高分辨率指數(shù)式數(shù)字電位器的設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)對(duì)普通低分辨率線性數(shù)字電位器進(jìn)行指數(shù)化及高分辨率的改造，使通用型數(shù)字電位器達(dá)到音頻領(lǐng)域的應(yīng)用要求，并具有較好的通用性與較高的性價(jià)比。

人耳對(duì)聲強(qiáng)的主觀感受遵循韋伯定律(Webber's Law)，在音量較小時(shí)人耳對(duì)聲波振幅的改變感受靈敏，聲音達(dá)到一定響度后，人耳的聽覺特性開始變得遲鈍。而指數(shù)型電位器的阻值變化規(guī)律為先慢后快，如果將這種衰減特性用在音量調(diào)節(jié)中，則恰好可以抵消人耳對(duì)音量感知的對(duì)數(shù)特性，保證主觀聽感的平滑。

與傳統(tǒng)的機(jī)械式音量電位器相比，數(shù)字電位器（DCP）的阻值調(diào)節(jié)由內(nèi)部CMOS開關(guān)控制，因而使用壽命長(zhǎng)、可靠性高且不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲；如果將廉價(jià)的通用型線性數(shù)字電位器直接用于音量調(diào)節(jié)，在小音量狀態(tài)下稍微調(diào)節(jié)電位器即會(huì)使輸出聲壓陡然增加，無(wú)法保證大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)音量的準(zhǔn)確定位，因此目前將數(shù)字式電位器運(yùn)用在成熟功放產(chǎn)品中的實(shí)例還不多。實(shí)際上，如果將低分辨率線性數(shù)字電位器與通用嵌入式系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，就能夠得到運(yùn)用于音量控制領(lǐng)域的低成本高分辨率指數(shù)式電位器。

總體設(shè)計(jì)方案

在數(shù)字電位器的擴(kuò)展系統(tǒng)中，主控單元可選用常見的8位或16位成熟單片機(jī)。這里我們主要針對(duì)Intersil公司的低分辨率線性數(shù)字電位器X9313、X9312進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)最終能夠達(dá)到的實(shí)際分辨率為3199=3069級(jí)；如果把32抽頭的X9313全部更換為X9312，分辨率還可以進(jìn)一步提高至9801級(jí)。

X9313與X9312這兩種DCP均為三線制接口、帶掉電自動(dòng)保存功能的非易失性數(shù)字電位器，其內(nèi)部分別包含31、99個(gè)電阻單元構(gòu)成的電阻陣列，相鄰兩個(gè)電阻單元以及電阻陣列端點(diǎn)都設(shè)置有可以被滑動(dòng)單元訪問(wèn)的抽頭，如圖1所示。滑動(dòng)單元的位置由CS、U/D和INC三個(gè)輸入端控制，抽頭位置值能夠被存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，供下次上電時(shí)調(diào)用置位。

圖1 X931x系列DCP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的每個(gè)聲道的音量控制由兩個(gè)X9313與一個(gè)X9312構(gòu)成，圖2為三個(gè)數(shù)字電位器的功能連接圖。所有DCP的U/D、INC端分別連接在一起，而片選端CS各自占用一個(gè)MCU端口。這種硬件連接方式能夠很容易地實(shí)現(xiàn)四聲道乃至更多聲道的音量控制。為了與常見的數(shù)字式音量調(diào)整習(xí)慣一致，最好不要保留通用DCP的三鍵式控制方式，而只需設(shè)置UP/DOWN兩組按鍵直接控制音量的增減。UP/DOWN按鍵與MCU的連接應(yīng)設(shè)置軟件延時(shí)的去抖算法，以消除按鍵輸入時(shí)的抖動(dòng)，MCU與DCP之間則不再考慮按鍵抖動(dòng)。

圖2 系統(tǒng)連接示意圖

分辨率擴(kuò)展

Ra和Rb同時(shí)并聯(lián)在輸入信號(hào)Vin的兩端，其抽頭數(shù)均為32。Ra和Rb的輸出作Rc端口電壓VH和VL設(shè)置，Ra始終比Rb高一個(gè)位置間隔，這樣就可以將1/32Vi～31/32Vi共31種輸入信號(hào)的電壓變化加到Rc兩端。由于Rc選用了100抽頭的DCP，從而可以在Rc輸出端得到31（100-1）=3069級(jí)的Vin線性電壓值。

