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技術(shù)文章

電位器的原理及應(yīng)用
DQZHAN技術(shù)訊：電位器的原理及應(yīng)用
簡介電位器 （英文：Potentiometer）是可變電阻器的一種。通常是由電阻體與轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成，即靠一個動觸點在電阻體上移動，獲得部分電壓輸出。
電位器的作用——調(diào)節(jié)電壓（含直流電壓與信號電壓）和電流的大小。
電位器的結(jié)構(gòu)特點——電位器的電阻體有兩個固定端，通過手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸或滑柄，改變動觸點在電阻體上的位置，則改變了動觸點與任一個固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。
電位器是一種可調(diào)的電子元件。它是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個固定觸點之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓。它大多是用作分壓器，這時電位器是一個四端元件。電位器基本上就是滑動變阻器，有幾種樣式，一般用在音箱音量開關(guān)和激光頭功率大小調(diào)節(jié)電位器是一種可調(diào)的電子元件。
用于分壓的可變電阻器。在裸露的電阻體上，緊壓著一至兩個可移金屬觸點。觸點位置確定電阻體任一端與觸點間的阻值。按材料分線繞、碳膜、實芯式電位器；按輸出與輸入電壓比與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系分直線式電位器（呈線性關(guān)系）、函數(shù)電位器（呈曲線關(guān)系）。主要參數(shù)為阻值、容差、額定功率。廣泛用于電子設(shè)備，在音響和接收機(jī)中作音量控制用。
2分類電位器 電位器
從外觀看，脈沖電位器與普通電位器一樣都是三個引腳，但在其內(nèi)部與引腳1、2相連的是兩個長短不一的金屬靜片，與引腳3相連的是一周有12或24個齒的金屬動片。當(dāng)脈沖電位器旋轉(zhuǎn)時可出現(xiàn)四種狀態(tài)：即引腳3與引腳1相連，引腳3與引腳2及引腳1全相連；引腳3與引腳2相連，引腳3與引腳2及引腳1全斷開。
在實際使用中，一般將引腳3接地作為數(shù)據(jù)輸入端。而引腳1、2作為數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)I/O 口相連。如圖2中所示，將引腳1與單片機(jī)的P1.0相連，引腳2與單片機(jī)的P1.1相連。當(dāng)脈沖電位器**或右旋時，P1.0和P1.1就會周期性地產(chǎn)生所示的波形，如果是12點的脈沖電位器旋轉(zhuǎn)一圈就會產(chǎn)生12組這樣的波形，24點的脈沖電位器就會產(chǎn)生24組這樣的波形；一組波形（或一個周期）包含了4個工作狀態(tài)。因此只要檢測出P1.0和P1.1的波形，就能識別脈沖電位器是否旋轉(zhuǎn)是**還是右旋。
