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作者：W. Stephen Woodward 數(shù)字電位器(dpot)是一種常見(jiàn)組件，采用各種封裝、電阻和分辨率。但是，除了電阻和設(shè)置之間的常規(guī)線性函數(shù)，它并無(wú)其他效用。對(duì)于需要廣泛的動(dòng)態(tài)增益調(diào)整范圍（例如數(shù)十倍頻程）的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這會(huì)造成一些問(wèn)題。 以一款放大器為例，你使用8位（256中的1個(gè)）分辨率電位器，將其增益設(shè)置為0至10,000 (80dB)。當(dāng)電位器設(shè)置與電阻（線性錐度）成線性關(guān)系時(shí)，dpot設(shè)置與增益成線性關(guān)系。在256個(gè)電位器設(shè)置中，每個(gè)步進(jìn)都表示約40的增益幅度增加（即增益步進(jìn)為0、40、80、120、160等）。 對(duì)于8或以上的dpot設(shè)置（增益>300），這給增益設(shè)置提供了不錯(cuò)的分辨率，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)步進(jìn)1dB或更低的增益控制。但是，當(dāng)設(shè)置值低于8時(shí)，增益分辨率大幅降低。例如，如果你需要將增益設(shè)置為100或以下，你沒(méi)有辦法以任何有意義的精度達(dá)到必要的值，你只能選擇80或120左右的值。 如果具備準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高分辨率，且?guī)в袑?duì)數(shù)抽頭的數(shù)字電位器（電阻對(duì)數(shù)與設(shè)置成正比），就很容易安排增益控制電路，在整個(gè)調(diào)整范圍內(nèi)提供恒定的分辨率（增量單位：dB）。遺憾的是，目前并沒(méi)有具備出色分辨率（例如，步進(jìn)小于 6dB）的對(duì)數(shù)數(shù)字電位器（對(duì)數(shù)dpot）。 但并非全無(wú)用處。圖1所示的Design Idea采用普通的線性抽頭電位器（例如，ADI提供的價(jià)格便宜的雙極 AD5200 )，AD5200）實(shí)現(xiàn)了相近的對(duì)數(shù)增益控制。 
圖1 線性數(shù)字電位器模擬對(duì)數(shù)抽頭 如果Dx（上方所示）表示游標(biāo)設(shè)置(0 – 255)，我們可以采用分段求解的方式，輕松得出放大器增益Vout/Vin與Dx的設(shè)計(jì)公式。首先，作為Vin的函數(shù)，求解游標(biāo)電壓(Vw)： 1. Vw = −Vin RAB Dx / (255 R1) 接下來(lái)，作為Vw的函數(shù)，求解Vout： 2. Vout = −Vw 255 R2 / (RAB (255 – Dx)) 然后，將公式1和2結(jié)合在一起： 3. 增益 = Vout / Vin = −Vw 255 R2 / (RAB (255 – Dx)) / (−Vin RAB Dx / (255 R1)) 4. 增益 = (R2 / R1)(Dx / (255 – Dx)) 5. Dx = 255 增益 (R1 / R2) / (1 + 增益 (R1 / R2)) 毫無(wú)疑問(wèn)： 6. dB（增益） = 20 Log10((R2 / R1)(Dx / (255 – Dx))) 和 7. 增益 = 10dB/20 由此得到： 8. Dx = 255 10dB/20 (R1 / R2) / (1 + 10dB/20 (R1 / R2))
圖2 dB增益（y軸左半段）和增益集分辨率（y軸右半段）與Dx（x軸）之間的關(guān)系 認(rèn)真看看得出的增益公式，可以看到這些有意思的地方： 1. Dx/(255 - Dx)的近似對(duì)數(shù)性質(zhì)。如圖2所示，當(dāng)R2/R1=100，Dx = 8時(shí)，得出的增益=~10dB；Dx = 23時(shí)，增益為20dB；Dx = 128時(shí)，增益為40dB；Dx = 232時(shí)，增益為60dB；Dx = 247時(shí)，增益為70dB。在整個(gè)60dB =1,000至1范圍內(nèi)，增益設(shè)置的分辨率仍然不超過(guò)1dB，這一點(diǎn)尤其重要。此外，Dx =0時(shí)，增益設(shè)置為0，同時(shí)Dx = 255選擇開(kāi)環(huán)。 2. 采用電位器游標(biāo)作為輸入端子的策略有效地將游標(biāo)觸點(diǎn)移動(dòng)到放大器A1的饋電回路中（圖1），從而消除了作為誤差項(xiàng)的影響，提高了增益設(shè)置的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性。 3. 同時(shí)，在A1饋電和A2輸入（圖1）端使用RAB電阻元件可以將RAB公差和溫度系數(shù)(tempco)（AD5200中為+/-30%和500ppm/oC）與靈敏度進(jìn)行比較，R1和R2是增益集精度的唯一決定因素。 如果需要高于8位(1/256)的分辨率，可以將10位AD5292等部件放入拓?fù)渲�，獲得高于4×的增益設(shè)置精度。謹(jǐn)記，增益公式中出現(xiàn)255時(shí)，要替換為1023！或者，更概括地說(shuō)，如果N表示位數(shù)： 9. Dx = (2N – 1) 增益 (R1 / R2) / (1 + 增益 (R1 / R2)) —W. Stephen Woodward是EDN最多產(chǎn)、創(chuàng)意最多的Design Ideas作者，也是儀器儀表、傳感器和計(jì)量學(xué)方面的自由顧問(wèn)。 |
