般为+2.7～+5.5V,典型值可选+3.3V或+5V。但也有的数控电位器采用双电源供电。②高压数控电位器采用+30V单电源或±15V双电源供电。例如,MAX5436～MAX5439均属于高压数控电位器。〔9按照用途及扩展功能分类①光纤数控电位器光纤数控电位器适用于光纤监测及控制领域,其内部带温度传感器或温度传感器接口,典型产品有DS1859〔内置温度传感器、DS1857〔带温度传感器接口。②特种数控电位器某些数控电位器带基准电压源及温度补偿电路。X4023X型数控电位器增加了上电复位、手动复位、三路电压监测等功能,该数控电位器内部还包含2KB的E2PROM,可用来存储产品的序列号〔ID号及自定义数据。③带缓冲器或放大器的数控电位器X9438、DS1667型数控电位器内部包含缓冲器。在MAX5437/MAX5439型数控电位器中,均带一个高电源电压的通用放大器。④带过零检测器的数控电位器典型产品有DS1802。在滑动端位置发生变化的瞬间,利用过零检测功能可消除音频干扰,这对于高保真音响十分重要。⑤适合构成可编程增益放大器〔PGA的数控电位器典型产品有MAX5431,内部包含用于补偿运放输入偏置电流的匹配电阻,适合作为PGA的精密分压器；可提供1、2、4和8倍的同相增益,增益精确度为0.025%。⑥带其他功能的数控电位器在DS1854、DS1857和DS1858型数控电位器内部,还包含12位ADC、智能温度传感器、温度补偿电阻和256BE2PROM,其功能更加完善,适用于射频功放及光电发射机应答设备。〔10按照封装外形来分类分为直插式和贴片式。图为两种数控电位器的外形比较第二章数控电位器的基本原理及基本应用2.1数控电位器的基本原理数控电位器的数学模型数控电位器〔DCP的数学模型如图2.1.1a、b、c、所示。图2.1.1a图数控电位器的数学模型a数控电位器的拓扑结构b数控电位器的等效电路cSPICE模型图b为数控电位器的等效电路,它等效于由两只可调电阻串联而成、能同步调节的电阻。假定数控电位器的总抽头数为n,所用抽头序号为n1,数控电位器滑动端的比例位置为k,则有关系式〔式中,0≤k≤1。因此,数控电位器的总电阻R就被滑动端划分成两个互补电阻：kR,〔1-kR。二者呈互补关系,具体电阻值取决于由输入代码所确定的滑动端的位置。图2.1.1c对数控电位器集成电路进行计算机仿真的SPICE〔SimulationProgramWithIntegratedCircuitEmphasis,集成电路专用模拟程序模型,图中,R为数控电位器的总电阻,RW为滑动端电阻,CW为滑动端对地电容,CH和CL分别为数控电位器高端、低端对地的电容。通常,R=1kΩ~1MΩ,RW=40~400Ω,CW=3~80pF,CH、CL=7.5~20pF。例如对X9221W型数控电位器而言,R=10kΩ,RW=40Ω,CW=25pF,CH、CL=10pF。通常CW>CH、C综上所述,可归纳出数控电位器有以下特点：数控电位器可等效为三端可编程电阻。互补电阻kR和〔1-kR是输入代码的函数。数控电位器可视为能输出电阻值的一种特殊的数/模转换器。数控电位器的输出电阻可转换成电压或电流输出。数控电位器的两种基本配置模式数控电位器有两种基本配置模式,一种为可调电阻器模式,另一种为分压器模式,分别如图2.1.2a1.配置成可调电阻器将数控电位器配置成可调电阻器时,必须考虑数控电位器的滑动端电阻,图2.1.2aH、L分别为数控电位器的高端、低端,W为滑动端的引出端。设H、L端的总电阻为R,滑动端电阻为RW,W-H端的电阻为RWH,W-L端的电阻为RWL。再假设数控电位器的位数为m,对数控电位器进行编程的十进制代码为Dn,图数控电位器的两种配置模式Dn的范围是0~〔2m-1。计算RWH、RWL的公式如下：〔〔在设置数控电位器时,可用式〔、式〔2.1.3计算电阻值。当代码为00H〔十六进制时,可将滑动端置于低端L,此时RWL=RW。将代码设置为较高值时,会使滑动端向数控电位器的高端H移动。2.配置成分压器将数控电位器配置成分压器时,因抽头后面接的是高阻抗电路,故不必考虑滑动端电阻的影响,此时RWH、RWL分别可用RH、RL代替。图b中,UH、UL分别为H、L两端对地的电压,UW为输出端的对地电压。计算RH、RL的公式如下：〔〔数控电位器的基本工作原理数控电位器属于集成化的三端可变电阻器件,其等效电路图如图2.1.3控电位器作为分压器使用时,其高端、低端、滑动端分别用UH、UL、UW表示；作可调电阻器使用时,分别用RH、RL、RW〔或H、L、W来表示。数控电位器的内部简化电路如图2.1.4数控所示。将n只阻值相同或不同的电阻串联在UH、UL〔亦称作RH、RL端之间,每只电阻的两端分别经过一个由CMOS管或NMOS管构成的模拟开关连在一起,作为数控电位器〔DCP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,从而将串联电阻的一个节点连接到滑动端。