有关数字电位器几个应用问题的探讨

发布时间:2009年02月07


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X9511   
摘 要: 介绍按钮式数字电位器的防抖动和重复动作问题的一种解决方法,以及对数字电位器电压、电流、级数扩展问题的常见解决方法。

1 引言

数字电位器以其调节准确方便,使用寿命长,受物理环境影响小,性能稳定等特点,已被广大电子工程技术人员所认识。在数字电位器的家族中,X9511/14以其可用按钮直接控制的特点尤其受到青睐,本文欲针对应用开发人员对X9511/14在按钮控制过程中所出现的防抖动、和重复动作问题以及数字电位器通常遇到的问题作一简要探讨。

2 数字电位器简介

数字电位器是可用数字信号控制电位器滑动端位置的新型器件。一般分按钮控制和串行信号控制两种,下面以美国XICOR公司非易失性按钮控制数字电位器X9511为例简略介绍一下其原理。
X9511是数字电位器家族中的一种具有按钮控制,线性输出特点的产品,内部包含了31个电阻单元,32档输出滑动端,滑动端由输入到 、引脚的负脉冲控制它向VH或VL端滑动。滑动端位置可以被存储在非易失性的存储器EEPROM中,使其上电后能够自动恢复到原来的位置。X9511的管脚见表1,基本应用如图1(图中为X9511/14掉电自动存储滑动端位置的接法)。



图1 X9511基本应用


 
3 数字电位器在应用中经常遇到的问题

数字电位器在我国还是近几年出现的新型器件,许多人在实际应用中对其不够了解,从而出现许多疑问,下面就经常出现的三个问题略作探讨。

按钮控制的数字电位器常出现按钮按下次数及输出值与预测值不符。 数字电位器本身能够承受的电流和电压有限,需要扩展。

在实际应用中数字电位器的阻值范围及分辨率不够,需要扩展。

3.1 按钮控制数字电位器的防抖动和重复触发问题

上面的第一个问题所说按钮控制电位器的按键次数及输出值与预测不符,通常是其中某一档出现了重复触发动作,自然其按键次数和输出电位就会与预测值不符。出现这种现象的原因常是用了面包板做试验,或是使用了劣质按钮,造成接触不良,线路噪声加剧,或是人为按钮动作不规范引起。
美国XICOR公司提供的按钮式数字电位器的应用电路,直接用按钮来控制,就会有可能出现这些问题。X9511/14在其内部集成 了40ms延时的去抖动电路,

要求输入控制信号抖动时间短,信号有效时间在40ms~250ms之间,且在此期间不能出现干扰电平。但是由于实际应用情况不可预测,无法避免输入信号的抖动而造成输出的重复动作(按钮时间超过250ms也会造成输出的重复动作),而这却是许多人所不愿看到的。
为了控制输入信号的抖动和噪声影响,在数字电位器的控制端加上触发器,如图2所示,试验结果使输出稳定性有了较为明显的提高,但仍要求按钮动作干脆利落,且线路无干扰,最终表现在输入信号干净无波动,否则不能避免重复触发。
经过多次改进,图3电路则较好地决了以上问题。在按钮与控制输入端之间,加上如图3所示由一片与非门电路构成的单稳电路,具有成本低,电路简单,可防止抖动,并不会使输出重复动作的特点。


图2 加防抖触发器


图3中按钮K未动作时,控制端一定为稳定的高电平,一旦按钮按下,A点电位经电容C1通过电阻R1放电,到74HC00的输入低电平门限值,B点即为逻辑高,同时通过F点控制E点电平(D点原为高电平)翻转为低,启动X9511动作,此时由于电容C2电位不会立即变化,使D点保持原高电平不变,电容C2通过R2放电,经过一个暂态时间后到达门电路低电平门限值,使E点恢复高电平。之后无论按钮是否保持按下(使D点保持低),还是放开(F点为低),E点都将保持高电平状态。在暂态期间,E点低电平被锁定,即使电路在A点产生较强的电平抖动,也不会对输出有任何影响。由于电路在暂态时间内对噪声具有的屏蔽作用,而控制端低电平时