隨著Rc滑動(dòng)端上下移動(dòng)，Ra和Rb的位置也在MCU的控制下進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。在上移過(guò)程中，設(shè)Rc滑動(dòng)端上移值與目前所在位置值相加后的值為M。若M小于100，說(shuō)明這時(shí)只是Rc的滑動(dòng)端發(fā)生移動(dòng)，而Ra和Rb的滑動(dòng)觸點(diǎn)位置不變；若M值超過(guò)100，則Ra和Rb的觸點(diǎn)均上移1個(gè)滑動(dòng)位，Rc的滑動(dòng)端返回M減去100之后所得實(shí)際值決定的觸點(diǎn)位。類似地，在抽頭下移過(guò)程中，若Rc的滑動(dòng)端需要下移到抽頭0以下時(shí)，則Ra和Rb的滑動(dòng)端也需要同步下移1位，以保持電位器實(shí)際調(diào)整步數(shù)的平衡。

電位器Rc的抽頭輸出端設(shè)置了一級(jí)電壓跟隨器，可以減小因負(fù)載并聯(lián)對(duì)級(jí)聯(lián)后分壓系數(shù)的影響。電位器觸點(diǎn)的滑動(dòng)過(guò)程屬于不連貫的步進(jìn)調(diào)節(jié)方式，故Rc的電阻值不是連續(xù)變化而是在滑動(dòng)端調(diào)整到位后才具有所希望的輸出，這樣會(huì)使得輸出電壓出現(xiàn)一些小幅跳變。但由于輸入信號(hào)Vin的絕對(duì)增量并不大，且整個(gè)電位器擴(kuò)展系統(tǒng)的分辨率很高，對(duì)此我們可在Rc電位器的滑動(dòng)輸出端對(duì)地并聯(lián)一只1000～2200pF的小電容C1，以減小輸出電壓的波動(dòng)。

上述電位器分辨率擴(kuò)展的思路具有較高的可行性與移植性，此前曾應(yīng)用在我們的一項(xiàng)程控增益可編程高速放大器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，取得很好的使用效果。

電阻值指數(shù)化

DCP的指數(shù)化處理采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，不需要額外增加硬件。由于通用單片機(jī)的函數(shù)運(yùn)算功能非常有限,因此在算法上，將電位器每級(jí)切換所要求的觸點(diǎn)移動(dòng)步數(shù)以數(shù)組形式保存在單片機(jī)的ROM中。阻值調(diào)整時(shí)，MCU根據(jù)按鍵的UP/DOWN狀態(tài)和當(dāng)前的階數(shù)值以查表方式取得各只DCP的實(shí)際偏移量，然后再由MCU控制DCP執(zhí)行相應(yīng)的步進(jìn)切換動(dòng)作?？紤]到3069級(jí)的實(shí)際分辨率，系統(tǒng)從零到滿幅輸出共設(shè)置了24級(jí)的步進(jìn)階數(shù)，優(yōu)于市場(chǎng)上主流機(jī)械式步進(jìn)電位器18～21的步進(jìn)階數(shù)，具體的階數(shù)與電位器抽頭偏移量關(guān)系可參見表1。從表中不難看出，系統(tǒng)將DCP擴(kuò)展到3069的高分辨率正是為了適應(yīng)電位器阻值在指數(shù)化調(diào)整過(guò)程中步進(jìn)值的精確辨析。

表1 階數(shù)與電位器抽頭偏移量關(guān)系

X9312與X9313是不能直接從片內(nèi)存儲(chǔ)單元讀出滑動(dòng)端當(dāng)前所在位置的，因此，為了記憶各只數(shù)字電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的實(shí)際位置，必須在程序中設(shè)置變量對(duì)不同電位器的觸點(diǎn)位置進(jìn)行記憶。

結(jié)束語(yǔ)

高分辨率指數(shù)式數(shù)字電位器的解決方案以較低成本實(shí)現(xiàn)了通用型線性數(shù)字電位器在音響系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有較好的工程應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。此外，由于DCP的指數(shù)式高分辨率擴(kuò)展僅僅占用了很少的系統(tǒng)資源，因而可將MCU的剩余端口資源應(yīng)用在音量狀態(tài)的指示以及紅外信號(hào)解碼等功能性環(huán)節(jié)中，以完善系統(tǒng)功能。