数字电位器AD8402/AD8403原理及应用
高光天
摘 要：本文介绍了数字电位器AD8402/AD8403的工作原理、基本特点及典型应用。数字电位器不仅可以取代机械电位器，而且具有无噪声、抗震动、尺寸小、寿命长等优点。它的最大特点是具有可编程能力，随着制造成本的降低，其应用范围会越来越广。
关键词：数字电位器，RDAC，TrimDAC
AD8402/AD8403是一种2或4通道，有256个分支点的数字电位器，也称数控可变电阻器(VR) 〔１〕 。数字电位器实质上是一种特殊形式的数模转换器(DAC)，但其模拟量输出不是电压和电流而是电阻或电阻比率，所以又称为RDAC。RDAC与TrimDAC TM 相比 〔2〕 TrimDAC可以看作是有缓冲器的电位器，而RDAC则是一种数控电路元件——可变电阻器或无缓冲器的电位器。例如，RDAC允许用户直接程控传统RC电路中的时间常数和滤波器截止频率。
AD8402含有两个独立的RDAC，采用SO14表面安装封装；AD8403含有4个独立的RDAC，采用24引线SOIC封装。这两种器件均可在扩展工业温度范围-40~+85°C工作。每个独立的RDAC都有两个固定端A和B及一个滑动触点W。其中W距B端的位置由置入串行输入寄存
器中的数码决定。固定端A与B之间的电阻一般分为三种类型：10kΩ，50kΩ和100kΩ，如有其他需要请与厂家联系。
数字电位器不仅可以取代机械电位器，而且具有无噪声、抗震动、尺寸小、寿命长等优点，
它的最大特点是具有可编程能力，随着制造成本的降低，其应用范围会越来越广。
一、工作原理
AD8403的功能框图如图1所示。
在时钟脉冲作用下将10位串行数据字由串行数据输入(SDI)脚置入。这10位数据字的格式为
：A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0(1)其中前两位是地址位，紧接着8位是数据位。地址位A1A0=00,01,10,11分别对应RDAC1，RDAC2，RDAC3和RDAC4。AD8403使用50MHz时钟，在1μs(10×4×20ns)内可将4个RDAC的数据装完。严格的时序要求请见AD8402/AD8403产品说明
〔１〕 。AD8402/AD8403通过复位(RS )脚可复位
图1 AD8403功能框图
到中位值(80H)。这两种电位器都有一个电源待机( SHDN )脚，使RDACx(x=1,2,3,4)置于零功耗状态，此时Ax端开路，而滑动触点Wx接到B端，仅产生RDACx的漏电流。在待机方式下，RDACx锁存器保存设置的数据，以便从电源待机方式返回到工作方式时RDACx输出恢复到待机之前的阻值。AD8402/AD8403含有一个标准三线串行输入控制接口。这三条输入线是时钟(CLK)，片选(
CS )和串行数据输入(SDI)。时钟上升沿数据输入有效，要求时钟前沿干净，以免将误码数据传入寄存器。通常标准逻辑脉冲工作正常，但如果使用机械开关对产品进行检测，应该用触发器或其它合适的方法消除抖动。当
CS 处于低电平有效状态时，在时钟的每个上升沿将数据置入寄存器，输入逻辑真值表请见表1。
表1 输入逻辑真值表
PLHH从SDI脚移动1位数据。以前置入的第10位移到SDO脚输出XPHH根据A1，A0译码地址，将SR数据置入RDAC锁存器XHHH不工作XXLH将所有的RDAC锁存器置入中位，即位于中心位置，SDO锁存器清零XHPH将所有的RDAC锁存器都锁存到80HXHHL所有电阻器A端开路，W滑到B端，关断SDO输出极注：P=上升沿， X=无关， SR=移位寄存器串行数据输出(SDO)脚含有一个n沟道FET开路漏极。SDO要接一个上拉电阻，以将数据传输到下一个电位器的SDI脚。上拉电阻的端电压要大于电源电压V DD 。
例如,AD8403的电源电压V DD
=3.3V，则上拉电阻的端电压应为+5V。这样利用SDO和SDI脚可将多个数字电位器级联起来，以便用来自一个微处理器的串行数据控制多个数字电位器。例如将两个AD8403级联起来，第一个电位器的SDO输出脚接到第2个电位器的SDI输入端。在电位器级联情况下，为使数据传输成功，(1)应该增加时钟周期；(2)必须考虑相邻电位器菊花链节点SDO与SDI之间的容性负载；(3)
CS 保持低电平时间应足够长，直到每个电位器的所有数据位都传送到合适的寄存器。两个电位器级联时串行数据字格式应按照(1)式提供的地址和数据位构成20位数据字。前10位串入第2个电位器串行寄存器，而后10位串入第1个电位器串行寄存器，从第一个电位器的SDI端串入20位数据字。应当注意，仅AD8403有SDO脚，在待机方式SHDN
有效期间，SDO输出脚被迫断开(逻辑高电平)，使上拉电阻无功耗，SDO输出等效电路请见图2。
图2 AD8403的SDO输出等效电路
用一个1kΩ串联输入电阻和一个并联齐纳二极管，可对所有数字引脚进行ESD防护，如图3
a所示。这种电路适用于数字引脚 CS ，SDI，SDO， RS ， SHDN 和
