有關(guān)數(shù)字電位器幾個應(yīng)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(fù)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(diào)節(jié)準(zhǔn)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(shù)人員所認(rèn)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(yīng)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(fù)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(fù)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(fù)到原來的位置。X9511的管腳見表1，基本應(yīng)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(yīng)用
3 數(shù)字電位器在應(yīng)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(yīng)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(yù)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(yīng)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(fù)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(yù)測不符，通常是其中某一檔出現(xiàn)了重復(fù)觸發(fā)動作，自然其按鍵次數(shù)和輸出電位就會與預(yù)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(zhì)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(yīng)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(yīng)用情況不可預(yù)測，無法避免輸入信號的抖動而造成輸出的重復(fù)動作（按鈕時間超過250ms也會造成輸出的重復(fù)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(jié)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(fù)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(gòu)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(fù)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(zhuǎn)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(dá)門電路低電平門限值，使E點恢復(fù)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(diào)整到使暫態(tài)時間控制在X9511不重復(fù)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(zhuǎn)門限電壓。此電路經(jīng)反復(fù)驗證效果良好，X9511之前控制線長可達(dá)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(diào)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(fù)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(shè)為R1，R2，而W2的滑動端將W2分為R3，R4兩個部分。設(shè)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(yīng)增加，同時阻值范圍相應(yīng)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(yīng)用中，可將W1作為粗調(diào)，W2作
圖6 串聯(lián)級聯(lián)
圖７ 并聯(lián)級聯(lián)
為微調(diào)使用。設(shè)W1抽頭數(shù)為P1，W2抽頭數(shù)為P2，如圖7級聯(lián)后其調(diào)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(yīng)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(shè)調(diào)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(diào)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(yīng)用，而靈活運用的基礎(chǔ)就是對數(shù)字電位器基本使用技巧的了解