数控电位器的原理示意图如图2.1.5所示。假定数控头,步进量为660Ω,滑动端每移动一步,输出电阻值就增加660Ω。考图数控电位器的内部简化电路虑到滑动端无论处于哪一位置,都接着一只模拟开关,该模拟开关的电阻值就是滑动端电阻,也是数控电位器的起始电阻。现假定滑动端电阻为100Ω,当滑动端移动15步时就到达RH端与RL端之间的输出电阻应为100Ω+660Ω×15=10Ω。 图数控电位器的原理示意图数控电位器接口电路的基本工作原理下面分别介绍数控电位器8种接口电路的基本工作原理：基于按键式接口的数控电位器按键式接口的特点是通过两个控制信号〔、进行加、减计数,来手动调节数控电位器的电阻值,因此它不需要配单片机。信号用来控制滑动端向UH端〔高端移动,信号用来控制滑动端向UL〔低端移动。滑动端位置可保存在非易失性存储器〔E2PROM中,使其上电后能自动恢复到原来的位置。按键控制型数控电位器的典型电路如图2.1.6所示。UCC为电源端USS为公共地。为存储使能端,当该端接负脉冲或低电平时,就将计数器内容存储到E²PROM中。按下SB1键时,电阻值增加〔UP,按下SB2键时,电阻值减小〔DOWN。VD为隔离二极管。当突然掉电时,存储在3.3µF电容上的电能可继续为DCP供电,使计数器内容能保存下来。图按键式数控电位器的典型应用基于单线接口的数控电位器单线接口简称单线接口,或"1线〔1-Wire接口"。单线接口采用单根信号线,既传输数据位,又传输同步时钟,而且数据是双向传输的。其输入/输出〔I/O接口为漏极开路输出,需接外部上拉电阻。大多数单线器件不需要额外的供电电源,可直接从单线接口上获得足够的电源电流〔即寄生供电方式。它具有结构简单、节省I/O口线资源、成本低廉便于总线扩展和维护等优点,适用于一个主机〔单片机控制一个或多个从机〔数控电位器。单线接口可广泛用于温度测量、湿度测量、气压测量、风向风速测量等环境监测仪器中,适合构成传输速率为100kbt/s以下的监测系统。对速度要求不敢的测控系统,传输距离可达几十米,在总线上允许挂多个基于单线接口的数控电位器,实现多点测控。单片机依次发出操作指令,各数控电位器即可分别完成RDAC转换。图单线接口器件的硬件电路结构单线接口器件的硬件电路结构如图2.1.7所示,3个引出端分别为单总线〔I/O、电源端〔UDD和地〔GND。器件内部包括产品序列号〔ID、接收电路、发送电路和寄生电源。寄生电源、由二极管〔VD1、VD2和寄生电容〔C组成。采用寄生电源供电时,UDD端需接地,此时VD2截止,器件就从单总线上获取电源。当I/O线为高电平时,VD1导通,除向器件供电外,还把一部分电能存储在C中。当I/O线呈低电平时,VD1单线接口器件内包含64位经过激光修正的只读存储器〔ROM,扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码〔CRC之后,产品序列号占48位。出厂前就作为该器件唯一的产品序号,存入其ROM中。利用具有唯一性的48位产品序号,还可设计成专供大型宾馆客房或军事仓库使用的保密性极佳的电子密码锁。采用单线接口的数控电位器简化框图如图2.1.8所示。器件内部主要包括6部分：单线功能控制器,电位器控制器,多路控制器、模拟开关及电阻阵列,64位ROM序列号,内部寄生电源。单片机通过I/O接口来完成下述任务：选择数控电位器,对数控电位器进行读/写操作,控制数控图单线接口的数控电位器简化框图基于I2C总线接口的数控I2C总线是由荷兰飞利浦Philips公司推出的一种同步串行总线,被广泛应用于仪器仪表、通信设备、工业测控系统及消费类电子产品中。I2I2C总线属于二线串行接口,包括串行时钟〔SCL线和串行数据〔SDA线。基于I2C总线的数控电位器,内部E²PROM可在掉电前存储滑动端的位置。滑动端位置有写入芯片的数据来决定。因为它采用漏极开路〔或集电极开路输出方式,所以SDA线、SCL线端需经过4.7kΩ的上拉电阻接正电源。SDA线和SCL线均为双向I/O口线。总线空闲时皆为高电平。基于I2C总线的数当接收完全部数据后,主机发出停止信号〔P。I2C总线上的接线如图所示图中的SCLKN1、SCLKN2分别代表设备1、设备2的串行时钟,DATA为串行数据。图I²C总线上的接线图多片X9221型数控电位器的级联方法基于I²C总线接口的数控电位器典型产品有XICOR公司生产的X9221。多片X9221型数控电位器〔DCP1～DCPn的级联方法如图所示。由于SDO端采用漏极开路输出方式,因此需要接上拉电阻R1～Rn。基于三线加/减式串行接口的数控电位器三线加/减式串行接口简称三线接口,它属于异步串行接口,通过三根线来传送控制信号,包括片选信号线〔CS、滑动方向控制信号线〔U/D、滑动端控制信号线〔INC,又称计数脉冲输入信号线。采用三线加/减式串行接口的数控电位器简化电路及基本用法分别如图2.1.11a、b所示。Ucc、GND分别接电源和地。