有關數(shù)字電位器幾個應用問題的探討
摘 要: 介紹按鈕式數(shù)字電位器的防抖動和重復動作問題的一種解決方法,，以及對數(shù)字電位器電壓、電流,、級數(shù)擴展問題的常見解決方法,。
1 引言
數(shù)字電位器以其調節(jié)準確方便，使用壽命長,，受物理環(huán)境影響小,，性能穩(wěn)定等特點，已被廣大電子工程技術人員所認識,。在數(shù)字電位器的家族中,，X9511/14以其可用按鈕直接控制的特點尤其受到青睞，本文欲針對應用開發(fā)人員對X9511/14在按鈕控制過程中所出現(xiàn)的防抖動,、和重復動作問題以及數(shù)字電位器通常遇到的問題作一簡要探討,。
2 數(shù)字電位器簡介
數(shù)字電位器是可用數(shù)字信號控制電位器滑動端位置的新型器件。一般分按鈕控制和串行信號控制兩種,，下面以美國XICOR公司非易失性按鈕控制數(shù)字電位器X9511為例簡略介紹一下其原理,。X9511是數(shù)字電位器家族中的一種具有按鈕控制，線性輸出特點的產(chǎn)品,，內(nèi)部包含了31個電阻單元,，32檔輸出滑動端，滑動端由輸入到 ,、引腳的負脈沖控制它向VH或VL端滑動,。滑動端位置可以被存儲在非易失性的存儲器EEPROM中,，使其上電后能夠自動恢復到原來的位置,。X9511的管腳見表1,，基本應用如圖1（圖中為X9511/14掉電自動存儲滑動端位置的接法）,。
圖1 X9511基本應用
3 數(shù)字電位器在應用中經(jīng)常遇到的問題
數(shù)字電位器在我國還是近幾年出現(xiàn)的新型器件,，許多人在實際應用中對其不夠了解，從而出現(xiàn)許多疑問,，下面就經(jīng)常出現(xiàn)的三個問題略作探討,。
按鈕控制的數(shù)字電位器常出現(xiàn)按鈕按下次數(shù)及輸出值與預測值不符。 數(shù)字電位器本身能夠承受的電流和電壓有限,，需要擴展,。
在實際應用中數(shù)字電位器的阻值范圍及分辨率不夠，需要擴展,。
3.1 按鈕控制數(shù)字電位器的防抖動和重復觸發(fā)問題
上面的第一個問題所說按鈕控制電位器的按鍵次數(shù)及輸出值與預測不符,，通常是其中某一檔出現(xiàn)了重復觸發(fā)動作，自然其按鍵次數(shù)和輸出電位就會與預測值不符,。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因常是用了面包板做試驗,，或是使用了劣質按鈕，造成接觸不良,，線路噪聲加劇,，或是人為按鈕動作不規(guī)范引起。 美國XICOR公司提供的按鈕式數(shù)字電位器的應用電路,，直接用按鈕來控制,，就會有可能出現(xiàn)這些問題。X9511/14在其內(nèi)部集成 了40ms延時的去抖動電路,，要求輸入控制信號抖動時間短,，信號有效時間在40ms～250ms之間，且在此期間不能出現(xiàn)干擾電平,。但是由于實際應用情況不可預測,，無法避免輸入信號的抖動而造成輸出的重復動作（按鈕時間超過250ms也會造成輸出的重復動作），而這卻是許多人所不愿看到的,。為了控制輸入信號的抖動和噪聲影響,，在數(shù)字電位器的控制端加上觸發(fā)器，如圖2所示,，試驗結果使輸出穩(wěn)定性有了較為明顯的提高,，但仍要求按鈕動作干脆利落，且線路無干擾,，最終表現(xiàn)在輸入信號干凈無波動,，否則不能避免重復觸發(fā)。經(jīng)過多次改進,，圖3電路則較好地決了以上問題,。在按鈕與控制輸入端之間，加上如圖3所示由一片與非門電路構成的單穩(wěn)電路，具有成本低,，電路簡單,，可防止抖動，并不會使輸出重復動作的特點,。
圖2 加防抖觸發(fā)器
圖3中按鈕K未動作時,，控制端一定為穩(wěn)定的高電平，一旦按鈕按下,，A點電位經(jīng)電容C1通過電阻R1放電,，到74HC00的輸入低電平門限值，B點即為邏輯高,，同時通過F點控制E點電平（D點原為高電平）翻轉為低,，啟動X9511動作，此時由于電容C2電位不會立即變化,，使D點保持原高電平不變,，電容C2通過R2放電，經(jīng)過一個暫態(tài)時間后到達門電路低電平門限值,，使E點恢復高電平,。之后無論按鈕是否保持按下（使D點保持低），還是放開（F點為低）,，E點都將保持高電平狀態(tài),。在暫態(tài)期間，E點低電平被鎖定,，即使電路在A點產(chǎn)生較強的電平抖動,，也不會對輸出有任何影響。由于電路在暫態(tài)時間內(nèi)對噪聲具有的屏蔽作用,，而控制端低電平時
