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十一月 6 2020

数字电位器与机械电位器的区别


目录

1.写次数
2.结构
3.调节
4.电阻元件

  在很早之前,电位器就已经得到了使用,它可以方便地校正系统、调节放大器内的偏移电压或增益、调谐滤波器以及控制屏幕亮度等优点;但是早期阶段使用的是机械电位器,本身存在一些固有的局限性,比如:尺寸大小、机械磨损、游标污染、电阻漂移、对振动和湿度敏感以及布局缺乏灵活性,这一切都是由其物理结构所决定的。如今,已经研发出了数字电位器。数字电位器的出现就是为了解决所有上述问题,提供更高的可靠性和精度,电压毛刺更小。目前,只有在数字电位器不适用的环境中(比如:高温环境或大功率应用场合),才会使用机械电位器。那么这两种电位器有什么区别呢?下面一起来看看吧:

  1.写次数

  数字电位器的写次数很容易达到50000次,而机械式电位器的调节次数一般只有几千次,甚至几百次。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在32级(5位)到256级(8位)甚至更高。对于像LCD显示器对比度调节或其它动态范围要求不高的应用,设计时可以选用低分辨率、低成本的数字电位器。而高分辨率的数字电位器则被广泛用于动态范围高达90dB的音频和Hi-Fi设备中。

  2.结构

  机械电位器:由一个很大的电阻元件组成,在外部通过两个端子相连接。电阻元件的形式多种多样,根据所采用的技术,其封装方法也不同。可以为单圈或多圈,或者简单的扁平型封装。第三个端子也称为游标,它可在整个电阻元件上移动,来选择每个外部端子与游标之间的电阻大小。在游标和电阻元件之间存在着较小的接触电阻,通常称之为游标电阻(如图1所示)。

机械电位器

  图1 机械电位器

  数字电位器:由一个电阻元件阵列组成,该阵列的终端通过两个端子(A和B)与外部相连。在两个无源电阻的结点处,有一个开关。这些开关通过与外部端子(称之为游标或W)结合的单个触点互相连接(如图2所示)。

  图2 数字电位器

  由于这些开关通过互补金属氧化物半导体(CMOS)加工工艺设计而成,因此允许电流以任意方向流动。这些开关由一个数字模块控制,并且只能接通一个开关。通过与机械电位器进行类比,寄生开关电阻也可称为游标电阻。

  综上所述,机械电位器更容易受到物理环境变化(比如:振动、冲击和游标污染)的影响,这一切都是由其物理结构所决定的。而拥有整体结构的数字电位器,在所有上述情况下,都不会受到影响。

  3.调节

  机械电位器:从理论上来说,由于游标可在整个电阻上移动,因此,机械电位器可提供无限的分辨率;但是调节电阻时所形成的各物理因素(比如:螺丝刀压力或材料间的摩擦)会使精度下降,这样就会造成电阻的终值准确度较低。

  需要注意的是,重新调节的次数或平均故障间隔时间(MTBF),通常都不超过几千次。

  数字电位器:游标位置取决于RDAC寄存器中的内容,在寄存器中写入内容的次数没有限制。如图3和图4所示,使用SPI、I2C或up/down等数字接口、手动使用按钮开关或数字编码器,都可将内容写入RDAC寄存器。

按钮接口

  图3 按钮接口

使用数字编码器控制接口

  图4 使用数字编码器控制Up/Down接口

  数字电位器类似于机械电位器,如果事先对其进行调节,则在上电时,它可储存RDAC代码。

  4.电阻元件

  机械电位器:由于电阻元件采用的可能是各种不同的材料(比如:金属陶瓷、石墨或导电塑料),因此,电阻的大小就可能为数十欧乃至兆欧,在额定误差范围内得到保证。该误差被称为电阻容许误差,根据电位器材料的质量和所采用的不同工艺,它会上下波动。典型值范围在±30%和±10%之间,更高品质电位器的误差可低至±3%。另外一种误差是由于电阻元件的温度所造成的。该种依赖性可大可小,它取决于材料。终电阻值会随温度而成比例变化。该误差被称之为温度系数或TempCo。

  线绕电阻等较新材料的温度系数可低至10 ppm/°C,而旧的机械电位器所采用的材料为石墨,但其温度依赖性高达500 ppm/°C;存在一些与材料相关的限制(比如:功耗,可小至几毫瓦,大至数百瓦)。无论情况如何,电阻终端之间的电压都与功率成正比。该电压大小可为数十伏,也可为数百伏,甚至上千伏。

  一般而言,机械电位器中电压和电流的额定值虽然较高,但它们与环境温度成反比例关系。设计者应当基于终应用中的预期温度来验证电位器是否能够处理估计功率。表1显示的是机械电位器(根据所使用的材料进行分类)的所有特性,以供快速参考。

  表1 机械电位器的材料对比

机械电位器的材料对比

  数字电位器:电阻元件所采用的主要材料有两种:多晶硅或薄膜金属。

  多晶硅是一种常用材料,它与石墨类似,对于温度的依赖性非常高,温度系数高达600 ppm/°C.薄膜金属电阻的温度系数则较低,大约为35 ppm/°C。一般公司数据手册中都会给出了任意给定代码下的温度系数图表(任意给定代码下的温度依赖性和温度系数,都取决于两个因素:电阻元件和开关电阻。开关电阻较小,但在较低代码处,所选择的电阻也很小时,由于阻值非常接近,开关电阻变得很明显。开关电阻的温度系数所影响到的代码数,直接取决于标称电阻值,该区域的典型温度系数约为600 ppm/°C。)。

  由于尺寸较小,数字电位器的功耗也很小,在数十毫瓦以内。与机械电位器相比,在所有温度范围内,该功率保持恒定。数字电位器端电压由供电轨来限定。就不同的数字电位器而言,其电压范围可从2.3V至33V.但是,任何情况下,电流通常都不会超过几毫安。

  以上就是数字电位器与机械电位器的区别介绍了,数字电位器与机械电位器相比具有众多优势,除了提高可靠性外,它们还占用更少的空间;由于降低了寄生效应,数字电位器能够提供更好的电特性,并且不易受噪声的影响。数字电位器能够在各种应用中替代机械电位器,使设计人员和最终用户受益。

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