UH、UL分别为数控图三线加/减串行接口数控电位器的简化电路及基本用法a内部简化电路b基本用法该数控电位器的内部主要包括以下6部分：①加/减计数器〔亦称"升/降计数器";②E²PROM中；③存储与调用控制电路；④译码器；⑤由MOSFET构成飞模拟开关；⑥电阻网络。该数控电位器经过三线串行接口〔INC、U/D和CS与微处理器相连。其基本工作原理是当CS端接低电平〔即选中该芯片时,INC端每输入一个脉冲,计数器就自动加1,所得到的计数值经过译码后,就接通相应的模拟开关,这相当于滑动端移动一次位置,输出电阻值亦随之改变,当U/D接高电平时滑动端向上移位,使UW～UL之间的电阻值RWL增大；当U/D接低电平时向下移位,RWL减小。基于二线加/减式串行接口的数控电位器二线加/减式串行接口是由三线加/减式串行接口简化而成的,它只有CS、U/D两个端口,没有计数脉冲输入INC端口。必须利用CS、U/D端来实现对数控电位器的控制功能。其内部简化电路如图2.1.12图基于二线加/减控制接口的数控电位器简化电路基于SPI的数控电位器SPI〔SerialPeripheralInterface,串行外围设备接口是由Motorola提出的一种同步串行外围总线接口,它可以使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信。在速度要求不高、低功耗、需保存少量参数的智能仪表及测控系统中得到广泛应用。使用SPI不仅能简化电路设计,还可提高系统的可靠性。SPI通过4根线与主机通信。其中,SCK为串行时钟线,在时钟的上升沿,数据输入有效；MOSI为主机输出、从机输入信号端,MISO为主机输入、从机输出端,CS为从机选择端。单片机作为主机,数控电位器就作为从机。SPI系统的典型结构如图2.1.13图SPI系统的典型结构图2.1.144片AD5282型数控电位器与SPI总线的接口电路数控电位器的生产厂家通常对SPI作了自定义。例如,美国Microchip公司生产的MCP41XXX/42XXX系列数控电位器,是用SCK代表串行时钟端、SI代表串行数据输入端、CS代表片选端的。而ADI公司生产的AD5282则用SCL表示串行时钟端,SDA表示串行数据输入端,用两个地址端AD1、AD0来代替片选端。4片AD5282型数控电位器〔DCP1～DCP4与SPI电路如图2.1.14所示。该系统采用+5V电源,R1、R2分别为SDA、SCK口线的上拉电阻。当AD1、AD0端的逻辑状态分别为00、01、10、11时,总线依次选中DCP1～DCP4基于Microwire总线接口的数控电位器Microwire总线接口是美国国家半导体公司〔NatinalSemiconductorCorp.,NSC提出的一种总线标准接口,简称总线接口。其典型产品有美国Catayst公司生产的CAT521~CAT525。基于Micowire总线的数控电位器简化框图2.1.15所示。CLK为时钟输入端。RDY/BSY为准备/忙碌状态输出端。CS为片选端。DI和DO分别为串行数据的输入端、输出端。PROG为E²PROM的使能端。UREF+、UREF-图基于Microwire总线接口的数控电位器简化框图基于二线并行接口的数控电位器这种接口只有两根并行口线〔D0、D1,所对应的数控电位器典型产品有MAX5430、MAX5431。基于二线并行接口的数控电位器内部框图及简化电路,分别如图2.1.16、2.1.17所示。D1、D0分别为输入数据的高有效位和低有效位。数控电位器内部只有4只串联电阻,其阻值分别为R、R、2R、4R。当D1、D0图基于二线并行接口的图2.1.17基于二线并行接口数控电位器内部框图的数控电位器简化电路2.2数控电位器的基本应用数控电位器的应用领域数控电位器的应用领域如下：·偏压或增益调节；·LCD背光、对比度调节〔通常选用低分辨率的数控电位器,即可满足要求；·汽车类电子产品；·可编程模拟器件〔例如可编程滤波器、可编程延迟电路、可编程阻抗匹配电路、可编程函数波形发生器；·智能仪器仪表〔如自动平衡电桥；·电动机控制；·PC、手机；·个人数字助理〔PersonalDigitalAssistant,PDA；·全球定位系统〔GlobalPositionSystem,GPS；·光纤监测及控制〔例如在光纤模块中对偏置电流和调制电流进行控制；·医疗保健产品；·复印机、打印机等办公设备；·可编程稳压电源及电源校准；·传感器校准及系统微调；·音频、视频产品〔若选用高分辨率的数控电位器,即可获得宽动态响应范围；·工业控制；·电力监控设备；·复费率电能表、智能煤气表、安检及监控产品；·灯光控制；目前,数控电位器已被广泛用于汽车发动机电子线路、导航系统中枢单元、传感器系统和照明控制中,为汽车系统集成提供了简单的解决方案。例如,AD5227和AD5228小型单步加/减式控制数控电位器适合于音量控制。对于汽车导航系统中的平板液晶显示器〔LCD,使用ADI公司开发的AD5258/AD5254/AD5232非易失性数控电位器,可取代机械电位器,自动调节LCD的亮度和对比度。