有關數字電位器幾個應用問題的探討

摘 要: 介紹按鈕式數字電位器的防抖動和重復動作問題的一種解決方法，以及對數字電位器電壓、電流、級數擴展問題的常見解決方法。

1 引言

數字電位器以其調節準確方便，使用壽命長，受物理環境影響小，性能穩定等特點，已被廣大電子工程技術人員所認識。在數字電位器的家族中，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人員對X9511/14在按鈕控制過程中所出現的防抖動、和重復動作問題以及數字電位器通常遇到的問題作一簡要探討。

2 數字電位器簡介

數字電位器是可用數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字電位器X9511為例簡略介紹一下其原理。X9511是數字電位器家族中的一種具有按鈕控制，線性輸出特點的產品，內部包含了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 數字電位器在應用中經常遇到的問題

數字電位器在我國還是近幾年出現的新型器件，許多人在實際應用中對其不夠了解，從而出現許多疑問，下面就經常出現的三個問題略作探討。

按鈕控制的數字電位器常出現按鈕按下次數及輸出值與預測值不符。 數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 按鈕控制數字電位器的防抖動和重復觸發問題

上面的第一個問題所說按鈕控制電位器的按鍵次數及輸出值與預測不符，通常是其中某一檔出現了重復觸發動作，自然其按鍵次數和輸出電位就會與預測值不符。出現這種現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范引起。 美國XICOR公司提供的按鈕式數字電位器的應用電路，直接用按鈕來控制，就會有可能出現這些問題。X9511/14在其內部集成 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，在數字電位器的控制端加上觸發器，如圖2所示，試驗結果使輸出穩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，最終表現在輸入信號干凈無波動，否則不能避免重復觸發。經過多次改進，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 加防抖觸發器

圖3中按鈕K未動作時，控制端一定為穩定的高電平，一旦按鈕按下，A點電位經電容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，經過一個暫態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。在暫態期間，E點低電平被鎖定，即使電路在A點產生較強的電平抖動，也不會對輸出有任何影響。由于電路在暫態時間內對噪聲具有的屏蔽作用，而控制端低電平時

圖3 加防抖單穩態電路

間超過250ms，X9511/14的輸出將會有連續跳變。因此可以將R2值調整到使暫態時間控制在X9511不重復動作時間盡量長些的范圍內（例如暫態時間可以在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。缺點是會使開發周期加長。

3.2 數字電位器端點電流、電壓的擴展

目前所有的數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 利用數字電位器的級聯擴展分辨率和阻值范圍

（1）數字電位器的串聯級聯如圖6（a），將電位器W1、W2串聯，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抽頭數分別為P1、P2，則串聯后的抽頭數為P1+P2－1。此時控制按鈕數目也相應增加，同時阻值范圍相應增大。

（2）數字電位器的并聯級聯用并聯級聯可以更大范圍地將分辨率提高，若有兩只數字電位器并聯級聯如圖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 串聯級聯

圖７ 并聯級聯

為微調使用。設W1抽頭數為P1，W2抽頭數為P2，如圖7級聯后其調整級數為（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。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

出。注意在并聯級聯過程中電位器所承受的電流電壓必須控制在允許范圍內，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，數字電位器并不限于X9511/14。在控制運算過程中，若W1抽頭數為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。了解了數字電位器的使用特性后，會發現數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字電位器基本使用技巧的了解