摘要：近代雷達多通道接收機采用機械電位器進行通道間幅度校準，機械電位器不能在艦栽機的濕熱及高震動條件下穩定可靠的工作，為避免這一缺點，擬采用數字電位器替代機械電位器。在分析了現有機械電位器應用電路的基礎上，提取出數字電位器性能指標要求，然后使用數字電位器模型進行了分析、仿真。最后選用X9312進行了常溫試驗和高低溫試驗，實驗結果表明數字電位器可以替代機械電位器進行多通道接收機幅度較準，從而使改進后的多通道接收機適用于艦載機的工作環境。
關鍵詞：數字電位器；機械電位器；雷達多通道接收機；X9312
雷達多通道接收機要求各通道在輸入同一信號時，輸出信號幅度差控制在一定的范圍內。多通道接收機會用一個可調環節來保證通道增益的一致性。某種雷達接收機通過調整機械電位器來調整放大器的增益，從而保證通道一致性。但是機械電位器不適用工作于艦載機的高濕熱及震動條件下，所以本文討論用數字電位器替代機械電位器的可行性及要求。
1 機械電位器與數字電位器優缺點
機械電位器是無源器件，阻值連續可調，連接使用方便。但有以下缺點：不容易從雷達接收機外部調節；抗震性能不好；端子有機械磨損，時間久了阻值會變化。生產過程中其調整次數有限；調整周期長；調整端子需要涂覆固定。工作于艦載機等高濕熱、震動條件時，機械電位器環境適應性差問題突出。
數字電位器為采用集成電路工藝制成的三端可變電阻器件，具有以下優點：無滑片磨損；重復性好，密封性好，不易受污染，防潮濕，抗震動，抗沖擊。生產時容易與單片機或計算機接口，可從分組件外自動調節。調整后的電阻值基本不受溫度、濕度、壓力等環境因素的影響，使用壽命長，能提高系統的可靠性。以上特性為其工藝本身所特有的優點，所以只要其電性能可以替代機械電位器，就可以提高電路的環境適應性。
2 現有機械電位器電路分析
為保證選用數字電位器后對目前電路兼容，先對現有機械電位器工作電路進行分析。
機械電位器應用于可調增益放大器的原理如圖1所示。圖1中V_ADJ是可調增益放大器的增益調整端，改變V_ADJ電壓可調整通道的增益，R1為2 kΩ可調電阻，R2為固定電阻，調整R1的阻值間接改變了放大器的增益。實測的放大器V_ADJ電壓與輸出增益之間的關系如表1所示。
由此繪制的控制電壓與增益之間的曲線如圖2所示。
分析其中的線性增益部分，可得以下結論：調整機械電位器實際改變了控制端的電壓，該電壓在4．4～7．4 V范圍內每增加0．1 V，輸出增益增加約1．38 dB。該指標是數字電位器的選型基礎。
3 數字電位器基本原理
數字電位器內部簡化原理如圖3所示。將n只結構相同的電阻串聯在RH，RL之間，每只電阻的兩端分別經過一個由CMOS管或者NMOS管構成的模擬開關連在一起，作為數字電位器的抽頭，這種模擬開關等效為單刀單擲開關，在數字信號的控制下每次只能有一個模擬開關閉合，從而將串聯電阻的一個節點連接到滑動端。
對數字電位器集成電路進行計算機仿真的SPICE(Simulation Program with Intergrate Circuit Emphasis)模型如圖4所示。其中R為數字電位器的總電阻，RW為滑動端電阻，CW為滑動端的電容，CH和CL分別為數字電位器高端、低端對地的電容，因所論述的數字電位器工作在近似直流的條件下，所以不考慮其中的分布電容對電路性能的影響。
4 數字電位器選型過程
數字電位器選型時主要考慮以下指標：觸點數；總阻值及誤差；引腳電壓；滑動端電阻及最大電流；溫度系數。
4．1 觸點數選擇
因所選數控電位器線性控制電壓在4．4～7．4 V之間，所以計算可得數字電位器觸點數與最高控制精度之間的關系如表2所示。