数控电位器的串联、并联1.数控电位器的串联方法利用串联方法可增大数控电位器的阻值范围,串联方法如图所示。将两只数控电位器DCP1、DCP2串联,DCP1的滑动端与其一端互相短接,以DCP2的滑动端作为输出。通过两个滑动端可将DCP1分为R1,R2两部分〔实际上R2=0,将DCP2分为R3,R4两部分。图数控电位器的串联方法a串联后的输入、输出电路b串联后作可变电阻使用在图2.2.1a中,设输入电压为U1,输出电压为U0〔作可变电阻使用的串联电路如图b图所示,总阻值为R1+R2。若DCP1、DCP2原来的抽头数分别为N1、N2,则串联后的总抽头数为〔N1+N2-1,总共可输出〔N1-1N2种电阻值。2.数控电位器的并联方法采用并联法能提高分辨率。若将两只数控电位器作分压器使用按图2.2.2a〔作可变电阻时的并联电路如图b所示,总阻值为R2R3/〔R2+R3。图数控电位器的并联方法a并联后的输入、输出电路b并联后作可变电阻使用3.数控电位器的混联方法将3只数控电位器进行混联使用时,还可将DCP1和DCP3作为粗调使用,DCP2作为微调使用。设DCP1、DCP2、DCP3的抽头数分别为N1、N2、N3,按照图2.2.3a所示进行混联后,可获得〔N1-1N2N3图数控电位器的混联方法a混联后的输入、输出电路b混联后作可变电阻使用<>作可变电阻使用时的混联电路如图b所示,其总阻值为R1+[<R2+R5>//R3]+R6。数控电位器的选择方法数控电位器的型号繁多,性能各有差异。怎样选择合适的数控电位器,是使用人员所关注的一个焦点问题。选择数控电位器的流程图如图所示。选择步骤如下：选择缓冲及驱动能力选择缓冲及驱动能力选择抽头数选择路数选择总电阻值选择电阻值变化特性选择滑动端数选择工作电压选择存储类型易失性存储器非易失性存储器控制方式按键式I²C总线SPI总线E²PROMOTP控制方式控制方式按键式按键式I²C总线I²C总线三线加/减式接口二线加/减式接口Microwire总线图选择数字电位器的流程图1.选择抽头数数控电位器的抽头数主要有16抽头、32抽头、64抽头、128抽头、256抽头、512抽头、1024抽头,有的厂家还生产100抽头的控字电位器〔例如X9C102、X9C103、X9C104和X9C503,实际上它是从128抽头简化而来的。数控电位器的抽头数愈多,分辨率就愈高。2.选择路数数控电位器的路数亦称通道数,它表示芯片内部所包含数控电位器的个数。常见的有单路、双路、四路和六路数控电位器。多路数控电位器适用于立体声音响设备等领域。3.选择总电阻值数控电位器的总电阻值主要有1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ、200kΩ、1MΩ。4.选择电阻值变化特性根据数控电位器电阻值变化特性,可分为线性、对数型和指数型数控电位器。指数型数控电位器有时也称作"伪对数"型。设计可编程放大器时,应选择线型数控电位器。对数型和"伪对数"型数控电位器适用于音量/音响控制。5.选择滑动端数一般情况下可选择单滑动端数控电位器。在设计自动平衡音量控制等电路时,选择双滑动端数控电位器可简化电路设计。6.选择工作电压按照工作电压的高低来划分,有低压数控电位器、高压数控电位器两种。按照电源电压的种类来划分,又有单电源、双电源之分。数控电位器的工作电压主要有+5V、±2.5V、±5V、±15V、+15V、+30V等规格。其中,采用±15V、+30V供电的属于高压数控电位器。7.选择缓冲及驱动能力选用内含输出缓冲器的数控电位器〔例如X9438、CAT5111能实现与后级电路的隔离并可驱动低阻抗负载。8.选择存储类型存储类型大致可分成两种：非易失性数控电位器和易失性数控电位器。一次可编程〔OTP也属于非易失性数控电位器,其特点是滑动端位置一旦设定好之后,就不能再做修改了。9.选择控制方式数控电位器的控制方式分手动、自动两种。手动控制必须配按键开关。实现自动控制的方法很多,可根据实际情况选择单线接口、I2C10.选择特种数控电位器特种数控电位器是专为满足用户的一些特殊需要而设计的。例如,带运算放大器的数控电位器、带电压监控器的数控电位器等。此外,还有专供设计可编程精密分压器的数控电位器〔例如MAX5128、适用于光纤检测与控制的数控电位器〔例如DS1862等。第三章三线加/减式接口的数控电位器原理与应用3.1X931X、X9CXX系列数控电位器X931X、X9CXXX系列是原Xicor〔现已并入Intersil公司生产的数控电位器,其中,X931X系列包含8种型号：X9312,X9313,X9314,X9315,X9316,X9317,X9318,X9319；X9CXXX系列包含4种型号：X9C102,X9C103,X9C104,X9C503。上述产品均可用于直流偏压调整、增益和失调电压调整、可编程稳压器、液晶显示器或激光二极管的偏压电路。