电位器式传感器结构和原理

　　电位器式传感器结构

　　电位器一种常见的机电元件，广泛应用于各种电气设备和电子设备中。电位器传感器就是将机械位移通过电位器转换为与之成一定函数关系的电阻或电压输出的传感器。

　　由电位器由电阻元件、电刷、骨架等组成。

　　形式：直滑式和旋转式，旋转式有单圈旋转式和多圈旋转式两种，电刷有触头、臂、导向及牰承等装置组成。触头常用银、铂铱、铂铑等金属。电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料。骨架常用陶瓷、酚醛树脂及工程数料等绝缘材料。

　　电位器式传感器原理

　　在日常工作中，电位器可以说是一种常用的机电元件，广泛应用于各类电器和电子设备中。电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。

　　电位器式传感器结构简单，体积小，质量轻，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号较大，一般不需放大，并易实现函数关系的转换。但电阻元件与电刷间由于存在摩擦及分辨率有限，故其精度一般不高，动态响应较差，主要适合于测量变化较缓慢的量。电位器式传感器种类较多，根据输入—输出特性的不同，电位器式电阻传感器可分为线性电位器和非线性电位器两种；根据结构形式的不同，又可分为绕线式、薄膜式、光电式等。

　　电位器式电阻传感器一般由电阻元件、骨架及电刷等组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动或螺旋运动。当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实现位移与电阻之间的线性转换，这就是电位器传感器的工作原理。电阻式传感器是一种应用较早的电参数传感器，它的种类繁多，应用十分广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成与之有对应关系的电阻值的变化，再经过相应的测量电路后，反映出被测量的变化。电位式传感器结构简单、线性和稳定性较好，与相应的测量电路可组成测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统，已成为生产过程检测及实现生产自动化不可缺少的手段之一。

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元器件12-数字电位器原理及应用电路

数字电位器也称为非接触式电位器，是一种用数字传感器检测转轴的角度变化，并将这个角度变化用多种信号类型反馈输出。

数字电位器与机械式电位器相比，具有可程控改变有效电气角度及输出范围、耐振动、噪声小、寿命长等优点，因此在自动检测与控制、智能仪器仪表等许多领域得到成功应用。

数字电位器的优点：调节精度高，没有噪声，有极长的工作寿命，无机械磨损。可用于自动控制系统中对角度位置的精确控制，也可利用输出反馈信号与角度变化呈线性比例的特性，通过驱动转轴实现输出调节功能。

一、数字电位器的工作原理

数字电位器由电阻器网络和相应的开关组成，下图所示是数字电位器的内部结构

下图为三端数字电位器的结构简化示意图。电阻器网络在之前的文章中已有过介绍，在此不再赘述，开关通常为CMOS开关。

下面以X9511W数字电位器为例来介绍数字电位器的工作原理，X9511W的典型电阻限值为10K欧，其特点如下

1、32个滑动触头，按钮控制，端电压-5V~+5V；

2、滑动端位置数据可掉电保存10年；

3、低功耗CMOS，最大工作电流3毫安；

4、体积小，8脚SOIC或DIP封装。

下图为X9511W的内部原理图

下图为X9511W的引脚排列图。

x9511W数字电位器内含5位升降计数器，5位EEPROM存储器和存储及调用控制电路。

/PU为计数器输入端，上拉成高电平，当加上一个40毫秒的低电平时，计数器执行加计数，滑动输出端向上移动，Vl与Vw之间的电阻增大，Vh与Vw之间电阻变小，/PD为减计数器输入端，上拉成高电平，当加上一个40毫秒的低电平时，计数器执行减计数，滑动输出端向下移动，Vl与Vw之间的电阻减小，Vh与Vw之间电阻增大，VH、VL分别为高电压端和低电压端，等效于机械电位器的两个固定端，VCC、VSS分别为电源和地，VCC典型值为+5V，/ASE为自动存储方式或通过按键接地实现手动存储，VW为滑动端，相当于机械电位器的可移动端。

低电压脉冲加在/PU或/PD后，相当于对计数器进行加/减操作，计数器的输出被译码而接通一个单节点电子开关，使得电阻阵列的一个点接到滑动输出端，达到数字式调节电位器的目的，滑动端移动时不会超出终端位置，即当计数器达到终端时不会循环回变。

二、数字电位器的分类

数字电位器的分类见下图

按变化函数分类

可分为线性和非线性两类，由于人耳对音量感受成对数性，所以长将对数变化的数字电位器用于高保真音频设备的音量调节。

按存储器特性分类

数字电位器可分为易失性和非易失性两类，所谓非易失性是指掉电后能保持滑动端位置，并在下次上电时恢复此前所保持的位置，有这种保持功能的数字电位器称为非易失性数字电位器，无保持功能的为易失型数字电位器。

按分辨率分类

可分为高分辨率何地分辨率两类

按接口方式分类

可分为I2C接口，单线接口，二线加/减式接口，二线并行接口、SPI总线接口，Microwire总线接口等。

三、数字电位器的特点

1、由于数字电位器没有机械触点和活动部件，没有机械电位器中存在的磨损和噪声，使用寿命可达50~100年

2、机械电位器用转轴进行调节，调节次数一般为几百次到几千次，而数字电位器的调节次数（读写次数）可达20万次以上。

3、数字电位器的分辨率高，通常为32级到256级，也可做到1024级，但数字电位器的调节是阶梯式的，数字电位器阻值的变化越小，需要的级数就越多，造成电路复杂、成本增加，而机械式电位器的阻值调节是连续的

4、数字电位器对环境的要求不像机械式电位器那样苛刻，对潮湿和灰尘不敏感

5、数字电位器的数据传输有多种接口方式，而机械式电位器无法实现这一功能。

四、数字电位器应用举例

1、由数字电位器构成的可编程线性稳压器

下图是由DS1809构成的可编程线性稳压器的原理图。该稳压器主要有DS1809和低压差稳压器LP2950-5.0组成，DS1809属于按键式64抽头非易失性数字电位器，LP2950-5.0输出电压为5V，额定输出电流为100毫安，特别适合采用电池供电的系统，如手机，无线控制系统及笔记本电脑。LP2950-5.0具有低静态电流、低压差等特性，在轻载时的压差仅为50毫伏，输出100毫安电流时的压差也只有380毫伏。

2、DS1802构成的音量控制器

下图是DS1802构成的音量控制电路的原理图，电路采用惠斯通电桥连接方式，DS1802数字电位器包含的过零检测功能，可确保在检测到0V或50毫秒延迟时改变抽头位置，从而降低抽头位置瞬时改变时的噪声。DS1802音频电位器包含了两个数控电位器，对数抽头，每级变化1dB，最大衰减量63dB，此外，它还带有静音功能，可将信号衰减90dB，DS1802有四个按键输入，可用于音量/平衡控制，合理利用其过零检测功能，能够实现音量的无缝调节，以得到纯净的信号。

3、电压-电阻转换电路

下图是电压-电阻转换电路，它是由两只MAX5160数字电位器共同来完成的。数字电位器U1和比较器U3构成数字式跟踪-保持电路，U1通过调节内部分压来保证VWIPER跟踪VIN，这样，滑动电阻将于VIN成正比，由于U1和U2的数字输入是连在一起的，因此U2的滑动端位置与U1相同，对应端之间的电阻也相同，从而得到与VIN成正比的电阻，实现了电压到电阻的转换。

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