CLK。数字输入ESD防护电路允许电源混合使用，可使用+5V CMOS逻辑电源来驱动+3V
电源工作的AD8402或AD8403。与图3a类似，可用一个20Ω串联电阻和一个并联齐纳二级管来防护模拟引脚A，B和W，如图3b所示。
图3a 数字引脚ESD防护电路
图3b 模拟引脚ESD防护电路
数字电位器RDAC可接成可变电阻器和分压器两种工作方式。当用作可变电阻器(VR)时，
A端开路，W可将VR的标称阻值(R AB )分成256个分支点，对RDAC锁存器中的8位数据字译码
可确定256个可能分支点中的一个。滑动触点Wx滑到某一位置(Dx)相对Bx端的输出电阻 R
WB 的计算公式为：
R WB (Dx)=Dx/256×R BA +RW(2)其中RW=50Ω，R BA =10kΩ，Dx=RDACx锁存的8位数据。当VB=0V时，R
WB =50Ω，R BA (Dx)输出电阻典型值请见表2。
表2 典型数据对应的输出电阻R WB
应当注意，在零点处存在一个50Ω有限滑动触点电阻。在这种情况下，流过W和B两端之间的
极限电流值为5mA，以免内部开关接触性能降低或造成损坏。R BA 通道之间的匹配误
差典型值在±1%之内。不同电位器之间有很大离散性，偏差为±20%。R BA 的每一分支
点的温度系数为500ppm/°C。
数字电位器用作分压器时，容易产生一个与给定端施加输入电压成正比的输出电压。例如，
当A端接+5V，B端接地时，在W端相对地产生的输出电压范围为0至(+5V-1LSB)，这里1LSB对
应的电压等于5/256V。滑动触点W相对地输出电压VW(Dx)与置入的数字Dx之间的关系式为
：VW(Dx)=Dx/256×V AB +VB(3)
在规定温度范围内，数字电位器在分压方式下工作结果比较精确，因为其输出电压仅依赖于
内部电阻器的比率而不是绝对值，所以温度漂移可提高到15ppm/°C。
二、典型应用
1反相可编程增益放大器
图4a示出了AD8402的一个单通道用于反相可编程增益放大器电路。用+2.5V基准电压作为一
个偏移“地”，从而允许正负限输出运算放大器OP279的输出范围为±2.5V。为使增益>1
(数字量=80H)，输入数字向FFH方向增加；为使增益<1，输入数字向00H方向减小。图4b示出了反相可编程增益放大器增益设置关系曲线。电压增益(V/V)设置范围为100∶1，是一
种中心值为0dB的增益范围为±10dB的准对数增益。超过这个范围，控制步长(step sizes)
变大，而且驱动电路的电阻对增益的作用明显增加。
2有源滤波器
状态可变的滤波电路可同时具有低通(LP)、高
图4a 反相可编程增益放大器
图4b 可编程放大器增益设置关系曲线
通(HP)和带通(BP)滤波器的功能。这种有源滤波器
是一种用来求解二阶微分方程的模拟计算电路。数字电位器(RDAC)可取代数模转
换器(DAC)，能对频率、增益和滤波器输出Q值进行编程，请见图5。
图5 可编程状态可变有源滤波器
该电路使用+2.5V为虚拟地，这样便允许±2.5VP输出和每级输出摆幅。RDAC2和RDAC3分
别决定LP与HP的截止频率和BP的中心频率。为了得到最佳的动态范围，应使用相同的电容器
，相同的数字量(类似同轴电位器)来控制RDAC2和RDAC3。图6a示出了中心频率在2～20kHz范围内，在单位增益条件下测得的BP滤波器频率响应曲线。当中心频率为2kHz，RDAC1调节
增益范围为-20～+20dB时，BP滤波器输出增益响应曲线如图6b所示。正如所料，电路Q值随
增益改变。关于有源滤波器的详细情况请见参考文献 〔3〕 。
图6a BP滤波器输出与频率关系,G=1
图6b BP滤波器输出增益响应曲线
3可调整定时电路〔4〕
用AD8402，接一个电容器和一个比较器。当一个阶跃信号输入之后，可构成一个可编程时间
延迟开关。类似地，还可用RDAC来改进555定时器电路的精度，例如校准单稳电路。数字电位器还有许多应用，如音量摇控器，线路阻抗匹配等，限于篇幅不再赘述。
有关AD8402/AD8403的详细技术资料请见有关参考文献或到北京市英赛尔器件集
团索取，地址：北京市海淀区白石桥路甲24号，电话：(010)62170502 62171624。
参考文献
1Analog Devices Inc., 2/4Channel Digital Potentiometers, Data Sheet
,1995
2Walt Heinzer, Analog Dialogue 243, 1990
3Daniel H. Sheingold, AnalogDigital Handbook, 3rd edition, Prentice
H
all, 1986
4Walt Heinzer, Design Circuits with Digitally Controllable Variable Res
istors, Analog Dialogure, 241,1995