从机械到数字：DS3502 如何解决传统电位器的精度、漂移与自动化痛点

前面我们说到，AD9833 芯片输出正弦波和三角波时波形幅度为 38mV~650mV，当我们需要波形幅度更大的正弦波和三角波时，需要借助运算放大器来增强幅度，常见的运算放大电路有同相放大电路和反相放大电路两种，如下图所示：

其中，同相放大电路放大倍数为

$$
A_v = 1 + \frac{R_f}{R_{\text{in}}}
$$

，反相放大电路倍数为

$$
A_v = -\frac{R_f}{R_{\text{in}}}
$$

，其中$$R_f$$是反馈电阻，$$R_{\text{in}}$$是输入电阻。同相放大电路的输出信号与输入信号同相，输入阻抗较高而输出阻抗较低，可以直接与高阻抗信号源连接；反相放大电路的输出信号与输入信号反相，输入阻抗由输入电阻决定，输出阻抗较低，适合用于低阻抗负载。如果我们想要调节运算放大电路的放大倍数，通常可以将反馈电阻（

$$
R_f
$$

）替换成一个旋钮电位器（可调电阻），这种方式简单直观，能够实现增益的调节：

但是通过旋钮电位器调节放大电路倍数也有一些缺点：

• ​机械振动对调整的影响：​旋钮电位器是机械式元件，容易受到机械振动的影响，导致增益不稳定或漂移
• ​定位精度较低：​旋钮电位器的增益调整精度有限，尤其是在高精度的信号调理电路中需要微小调整时，旋钮的标记不够精确，容易出现误差
• ​不易自动化调节：​旋钮电位器通常需要人工手动调整，不适合自动化控制或程控调整
• ​长时间使用后的磨损：​旋钮电位器是机械元件，随着时间的推移和长时间使用，可能会因为摩擦、磨损导致性能下降，调整不再顺畅，甚至失效

此时我们可以使用数字电位器代替旋钮电位器来改变信号幅度，相比于运算放大器上的旋钮电位器，数字电位器具有如下优点：

• ​定位精度高：​数字电位器使用数字信号来精确控制电阻的调整，这意味着调节的每一步都能准确到达预定的值，具有非常高的精度。
• ​不受机械振动的影响：​数字电位器没有机械部件，它依赖于数字信号进行控制，因此不受外界机械振动、冲击或长时间使用引起的磨损影响，稳定性更好。
• ​程控​调节，适合自动化：数字电位器可以通过微控制器、计算机等设备进行控制，因此非常适合自动化系统、半自动化调节、远程控制等场景。

除此之外，我们也可以利用数字电位器来模拟 DAC 的功能，在低频信号生成电路中，数字电位器可用于调整波形幅度从而生成简单的模拟信号。

在以下内容中，我们讨论两种通信接口的数字电位器芯片：

• ​MCP41010：​采用 SPI 接口，需 3 根通信线（SCK、MOSI、CS），该数字电位器芯片适合与 AD9833 芯片配合使用实现输出电压幅度调节，其选用原因在于：
  • AD9833 本身通过 SPI 配置（AD9833 的默认接口为 SPI），MCP41010 可与 AD9833 复用同一 SPI 总线，仅需额外分配一个片选（CS）引脚，节省 GPIO 资源。
  • MCP41010 的 SPI 通信接口速率高（典型值 10MHz），可快速更新电阻值，响应速度更快。
  • MCP41010 是 8 位分辨率（256 级）的数字电位器，调节步长更细，适合需要高精度幅度控制的场景。
• ​DS3502：​采用 I2C 接口，需 2 根通信线（SDA、SCL），该数字电位器芯片适合需要连接多个 I2C 设备、并且对分辨率要求不高的场景使用：
  • DS3502 芯片为 7 位分辨率，可满足基本电压/电流调节需求，例如 LED 照明调光等。
  • DS3502 通过 I2C 地址（支持 4 个可选地址）共享总线，同时 I2C 总线在空闲时功耗极低，适合于需多个电位器协同工作（如音频多通道均衡器）或便携式设备中使用。

大家可以根据自己具体应用场景进行选择。

1.DS3502 数字电位器芯片

1.1 数字电位器 DS3502 简介

DS3502 是一款 7 位数字电位器，我们可以使用微控制器通过 I2C 接口与其进行通信调节其阻值，DS3502 提供 128 个电阻值的调节，该器件支持多种电源电压，通常在 2.7V 至 5.5V 之间工作。

DS3502 能够在高达 400kHz 的速度下工作，最大电阻值为 10kΩ，通过调节两个地址设定引脚，同一总线上最多支持四个 DS3502 数字电位器，并且它还具有 EEPROM 功能，可在断电后保存设置的 7 位电阻值。

