数字电位器的控制与调试.doc

数字电位器的控制
数字电位器简介：
数字电位器是采用CMOS工艺制成的数模混合信号处理集成电路，也称数控可编程电阻器。采用是数控方式调节电阻值大小，多用多晶硅或薄膜电阻材料，从而有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声等特点。同时有体积小、节省印制板空间，易于安装，不易污损、抗振动、抗干扰、寿命长、不易受环境温度影响等优点。基于上述内容，数字电位器已被广泛用于医疗保健设备、仪器仪表、通信设备、工业控制、家用电器、数码产品等各领域。数字电位器是一种有发展前景的新型器件。与机械电位器相比，具有许多优点，在许多领域可取代机械电位器。任何用电阻进行参数调整、校准或控制的领域，都可用数字电位器构成可编程模拟电路进而进行调整。

一、实验目的：
根据时序图和真值表设计按钮控制数字电位器控制电路：
1．基本要求：按住控制键，数字电位器阻值连续变化。
2．扩展要求：可使用Protues等软件进行仿真设计。
*3．扩展电路要求：按住控制键，数字电位器阻值连续变化且变化速度递增/递减。
二、实验仪器
1.带有异步置位、复位端的JK触发器，NE555，74LS04非门。
2.X9C104数字电位器。
3.电阻，单刀单掷开关和双刀双掷开关，导线。

三、实验原理：
1．电位器原理：
数字电位器属集成化三端可变电阻器件，等效电路如图1所示。当数字电位器作分压器使用时，其高、低、滑动端电压分别用UH、UL、UW表示；作可调电阻器使用时，其高、低、滑动端电阻分别用RH、RL、RW表示。

图1等效电路
将n个阻值相同或不同电阻串联在UH、UL端之间，每个电阻两端分别经过一个由CMOS管而构成模拟开关连在一起，作为数字电位器抽头，在数字信号控制下每次只能有一个模拟开关闭合，从而将串联电阻的一个节点连接到滑动端。亦即，当外部计数脉冲信号停止或片选信号无效后，译码电路输出端只有一个有效，故只选择一个MOS管导通。数字电位器的内部简化电路，如图2所示。

图2 内部简化电路
数字控制部分的存储器是一种断电非易失性存储器，电路再次上电时，数字电位器中仍保存着原有控制数据，其中间抽头到两端点之间的电阻值仍是上一次的调整结果。数控电位器的原理示意图如图3所示。假定数控电位器为16抽头，步进量为660Ω，滑动端每移动一步，输出电阻值就增加660Ω。考虑到滑动端无论处于哪一位置，都接着一只模拟开关，该模拟开关的电阻值就是滑动端电阻，也是数控电位器的起始电阻。现假定滑动端电阻为100Ω，当滑动端移动15步时就到达RH端与RL端之间的输出电阻应为100Ω+660Ω×15=10Ω。

图3 数控电位器的原理示意图
2．电路控制原理：　
电位器CS端在器件工作期间保持为低电平。INC为脉冲信号，U/D端为电位器阻值或电压的调节端。在CS端与INC端正常工作的状态下，当U/D端为高电平的时候，电位器的阻值或电压逐渐变大，当U/D端处于低电平时，则相反。当CS端和INC端同时为高时将当前的寄存器数据锁存入存储器,达到重新上电后数字电位器阻值不变的目的。
数控电位器控制时序图如下：
CS

INC

U/D

CS INC U/D 方式
L H 向上滑动
L L 向下滑动
H X 存储滑动位置
H X X 等待电流
L X 不存储，返回等待
图4 引脚配置及引脚说明
引脚配置如下图所示：

3．NE555构成的多谐振荡器
由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。电路没有稳态,只有两个暂稳态,也不需要外加触发信号,利用电源Vcc通过R1和R2向电容器C充电,使Uc逐渐升高,升到2VCC/3时,Uo跳变到低电平,放电端D导通,这时,电容器C通过电阻R2和D端放电,使Uc下降,降到VCC/3时,Uo跳变到高电平,D端截止,电源Vcc又通过R1和R2向电容器C充电。如此循环,振荡不停, 电容器C在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电,输出连续的矩形脉冲,其波形如图(D)所示。