3識別進(jìn)一步分析右的波形并按時間軸展開可以看出，雖然脈沖電位器**和右旋的波形都相同。但**時，在第1狀態(tài)，腳1先比腳2變?yōu)榈碗娖剑辉诘?狀態(tài)，腳2也變?yōu)榈碗娖剑辉诘?狀態(tài)，腳1先比腳2變?yōu)楦唠娖剑辉诘?狀態(tài)，腳2也變?yōu)楦唠娖剑幻}沖電位器右旋時，腳1和腳2輸出波形的變化規(guī)律正好與**相反。故可根據(jù)時間識別法（比較P1.0與P1.1低電平出現(xiàn)和結(jié)束的時差）來識別脈沖電位器是**還是右旋。在動態(tài)掃描中，因采樣頻率操作速度等因素的影響，實際上很難測出P1.0和P1.1的波形；也很難測準(zhǔn)P1.0與P1.1低電平出現(xiàn)和結(jié)束的時差，只能快速地對P1.0和P1.1電平采樣。對應(yīng)圖1所示波形按時間軸展開，每當(dāng)P1.0和P1.1的組合電平依次為01 00 10 11四種狀態(tài)碼組成一個字節(jié)即4BH 時，就表示**一位音量減1。而每當(dāng)P1.0和P1.1的組合電平依次為10 00 01 11四種狀態(tài)碼組成一個字節(jié)即87H時；就表示右旋一位音量加1。這里將“4BH”稱為**一位的特征碼，“87H”稱為右旋一位的特征碼。編程的任務(wù)就是要在脈沖電位器旋轉(zhuǎn)過程中識別出這兩種特征碼，并以此為依據(jù)，對音量進(jìn)行增減控制。實際編程時可以用不同的方法識別出這兩種特征碼。但我們在實踐中經(jīng)過比較，用狀態(tài)（位置）采樣法實現(xiàn)編程是較為理想的一種方法。這種方法對采樣頻率和操作速度沒有特別要求，也可不用定時器和中斷資源，只需在主程序里面就能完成，而且具有編程簡單抗干擾能力強(qiáng)工作可靠的優(yōu)點。
由于脈沖電位器在工作過程中有三種情形：一是沒有被旋轉(zhuǎn)而停留在某一狀態(tài)（位置）；二是雖然被旋轉(zhuǎn)但沒有完成一個周期（4個狀態(tài)）而停留在某一狀態(tài)；三是不停地被旋轉(zhuǎn)而超過一個周期。狀態(tài)（位置）采樣法就是要準(zhǔn)確地跟蹤識別和記錄脈沖電位器變化的每一個狀態(tài)值（包括位置值和它對應(yīng)的特征碼）。程序一開始就要識別出脈沖電位器所處的現(xiàn)態(tài)位置和其對應(yīng)的特征碼；隨后不斷跟蹤掃描記錄脈沖電位器的每一變化過程。顯然，脈沖電位器只有旋轉(zhuǎn)到第4個狀態(tài)才有一個我們所需要的特征碼出現(xiàn)，程序根據(jù)這個特征碼的性質(zhì)再對音量進(jìn)行加減控制。
電位器 電位器
4符合度符合度又叫符合性，它是指電位器的實際輸出函數(shù)特性和所要求的理論函數(shù)特性之間的符合程度。它用實際特性和理論特性之間的*大偏差對外加總電壓的百分?jǐn)?shù)表示，可以代表電位器的精度。
5分辨力分辨力決定于電位器的理論精度。對于線繞電位器和線性電位器來說，分辨力是用動觸點在繞組上每移動一匝所引起的電阻變化量與總電阻的百分比表示。對于具有函數(shù)特性的電位器來說，由于繞組上每一匝的電阻不同，故分辨力是個變量。此時，電位器的分辨力一般是指函數(shù)特性曲線上斜率*大一段的平均分辨力。
6滑動噪聲滑動噪聲是電位器特有的噪聲。在改變電阻值時，由于電位器電阻分配不當(dāng)、轉(zhuǎn)動系統(tǒng)配合不當(dāng)以及電位器存在接觸電阻等原因，會使動觸點在電阻體表面移動時，輸出端除有有用信號外，還伴有隨著信號起伏不定的噪聲。
對于線繞電位器來說，除了上述的動觸點與繞組之間的接觸噪聲外，還有分辨力噪聲和短接噪聲。分辨力噪聲是由電阻變化的階梯性所引起的，而短接噪聲則是當(dāng)動觸點在繞組上移動而短接相鄰線匝時產(chǎn)生的，它與流過繞組的電流、線匝的電阻以及動觸點與繞組間的接觸電阻成正比。
7機(jī)械壽命電位器的機(jī)械壽命也稱磨損壽命，常用機(jī)械耐久性表示。機(jī)械耐久性是指電位器在規(guī)定的試驗條件下，動觸點可靠運動的總次數(shù)，常用 "周"表示。機(jī)械壽命與電位器的種類、結(jié)構(gòu)、材料及制作工藝有關(guān)，差異相當(dāng)大。