DS3502 引脚及功能如下所示：

1.2 DS3502 芯片内部结构和工作原理

DS3502 芯片内部结构如下所示，其核心单元包括 I2C 通信接口、控制寄存器、滑动寄存器和电阻网络：

DS3502 的滑动位置由滑动寄存器（Wiper Register，WR）中的值控制，在上电时，滑动位置的初始值由初始值寄存器（Initial Value Register，IVR）编程设置；上电后，IVR 寄存器中的数据会被加载到 WR 寄存器中，从而设置电位器滑动端（RW）的初始位置。

控制寄存器（Control Register，CR）位于地址 02h，包含 WR/IVR 地址模式位（MODE 位），MODE 位决定了如何通过 I2C 写入 WR 和 IVR 数据寄存器：

• ​MODE = 0​：I2C 写入地址 00h 时，将数据写入 WR 和 IVR（CR = 00h）；I2C 从地址 00h 读取时，返回 WR 的内容，该模式由于涉及到 EEPROM 寄存器写入因此速度较慢
• ​MODE = 1​：I2C 写入地址 00h 时，仅写入 WR（CR = 80h），I2C 从地址 00h 读取时，仍返回 WR 的内容，该模式允许快速写入 SRAM，而无需等待与 EEPROM 寄存器的写入延迟

EEPROM 和 SRAM 中的数据在切换 MODE 位时保持不变，上电时，CR 控制寄存器默认值为 00h。

DS3502 的电位器由 127 个串联电阻构成，连接在 RH 和 RL 引脚之间，通过改变滑动寄存器（Wiper Register，WR）中的值（十进制值，0 到 127 之间），DS3502 内部的解码器会控制特定的 MOS 管导通或关断，MOS 管在电阻网络中的作用是作为开关，用于选择滑动端（RW）与某个电阻节点相连：

• ​MOS 管导通​：当控制信号使得某个 MOS 管导通时，该 MOS 管对应的电阻段被加入到电路中
• ​MOS 管关断​：当 MOS 管关断时，对应的节点与滑动端 RW 断开，电流无法通过该路径，RW 与该电阻段无关

利用这个原理，我们可以通过调节 DS3502 的电位器滑动端电阻值来实现不同电压输出，若 RH、RL 和 RW 以分压器配置连接，RW 上的电压可以使用以下公式计算：

$$
V_{RW} = V_{RL} + \frac{(V_{RH} - V_{RL}) \times WR}{127}
$$

其中，

$$
WR
$$

是滑动位置，以十进制表示（0-127），$$V_{RL}$$是 RL 端的电压，$$V_{RH}$$是 RH 端的电压。这里，在 DS3502 芯片数据手册中电气参数中，我们可以看到滑动端调整到新的电阻值后，需要 1μs（即 Wiper 反应时间 tWRS）才能稳定：

因此，理论上当 DS3502 作为可变分压器调整输出电压时最高工作频率为 1 MHz（1/tWRS）。

1.3 DS3502 芯片的通信协议

DS3502 芯片的 I2C 通信地址由 A1、A0 两个引脚决定：

使用微控制器向 DS3502 芯片写入单字节数据时，需要写入设备地址（下图中 A0 和 AI 都与 GND 进行连接）、寄存器地址和写入数据，如下所示：

例如，写入 WR 寄存器时，通信流程如下：

当控制 CR 寄存器 MODE 位为 0 时，由于涉及到 EEPROM 寄存器写入需要一定时间，此时主设备可以通过重复寻址 DS3502 查看其是否响应来判断 DS3502 是否完成 EEPROM 寄存器的写入；或者直接等待 EEPROM 最大写入时间（tW），该时间在 DS3502 数据手册的电气参数章节可以找到，为 20ms：

使用微控制器向 DS3502 芯片读取单字节数据时，以读取 CR 控制寄存器的值为例：

1. 首先发送从设备地址字节，设置 R/W 位为 0，进行一次假写操作，从机发送 ACK 响应信号
2. 写入想要读取的内存地址 02h，从机发送 ACK 响应信号
3. 生成重复的 START 条件，以保持通信
4. 再次写入从设备地址，设置 R/W 位为 1，表示要读取数据
5. 从机发送对应寄存器的单字节数据，主设备读取数据字节，使用 NACK 信号指示传输结束，并生成 STOP 条件

当我们使用 DS3502 芯片时，需要注意在电源引脚（VCC）和滑动电压引脚（V+）使用 0.01µF 和 0.1µF 的电容进行去耦，并且对 SDA 和 SCL 引脚使用 4.7kΩ 的上拉电阻；并且如果 RH 的电压高于 VCC，V+ 必须与 RH 保持相同或更高的电压，即需要将 V+ 与 RH 进行连接。

同时，需要注意的是，滑动电压引脚（V+）的电压范围是 +4.5V 到 15.5V：