X931X、X9CXXX系列的工作原理X931X系列和X9CXXX系列的引脚排列完全相同,均采用DIP-8或SOIC-8封装,引脚排列如图3.1X9316的内部框图如图3.抽头数控电位器。芯片主要包括以下6部分：①5位加/减计数器,经过三线加/减式接口〔INC、U/D图X931X、X9CXXX和CS与单片机相连；②5位E²PROM；③存储与系列的引脚排列图调用控制电路；④32选1译码器；⑤由MOS场效应晶体管构成的32路模拟开关；⑥电阻阵列,由31个电阻单元〔r串联而成,分辨率为〔1/31×100%≈3%。图X9313、X9314/X9315和X9316的内部框图X9312、X9317、X9318和X9319均属于单路100抽头数字电位器,它们的内部框图与图的区别仅仅是采用7位加/减计数器和7位E²PROM。X931X、X9CXXX系列有多种工作模式可供选择,详见表3.1.1。表中的"X"代表任意状态,"↗"代表上升沿,"↘"代表下降沿。时序波形如图3表工作模式的选择工作模式0↘1滑动端向上移位0↘0滑动端向下移位↗1×存储当前滑动端的位置1××待机模式↘0×不存储,退回到待机模式图时序波形图在X931X、X9CXXX系列中,只有X9314属于对数型数控电位器,其衰减特性曲线如图3.1.4所示,X9314适合构成可编程增益功率放大器,因为功率放大器的增益一般用对数〔dB来表示。图X9314的衰减特性曲线X931X、X9CXXX系列的典型应用〔1带缓冲器的基准电压源一种带缓冲器的基准电压调节电路如图3.1.5所示。它是由X931X、X9CXXX系列数控电位器和MC1403构成的。MC1403是美国Motorola公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源,其电压温度系数αT可达10×10-4%/℃,输入电压范围是U1=+4.5～+15V,输出电压为U0=2.500V〔典型值。U0图带缓冲器的基准电压源电路〔2手控调压电路由X9312构成0～+5.00V输出的按键式调压电路如图3.1.6所示。将UH端+5V,UL端接地。从UW端输出0～+5.00V的可调电压。R1、R2均为上拉电阻。若只按动开关S1,输出电压就升高,每按一次S1,电压就升高0.05V,最高到5.00V；若按住S2后不松开〔使U/D端保持低电平,再按动S1时,输出电压就会降低,每按一次S图3.1.60～+5.00V输出的按键式调压电路〔3可编程增益音频功率放大器电路由X9314对数型数控电位器和LM386构成的可编程增益音频功率放大器电路如图3.1.7所示。LM386是美国NSC公司生产的低电源电压音频功率放大器,采用+5V电源供电时,最大输出功率可达250mW。音频信号经过隔直电容C1接X9314的UH端,经过X9314分压后,再通过低通滤波器〔R1、C3滤除高频率噪声,送至LM386的同相输入端。LM386的输出经过输出缓冲网络〔R2、C6和输出耦合电容C7,驱动4图可编程增益音频功率放大器电路〔4基于数控电位器的功率调节电路UH在科学研究和工业生产的许多领域中,人们都需要对各类加热炉的内部温度进行监测和控制。采用单片机来对它们进行监测控制不仅具有控制方便、简单、灵活等优点,而且可以大幅度提高受控对象的技术指针。单片机通常是通过输入信道将温度传感器感受到的被控对象当前温度转变为数字量并输入到单片机内,单片机求出输入的当前温度值与设定值的偏差,并根据该偏差进行PID运算,最后根据PID运算的结果,通过功率调节电路改变给定周期内加热丝的通电时间来实现对温度的控制。功率调节电路调节功率的实质是利用占空比的调节来改变加热丝的平均功率,整个控制系统是一个典型的死循环系统。功率调节电路是控制系统的执行机构,不仅要求输出功率大,还要求能根据需要对输出功率进行精确的调节,是系统中最关键、最昂贵的组成部分,也常常是故障率最高的部分。采用X9312和NE555组成占空比可调的脉冲振荡器,驱动固态继电器实现功率调节的功率调节电路及其单片机控制程序。该电路用于某型标准恒温油槽中作为自动控制系统的执行机构,取得了理想效果。图3.图NE555组成的占空比可调的脉冲振荡器某型标准恒温油槽是根据国家颁布的计量检定规程要求而专门设计制造的,主要用于温度传感器检定,最大加热功率为4000W,工作温度可在0～300间根据需要设定,达到设定温度并稳定后,要求15分钟内温度波动小于±0.01℃,在对该型恒温油槽进行改进时,采用了基于数控电位器X9312的功率调节电路作为控制系统的执行机构。由于该标准恒温油槽对温度波动的要求很高,因此要求功率调节电路能进行非常精细的功率调节。而数控电位器由于生产工艺等因素的限制,目前其抽头数最大一般为256,图3.1.8电路中的X9312的抽头数仅为100,也就是说图3.1.8电路只能按加热丝最大功率的百分之一的分辨力进行功率调节,其功率调节精度难以满足恒温油槽的要求。为此,在图3.1.8电路的基础上增加了微调数控电位器,使功率调节分辨能力达到加热丝最大功率的万分之一,图3图中数控电位器U2、U4是粗调电位器,两者同步调节,选用X9312TP,阻值为100,抽头数为100,每一档阻值约为1KΩ。