由图（D）可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。
充电时间
放电时间
矩形波的振荡周期
因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。
对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图（C）所示电路输出矩形波的占空比。
4．带异步置位，复位端的JK触发器构成的T触发器
由于T触发器没有专门的商品电路，通常由JK触发器构成，先来了解下JK触发器，因为JK触发器属于主从触发器，所以触发条件为一个正脉冲，即这样一个波形：_|¯|_。所以它的状态转换表为表1
CP
J
K
Qn+1
Qn+1的非
0
-
-
Qn
Qn的非
_|¯|_
0
0
Qn
Qn的非
_|¯|_
0
1
0
1
_|¯|_
1
0
1
0
_|¯|_
1
1
Qn的非
Qn
因此JK触发器有这样的表达式：

所以把JK触发器改装成T触发器非常简单，如图5所示

图5 JK触发器构成的T触发器
由JK触发器的公式可知，当J=K=T时，则可得如下转换，由此得到T触发器，当J=K=1时，则Q*=Q’,可知当一个脉冲输入时，T触发器输出的下一个状态总是与第一个状态相反。
四、实验步骤
1．电路的焊接
老师提供的电路图如下

根据老师提供的电路图和PCB板合理的布局，然后从左到右认真的焊接，焊接当中必须按照老师所说的五步焊接法，五步焊接法如下所述：
①、准备施焊
准备好焊锡丝和烙铁。此时特别强调的施烙铁头部要保持干净，即可以沾上焊锡（俗称吃锡）。
②、 加热焊件
　　将烙铁接触焊接点，注意首先要保持烙铁加热焊件各部分，例如印制板上引线和焊盘都使之受热，其次要注意让烙铁头的扁平部分（较大部分）接触热容量较大的焊件，烙铁头的侧面或边缘部分接触热容量较小的焊件，以保持焊件均匀受热。
③、 熔化焊料
　　当焊件加热到能熔化焊料的温度后将焊丝置于焊点，焊料开始熔化并润湿焊点。
④、 移开焊锡
　　当熔化一定量的焊锡后将焊锡丝移开。
⑤、移开烙铁
　　当焊锡完全润湿焊点后移开烙铁，注意移开烙铁的方向大致是45°的方向。
2．电路的仿真
1.通过Protues仿真软件绘出数字电位器控制电路图如下所示

说明：
①、当开关UP开关和DOWN开关都断开时，CS端、INC端和U/D端都为高电平。
②、当开关UP合上，DOWN断开时，则T触发器S端为高电平，S端无效，INC端产生脉冲信号，CS端为低电平，U/D端为高电平，电位器电压或阻值变大，当UP端断开时，则T触发器S端为低电平，S端有效，将输出T触发器输出的信号变为高电平，电位器停止电压或阻值停止上升并保存，CS端回到高电平。
③、当开关DOWN合上，UP断开时，则T触发器S端为高电平，S端无效，INC端产生脉冲信号，CS端为低电平，U/D端为低电平，电位器电压或阻值变小，当DOWN端断开时，则T触发器S端为低电平，S端有效，将输出T触发器输出的信号变为高电平，电位器停止电压或阻值停止下降并保存，CS端回到高电平。

2．NE555构成的多谐振荡器如下图所示

3．由JK触发器构成的T触发器如下图所示

4.当开关UP开关与DOWN开关都断开时，则仿真示波器显示如下图

5.当开关UP合上，DOWN断开时，则仿真示波器显示如下图

6.当UP断开，DOWN合上时，则仿真示波器显示如下图

五、实验小结
通过这次实习，我学到了许多书本中学不到的东西，我通过自己的亲身的体验了从设计到制作和调试电路的全过程，在设计电路当中，我查阅了大量的资料，分析与该次所需要设计的电路有关的电路图，并用Protues软件进行仿真检验电路设计的合理与否，最后通过自己的努力设计出了数字电位器的控制电路并进行仿真，通过多次的修改和检验最终取得了成功，自己也为之而感到自豪。在焊接电路方面，我遇到了很多的问题，比如如何合理在PCB板上布局，如何学习焊接并使焊接的效果达到最佳，最终通过我不断的努力，虽然布局有点乱，但是看到自己的劳动成果，心里很满意。在调试阶段，我认真的检查电路板的波形，并发现问题，根据电路图迅速的查找问题的出处并改正。总之，这次实习使我了解并明白了设计和制作一个可用产品的艰难，也使我在运用前人的知识和自己的智慧基础上最终取得成功，锻炼了自己坚强的意志，增加了自己的自信心，为学好自己的专业知识奠定了良好的基础。

2012年7月4日