圖3 加防抖單穩(wěn)態(tài)電路
間超過250ms,，X9511/14的輸出將會有連續(xù)跳變。因此可以將R2值調整到使暫態(tài)時間控制在X9511不重復動作時間盡量長些的范圍內(nèi)（例如暫態(tài)時間可以在150ms～220ms之間）,，以屏蔽掉此期間可能有的噪聲干擾,。R2、C2的值可按暫態(tài)時間T的公式得到,。T=(R2+R0)·C2·Ln[(Vol－Voh) / (Vol－Vth)]式中R0為74HC00的輸出電阻,；Vol為74HC00的低電平輸出電壓；Voh為74HC00的高電平輸出電壓,；Vth為74HC00的高電平翻轉門限電壓,。此電路經(jīng)反復驗證效果良好，X9511之前控制線長可達200米,。實際上此時的數(shù)字電位器可以是接口控制的其他型號,，而不限制為按鈕控制的X9511/14了,。（R2電阻值可以調整到該型號器件輸入脈寬允許時間）另一個可靠的解決辦法是采用廉價的微處理器，如GMS97C1051來作為數(shù)字電位器的控制,，按鈕信號送到MCU,，利用軟件去抖，同時還可用LED顯示控制動作,，并能完成較復雜的多路混合控制。缺點是會使開發(fā)周期加長,。
3.2 數(shù)字電位器端點電流,、電壓的擴展
目前所有的數(shù)字電位器的端點能夠承受的電流都不會很大，只有1～3mA,。能承受的電壓也不高,，－5V～+5V，或是0～15V之間,。圖4,、圖5是XICOR公司提供的兩種擴展方案，適用于各種型號的數(shù)字電位器,。
圖4 輸出端電流擴大的一個例子
圖5 輸出端電壓增大的一個例子
3.3 利用數(shù)字電位器的級聯(lián)擴展分辨率和阻值范圍
（1）數(shù)字電位器的串聯(lián)級聯(lián)如圖6（a）,，將電位器W1、W2串聯(lián),，W1滑動端與其一端短接,，W2的滑動端作為輸出。W1的滑動端將其分為兩部分,，設為R1,，R2，而W2的滑動端將W2分為R3,，R4兩個部分,。設輸入電壓信號Ui,輸出為Uo，則：作為可變電阻器時,，如圖6（b）,，阻值為：R0=R1+R3若原W1、W2抽頭數(shù)分別為P1,、P2,，則串聯(lián)后的抽頭數(shù)為P1+P2－1。此時控制按鈕數(shù)目也相應增加,，同時阻值范圍相應增大,。
（2）數(shù)字電位器的并聯(lián)級聯(lián)用并聯(lián)級聯(lián)可以更大范圍地將分辨率提高，若有兩只數(shù)字電位器并聯(lián)級聯(lián)如圖７（a）,，則其輸出為：
作可變電阻時,如圖７（b）,，阻值為：R0 = （R2·R3）/（R2 + R3）在實際應用中,，可將W1作為粗調，W2作
圖6 串聯(lián)級聯(lián)
圖７ 并聯(lián)級聯(lián)
為微調使用,。設W1抽頭數(shù)為P1,，W2抽頭數(shù)為P2，如圖7級聯(lián)后其調整級數(shù)為（P1－１）·P2,。將三個X9511電位器如圖8串并連接時,，將有31744個不同的輸出。對于其他數(shù)字電位器,，有（P1－1）·P2·P3個不同的輸出,，其中P1，P2,，P3分別為W1,，W2，W3的抽頭數(shù),。圖8（a）輸出為：作可變電阻如圖8（b）接法其阻值為：R0 = R1 +（R2 + R5）// R3 + R6 此種情況更適于配合微處理器做運算后控制輸
圖８ 串并級聯(lián)
出,。注意在并聯(lián)級聯(lián)過程中電位器所承受的電流電壓必須控制在允許范圍內(nèi)，同時要注意此時的輸出已不呈線性,。對以上算式的補充說明：在微處理器接口控制應用中,，數(shù)字電位器并不限于X9511/14。在控制運算過程中,，若W1抽頭數(shù)為P1,，可設調整步為N1，（N1∈[0,，P1－１]）,，例如X9511的P1為3２，N1∈[0,，31],，則： R1=W1·[N1/（P1－1）]R2=W1·[（P1－N1－1）/（P1－1）]計算出調整變量N１可控制輸出變量和阻值，在此不作詳述,。了解了數(shù)字電位器的使用特性后,，會發(fā)現(xiàn)數(shù)字電位器在一些電路中會有許多新奇的應用，而靈活運用的基礎就是對數(shù)字電位器基本使用技巧的了解