U3是微调电位器,选用X9312ZP,阻值为1KΩ,抽头数为100,每一档阻值约为10Ω。微调电位器将粗调电位器的每一档又分为100档,因此分辨能力为最大加热功率的万分之一。固态继电器选用30A/220V交流过零型。R1、R2决定占空比的最大值和最小值,应尽可能的小,以增大功率调节范围,但受数控电位器滑动端所能承受最大电流的限制,应根需要综合考虑。X9312滑动端所能承受的最大电流为±1mA,选择图中阻值时,实测X9312滑动端电流约为0.1mA,必要时R1、R2可进一步减小,但已满足了恒温油槽功率调节范围的需要,为保证数控电位器的安全工作,R1、R2没有选择更小的阻值。电容C应选择漏电小的钽电解电容,其容量决定固态继电器的开关周期。图带微调数控电位器的调功器电路单片机对功率调节电路进行调节的程序框图如图3.程序中,位寻址单元SIGN1为PID运算所决定的功率调整方向,SIGN1为1时,减小功率；为0时,增大功率。单片机的58H、59H单元为调整量寄存器,存放PID运算结果,决定调整量的大小,功率调节子程序执行完时,该寄存器应为全0。内存的W0P、W1P单元记录微调、粗调电位器当前所处的位置,当W0、W1均位于最高〔低端时,说明加热功率为最大〔小,此时已无法继续增大〔减小功率,因此不作调整。图功率调节器调节程序框图〔5由数控电位器构成的音量控制电路通常情况下,由于音响设备中的功率放大级与前面板之间有一定距离,因此前面板上的音量调节电位器需要通过屏蔽线接功率放大器的输出端。更好的解决方案是选用X9314W对数型数字电位器,即可省去屏蔽线。因为数控电位器可放置在电路板上靠近功率放大器低电平输入级,而增、减音量的按键开关放在前面板上,按下键时只产生低速TTL电平信号,用普通导线即可传输控制信号。由对数型数控电位器X9314W构成的音量控制电路如图所示,它采用+5V单电源供电,额定输出功率为250mW。图中共使用4片集成电路：X9314W〔IC1是基于三线加/减式串行接口的对数型32抽头10kΩ对数型数控电位器；74HC132〔IC2,IC2A～IC2C为带施密特触发器的2输入端四与非门,现仅用其中三个与非门；LM386〔IC3为低电源电压音频功率放大器；LM78L05〔IC4为三端稳压器,给250mW的音频功放提供+5V直流电源。图由对数型数控电位器X9314W构成的音量控制电路当按下S1或S2中任何一个键时,IC2A的输出变成高电平,IC2B立即输出低电平,使片选端CS=0,允许对X9314W进行操作。经过一段时间后〔延迟时间由R3和C3决定,多谐振荡器IC2C就开始输出脉冲信号,送至X9314W的INC端,使滑动端位置发生改变。多谐振荡器的振荡频率就决定了音量的调节速度,频率值由R1和C1确定。按照图来选取元件值,在5s内X9314W的滑动端位置即可移动32步。当抬起按键后,经过R2、C2延时后,才释放X9314W的片选信号,以保证最后一个加、减脉冲也能有效地写入X9314W的存储器中。音频输入信号经过C9隔断直流分量,接X9314W的高端UH,经过数字电位器衰减后,从滑动端〔Uw输出,再通过由R7、C8构成的低通滤波器,滤除高频分量后送至LM386,最后驱动扬声器BL发声,扬声器的阻抗为4Ω。LM386为低电源电压的音频功率放大器〔IC3。LM386功率放大器的增益固定为26dB。若在其第1脚与第8脚之间接一个10μF电容〔电容的正极接第1脚,则增益可提高到46dB。功率放大器的输出信号经过耦合电容C4,驱动4Ω阻抗的扬声器发声。由R7和C8组成低通滤波器,可滤除高频噪声。为提高稳定性,在输出级还增加了由R6和C5构成的缓冲网络,缓冲网络应靠近LM386的输出端。还要注意印制板〔PCB上连接功率放大器的引线要尽量短。若选择LM380型音频功率放大器并采用+12V电源,则输出功率可提高到1W,能满足汽车音响设备的需要。X9314W的衰减特性曲线如图所示,衰减量与滑动端位置呈对数关系。沿不同方向移动滑动端位置所得到的电阻特性曲线分别如图中的A、B所示,A为对数曲线,B为指数曲线。X9314W的上述特性为设计音响控制电路提供了便利的条件。图X9314W的衰减特性曲线图X9314W的电阻特性曲线〔5X9312与89C2051单片机的接口电路AT89C2051是美国ATMEL公司生产的一种低电压、低成本、高性能8位单片机,片内包括2KB的Flash程序存储器和128B的随机存取数据存储器〔RAM,能与MCS-51系统兼容,X9312型数控电位器与AT89C2051单片机的接口电路如图3.1.14所示。X9312的CS、U/D、INC控制端分别接AT89C2051的P1.5、P1.6、P1.7口线。