兼顧指標和成本，選擇數字觸點數為100或128的數字電位器。
4．2 數字電位器滿量程電阻值選擇
數字電位器常見的滿量程阻值有以下幾種：1 kΩ，10 kΩ，50 kΩ。
數字電位器阻值選取時需考慮：其工作電流要遠大于V_ADJ端的電流，同時最大工作電流一般不超過3 mA。所以選取阻值為10 kΩ。
4．3 數字電位器其他參數選擇
4．3．1 工作電壓選擇
由上述電路分析可知，數字電位器的I／O端口工作電壓為0～15 V。
4．3．2 接口選擇
數字電位器常見的接口包括以下8種：按鍵式接口，單線接口，I2C總線接口，三線加減式串行接口，SPI總線接口，Microwire總線接口和兩線并行接口。受多通道接收機PCB板上面積限制，所選器件在保證性能的前提下優先選擇引腳數比較少的器件。
4．3．3 偏置電路選擇
為保證數字電位器步進精度，在總阻值為10 kΩ時，分壓范圍需處于4．4～7．4 V，所以需要為其選擇合適的分壓電阻R1和R2，其仿真電路如圖5所示，仿真結果如圖6所示。
由圖5和圖6可見，在選取R1=6．56 kΩ和R2=15．8 kΩ后，可調電位器的阻值步進使控制電壓處于線性段，從而達到線性調節通道增益的目的。
5 數字電位器X9312
X9312為Intersil公司的數字電位器，其主要性能參數如表3所示。
由表3可知，X9312滿足多通道接收機增益調整電路對數字電位器的所有要求，下面主要對該器件RW電阻和溫度系數對控制端電壓的影響及接口設計進行簡要分析。
5．1 滑動端電阻RW對控制端電壓的影響
RW為數字電位器的觸頭電阻，電路中相當于在圖3所示的R2和R_VAR之間串聯了一個40 Ω的電阻。該電阻與R2(15．8 kΩ)串聯分壓最大為75 nV，所以可忽略該電阻對通道增益的影響。
5．2 溫度系數對控制端電壓的影響
X9312溫度系數為±20 ppm，當R_VAR阻值為10 kΩ時，全溫度范圍內電阻值變化為±0．2 Ω，對分壓基本無影響，所以認為數字電位器阻值在全溫度范圍內不變。
5．3 數字電位器控制電路設計
數字電位器通過處理機和三根數據線進行電阻的調節和數據的鎖存，在此不詳細分析其控制時序，僅討論端的電路設計。
端在器件工作期間保持為低電平。當端和端同時為高時將當前的寄存器數據鎖存入存儲器，達到重新上電后數字電位器阻值不變的目的。所以端需要工作在高或者低的狀態下，為達到該目的，將端通過10 kΩ下拉電阻進行接地。加過下拉電阻后的端正常工作時為低電平，需要鎖存數據時，外部將該端電平設置為高即可。控制接口電路圖如圖7所示。
6 高低溫測試數據分析
在高溫和低溫條件下對數字電位器電路進行測試，為了忽略放大器增益隨溫度變化對數字電位器分壓特性的影響，選擇測量V_ADJ端電壓進行記錄。只要V_ADJ端控制電壓控制特性良好就說明數字電位器有良好的分壓特性。
全溫度范圍內測得的V_ADJ端電壓與仿真及計算結果相同，控制端電壓變化小于1 mV，所以僅用常溫數據繪制V_ADJ電壓與數字電位器控制值的關系。結果如圖8所示。
由圖8可知，當數字電位器的控制值步進時，V_ADJ端電壓近似線性地進行步進，從而使放大器增益以0．47 dB步進調整。證明可以用數字電位器來代替模擬電位器進行多通道接收機的幅度校準。
7 結語
由上述論述可知，X9312完全可以滿足雷達多通道接收機對增益調整的要求。所需外圍電路與傳統的機械電位器相比有所增加，但是可以明顯地提高雷達多通道接收機在溫度、濕熱和振動條件下的可靠性。