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数控电位器原理及应用(非常完整的毕业论文).doc

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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2008 年 月 日贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 1 页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。贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 2 页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(Analog Devices Inc. 模拟器件公司)就是用“Digitally Potentiometer”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 (Digitally Control Potentiometer)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(Resistance Digital to Analog Converter)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(Digitally Programmable Potentiometer)数控可编程电位器。这是美国 CaTalyst公司对数控电位器的简称。Digital Pot(Digital Potentiometer)数控电位器。这是美国 ADI 对数控电位器的一种简称。DigiPOT(Digital Potentiometer)数控电位器。这是美国 MAXIM 对数控电位器的一种简称。DVR(Digital Variable Resistor)数字式可变电阻器。DR(Digital Resistor)可变(指可编程)电阻器。贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 3 页1.2 数控电位器的主要特点及产品分类1.2.1 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。贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 4 页(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 1.2.1 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 1.2.1 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 1.2.1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 1.2.1 数控电位器与机械电位器性能比较之一1.2.2 数控电位器与机械电位器性能比较之二名称 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贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 5 页表 1.2.3 数控电位器与机械电位器性能比较之三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贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 6 页综上所述,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。1.2.2 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1.2.4。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-55125℃温度范围对比项目 数控电位器 机械电位器生产厂家 美国 Catalyst 公司 Beyschlag Centralab 公司产品型号 CAT5114 ST3电阻规格 /kΩ 10 10允许偏差( ) 15 20结构(分辨力) 32 抽头 单一方向 210o 转角封装形式 SOIC-8(小型 IC) 3L单价(数量100 片)/美元0.75 1.35安装费用 /美元 0.040.08 0.040.08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) 贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 7 页内,温漂仅为210 -6/℃表1.2.4 分辨率、抽头数与RDAC位数的对应关系RDAC的位数 4 5 6 7 8 9 10抽头数 2416 2532 2664 27128 28256 29512 2101024单元电阻的个数 15 31 63 127 255 511 1023分辨率() 6.7 3.2 1.6 0.79 0.39 0.196 0.098(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(E 2PROM) ,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520万次。(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1530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070℃,工业级产品为-4085 ℃) 。采用单电源或双电源供电均可。贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 8 页1.2.3 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R1kΩ) ,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1.2.2 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所示。 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。例如贵 贵州大学本科毕业论文(设计) 第 9 页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;③I 2C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为并行接口。(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E 2PROM,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
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