由R1、C1构成上电复位电路,C2图X9312与AT89C2051单片机的接口电路3.2CAT51XX系列数控电位器的工作原理CAT51XX系列是美国触媒半导体公司〔简称Catalyst公司生产的数控电位器,该系列产品包括CAT5110～CAT5122、CAT5132和CAT5133,共15种型号,它们适用于自动校准、远程控制调节、偏移、增益和零点控制、对比度、亮度和音量控制,电机控制和反馈系统、可编程模拟功能等领域。CAT51XX系列产品的分类CAT51XX系列产品包含15种型号,每种型号又有不同规格,大致有以下6种分类方法：〔1按抽头数分类①16抽头数控电位器：CAT5120,CAT5121,CAT5122。②32抽头数控电位器：CAT5110,CAT5112,CAT5114,CAT5115,CAT5118,CAT5119。③100抽头数控电位器：CAT5111,CAT5113,CAT5116,CAT5117。④128抽头数控电位器：CAT5132,CAT5133。〔2按存储器类型分类①非易失性数控电位器：CAT5111,CAT5112,CAT5113,CAT5114,CAT5116,CAT5117,CAT5118,CAT5119,CAT5132,CAT5133。②易失性数控电位器：CAT5110,CAT5115,CAT5120,CAT5121,CAT5122。〔3按滑动端是否有缓冲器来分类①滑动端有缓冲器的数控电位器：CAT5111,CAT5112,CAT5117,CAT5118,CAT5119。②滑动端无缓冲器的数控电位器：CAT5110,CAT5113,CAT5114,CAT5115,CAT5116,CAT5120,CAT5121,CAT5122,CAT5132,CAT5133。〔4按电阻值分类有1KΩ、10KΩ、50KΩ、100KΩ共4种规格。〔5按电阻值的变化特性分类①线性电位器：CAT5110～CAT5115,CAT5118～CAT5122,CAT5132,CAT5133。CAT51XX系列产品的工作原理下面以三种典型产品为例,介绍其工作原理〔1CAT5113型数控电位器的工作原理CAT5113为基于三线加/减式接口。滑动端无缓冲器的非易失性100抽头数控电位器。CAT5113有4种封装形式,采用DIP-8、TSSOP-8、SOIC-8、MSOP-8封装的引脚排列分别如图3.2.1a、b、c、d所示。数控电位器的高端、滑动端、低端分别用RH、Rw。和RLabcd图CAT5113的引脚排列图aDIP-8封装bTSSOP-8封装cSOIC-8封装dMSOP-8封装CAT5113的简化内部框图如图所示。芯片中主要包括控制器和存储器。上电复位电路和电阻阵列〔图中用一只电位器表示。需要说明几点：第一,CAT5113的内部电路包含7位加/减计数器、7位存储与调用控制电路、100选1译码器、100路模拟开关及电阻阵列。CAT5113的分辨率为〔1/99×100%=1.01%；第二,采用7位加/减计数器、7位存储器原本可构成具有128个抽头的数控电位器,但因CAT5113将计数上限和存储上限都限定为100,并配以相应的译码器、模拟开关和电阻阵列,故实际只有100个抽头；第三,考虑到分布电容的影响后,数控电位器的等效电路如图所示,图中的CH、Cw、和CL分别表示高端、滑动端和低端的对地电容,它们的典型值均为8pF。R为总电阻,电阻值可为1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ。RW为滑动端电阻,最大值为400Ω。图CAT5113的简化内部框图数控电位器的等效电路〔2CAT5112型数控电位器的工作原理CAT5112与CAT5113区别是增加了滑动端缓冲器,并将数控电位器的抽头数减至32个。CAT5112的引脚排列与CAT5113相同,内部简化框图如图所示。图中的A表示滑动端缓冲器。增加缓冲器不仅能实现数控电位器与外部电路的隔离,还能降低输出电阻,提高带负载的能力。CAT5112的输出电阻为1Ω,最大输出电流为3mA。图CAT5112的简化内部框图〔3CAT5116型数控电位器的工作原理CAT5116与CAT5113同属基于三线加/减式接口的100抽头数字电位器,二者的主要区别是CAT5113为线性数控电位器,而CAT5116为对数型数控电位器。CAT5116的滑动端位置与电阻变化率的关系曲线如图3.2.5a所示,图中的两条曲线分别反映了RH-Rw端、RL-Rw端之间的电阻变化规律。其中,RL-Rw为对数曲线,RH-Rw为反对数曲线,这表明对数型数控电位器也可作为指数型数控电位器使用。若用对数坐标来表示,电阻变化就呈线性关系,图3.2.5b示出了RL-Rw图CAT5113的电阻变化曲线a>滑动端位置与电阻变化率的关系曲线b>用对数坐标表示的电阻变化曲线CAT51XX的典型应用〔1双向可编程增益放大器的电路设计双向可编程增益放大器的特点是当输入电压的极性改变时,增益也随之改变,它在正、负两个方向可具有不同的可变增益G1、G2。由数控电位器和反相放大器构成双向可编程增益放大器的电路如图所示。在设定好数控电位器的滑动端位置之后,它有两个增益值；G1是对正极性输入电压的增益,G2是对负极性输入电压的增益。