图3 加防抖单稳态电路


间超过250ms,X9511/14的输出将会有连续跳变。因此可以将R2值调整到使暂态时间控制在X9511不重复动作时间尽量长些的范围内(例如暂态时间可以在150ms~220ms之间),以屏蔽掉此期间可能有的噪声干扰。R2、C2的值可按暂态时间T的公式得到。
T=(R2+R0)·C2·Ln[(Vol-Voh) / (Vol-Vth)]
式中R0为74HC00的输出电阻;
Vol为74HC00的低电平输出电压;
Voh为74HC00的高电平输出电压;
Vth为74HC00的高电平翻转门限电压。
此电路经反复验证效果良好,X9511之前控制线长可达200米。
实际上此时的数字电位器可以是接口控制的其他型号,而不限制为按钮控制的X9511/14了。(R2电阻值可以调整到该型号器件输入脉宽允许时间)
另一个可靠的解决办法是采用廉价的微处理器,如GMS97C1051来作为数字电位器的控制,按钮信号送到MCU,利用软件去抖,同时还可用LED显示控制动作,并能完成较复杂的多路混合控制。缺点是会使开发周期加长。


3.2 数字电位器端点电流、电压的扩展

目前所有的数字电位器的端点能够承受的电流都不会很大,只有1~3mA。能承受的电压也不高,-5V~+5V,或是0~15V之间。图4、图5是XICOR公司提供的两种扩展方案,适用于各种型号的数字电位器。


图4 输出端电流扩大的一个例子


图5 输出端电压增大的一个例子


3.3 利用数字电位器的级联扩展分辨率和阻值范围

(1)数字电位器的串联级联
如图6(a),将电位器W1、W2串联,W1滑动端与其一端短接,W2的滑动端作为输出。W1的滑动端将其分为两部分,设为R1,R2,而W2的滑动端将W2分为R3,R4两个部分。设输入电压信号Ui,输出为Uo,则:作为可变电阻器时,如图6(b),阻值为:R0=R1+R3
若原W1、W2抽头数分别为P1、P2,则串联后的抽头数为P1+P2-1。此时控制按钮数目也相应增加,同时阻值范围相应增大。

(2)数字电位器的并联级联
用并联级联可以更大范围地将分辨率提高,若有两只数字电位器并联级联如图7(a),则其输出为:

作可变电阻时,如图7(b),阻值为:R0 = (R2·R3)/(R2 + R3)在实际应用中,可将W1作为粗调,W2作

 

 



图6 串联级联


图7 并联级联


为微调使用。设W1抽头数为P1,W2抽头数为P2,如图7级联后其调整级数为(P1-1)·P2。将三个X9511电位器如图8串并连接时,将有31744个不同的输出。对于其他数字电位器,有(P1-1)·P2·P3个不同的输出,其中P1,P2,P3分别为W1,W2,W3的抽头数。图8(a)输出为:作可变电阻如图8(b)接法其阻值为:
R0 = R1 +(R2 + R5)// R3 + R6 此种情况更适于配合微处理器做运算后控制输



图8 串并级联


出。注意在并联级联过程中电位器所承受的电流电压必须控制在允许范围内,同时要注意此时的输出已不呈线性。
对以上算式的补充说明:在微处理器接口控制应用中,数字电位器并不限于X9511/14。在控制运算过程中,若W1抽头数为P1,可设调整步为N1,(N1∈[0,P1-1]),例如X9511的P1为32,N1∈[0,31],则:
R1=W1·[N1/(P1-1)]
R2=W1·[(P1-N1-1)/(P1-1)]
计算出调整变量N1可控制输出变量和阻值,在此不作详述。
了解了数字电位器的使用特性后,会发现数字电位器在一些电路中会有许多新奇的应用,而灵活运用的基础就是对数字电位器基本使用技巧的了解。

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