VD1、VD2位于闭环电路中,因此并不影响增益值。VD1、VD2应采用低压降的肖特基二极管。图双向可编程增益放大器的电路设输入电压为U1,两路输出电压分别为UO1、UO2,反相放大器的输入电阻为R1。当U1>0时,反相放大器输出为负,此时VD1导通,VD2截止,输出电压为UO1。反之,当U1<0时,反相放大器输出为正,此时VD2导通,VD1截止,输出电压为UO2。计算G1、G2的公式分别为当U1>0时<>当U1<0时<>式中,k代表数控电位器滑动端的相对位置,其允许范围是0≤k≤1。R为数控电位器的总电阻。采用单电源供电并且R=10kΩ、R1=1kΩ时,G1、G2的绝对值可在0～10倍的范围内独立编程,但二者是互相关联的,并且呈互补特性。当改变k时,G1、G2会同时变化。该电路的输出电压与输入电压的关系曲线如图所示,|G1|、|G2|均表示增益的绝对值。图输出电压与输入电压的关系曲线如果需要设计成能够独立调节的双向可编程增益放大器,可采用如图所示的电路。该电路使用了两个数控电位器DCP1、DCP2,可分别对正、负极性的输入电压提供独立的增益值,因此在调节滑动端位置时G1、G2互不影响。图能够独立调节的双向可编程增益放大器〔2可编程矩形波振荡器由CAT51XX系列数控电位器和555定时器构成的频率和占空比可编程的矩形波振荡器电路如图所示。R表示数字电位器的总电阻。数控电位器滑动端的比例位置可用k表示,它等于代表滑动端位置与总抽头数之比,并且0≤k≤1〔对于32抽头数控电位器而言,k=0、1/32、…31/32。因此R被滑动端划分为两部分,一部分为滑动端到低端的阻值kR,另一部分为滑动端到高端的阻值〔1-kR、R1、R2为固定电阻。令RA=R1+kR,RB=R2+〔1-kR。555定时器在这里作单稳态触发器使用。通电后+5V电源经过RA、RB给C1充电,使UC升高；当UC1超过阀值电压时就通过RB和第7脚内部的放电管对地放电。这样周而复始地进行下去,就形成了振荡。振荡频率和占空比的计算公式为〔〔3.2.4图3.2.9频率及占空比可编程的矩形波振荡器电路仅当D=50%时,输出才为方波。R1、R2的作用是控制频率和占空比的调节范围。R1和R2相对于R的电阻值愈大,调节范围愈窄；当R1=R2=0时,调节范围最宽。需要指出的是,数控电位器的调节分辨率与调节范围成反比,调节范围愈宽,调节分辨率愈低。反之亦然。由于因此当R1=R2=0时,RA+RB=R,RA+2RB=2R-kR,式〔和式〔3.2.6可分别化简为〔〔〔3可编程稳压器可编程稳压器亦称可编程电压调节器。由CAT5114和LP2952构成的可编程稳压器电路如图所示。LP2952是美国NSC公司生产的可调式微功耗低压差线性稳压器,其输出电压范围是1.235~29V,最大输出电流为250mA〔此时输入-输出压差为600mV。只要输入电压比输出电压高出1V,即可正常工作。R3采用一片CAT5114型数控电位器来调节输出电压U0,CAT5114通过三线加/减式接口与单片机相连。U0的计算公式为〔图3.2.10可编程稳压器电路假定U1=+20V,不难算出当R3=10kΩ时,U0=+2.5V；当R3=0Ω时,U0=+17.8V。因此,该可编程稳压器的输出电压调节范围是+2.5~+17.8V。适当减小R2值,还可进一步增加输出电压的调节范围。〔4可编程白光LED亮度控制电路的设计由CAT5114型数控电位器和CAT32型LED驱动器构成的可编程白光LED亮度控制电路,如图所示。数控电位器作可调电阻使用,从滑动端〔W到低端〔L之间的电阻RWL与外部设定电阻RSET相串联,用于调节白光LED的亮度。CAT5114的总电阻为50kΩ,滑动端位置受单片机控制。由来决定滑动端位置的增加或减小,每输入一个脉冲,滑动端位置就加1或减1。端用于选择器件并将滑动端位置存储在非易失性存储器中。图可编程LED亮度控制电路CAT32是采用CMOS工艺制成的LED驱动器。它属于高效率DC/DC升压器转换器,工作频率为1.2MHz,电源效率超过80%。其输出电流调节范围是0～40mA,可驱动多个串联的白光发光二极管〔LED。CAT32有3种控制方式,采用直流电压、逻辑信号或脉宽调制〔PWM信号均可控制LED的亮度。现采用PWM控制方式,通过调整外部设定电阻RSET来改变脉冲宽度,即可实现亮度控制。为掉电控制端,正常情况下应接高电平,若接低电平,器件就进入掉电模式,其静态电流小于1µA。CAT32还具有过电流保护、负载开路故障检测等功能。流过LED的电流可用下式计算：<>式中,ILED的单位是mA。对于大多数白光LED而言,可选ILED<max>=15～20mA。RSET用于决定ILED的最大值ILED<max>,当=1.1k时,ILED<max>=20mA。RSET的电阻值与ILED的对应关系见表表RSET的电阻值与ILED的对应关系RSET/Ω5627509091.13k1.50k2.26k4