除了上述的特性參數(shù)外，電位器還有額定功率、阻值允許偏差、*大工作電壓、額定工作電壓、絕緣電壓、溫度參數(shù)、噪聲電動勢及高頻特性等參數(shù)，這些參數(shù)的意義與電阻器相應(yīng)特性參數(shù)的意義相同。
8分類組成電位器的關(guān)鍵零件是電阻體和電刷。根據(jù)二者間的結(jié)構(gòu)形式和是否帶有開關(guān)，電位器可分為幾種類型。相關(guān)書籍 相關(guān)書籍
電位器還可按電阻體的材料分類，如線繞、合成碳膜、金屬玻璃釉、有機(jī)實芯和導(dǎo)電塑料等類型，電性能主要決定于所用的材料。此外還有用金屬箔、金屬膜和金屬氧化膜制成電阻體的電位器，具有特殊用途。電位器按使用特點區(qū)分，有通用、高精度、高分辨力、高阻、高溫、高頻、大功率等電位器；按阻值調(diào)節(jié)方式分則有可調(diào)型、半可調(diào)型和微調(diào)型，后二者又稱半固定電位器。 為克服電刷在電阻體上移動接觸對電位器性能和壽命帶來的不利影響，又有無觸點非接觸式電位器，如光敏和磁敏電位器等，供少量特殊應(yīng)用。
線繞電位器：具有高精度、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)小，接觸可靠等優(yōu)點，并且耐高溫，功率負(fù)荷能力強(qiáng)。缺點是阻值范圍不夠?qū)?、高頻性能差、分辨力不高，而且高阻值的線繞電位器易斷線、體積較大、售價較高。這種電位器廣泛應(yīng)用于電子儀器、儀表中。 線繞電位器的電阻體由電阻絲纏繞在絕緣物上構(gòu)成，電阻絲的種類很多，電阻絲的材料是根據(jù)電位器的結(jié)構(gòu)、容納電阻絲的空間、電阻值和溫度系數(shù)來選擇的。電阻絲越細(xì)，在給定空間內(nèi)越獲得較大的電阻值和分辨率。但電阻絲太細(xì)，在使用過程中容易斷開，影響傳感器的壽命?？烧{(diào)繞線電位器 可調(diào)繞線電位器
合成碳膜電位器：具有阻值范圍寬、分辨力較好、工藝簡單、價格低廉等特點，但動噪聲大、耐潮性差。這類電位器宜作函數(shù)式電位器，在消費類電子產(chǎn)品中大量應(yīng)用。采用印刷工藝可使碳膜片的生產(chǎn)實現(xiàn)自動化。碳膜電位器 碳膜電位器
有機(jī)實芯電位器：阻值范圍較寬、分辨力高、耐熱性好、過載能力強(qiáng)、耐磨性較好、可靠性較高，但耐潮熱性和動噪聲較差。這類電位器一般是制成小型半固定形式，在電路中作微調(diào)用。
金屬玻璃釉電位器　它既具有有機(jī)實芯電位器的優(yōu)點，又具有較小的電阻溫度系數(shù)（與線繞電位器相近），但動態(tài)接觸電阻大、等效噪聲電阻大，因此多用于半固定的阻值調(diào)節(jié)。這類電位器發(fā)展很快，耐溫、耐濕、耐負(fù)荷沖擊的能力已得到改善，可在較苛刻的環(huán)境條件下可靠地工作。
導(dǎo)電塑料電位器：阻值范圍寬、線性精度高、分辨力強(qiáng)，而且耐磨壽命特別長。雖然它的溫度系數(shù)和接觸電阻較大，但仍能用于自動控制儀表中的模擬和伺服系統(tǒng)。
數(shù)字電位器：采用集成電路技術(shù)制作的電位器；把一串電阻集成到一個芯片內(nèi)部，采用MOS管控制電阻串聯(lián)
網(wǎng)絡(luò)與公共端連接；控制精度由控制的bit位數(shù)決定，一般為8位、10位、12位等；可以使用到模擬電路中做阻抗匹配、放大回路的放大倍數(shù)控制等；避免了抖動調(diào)節(jié)操作麻煩；為設(shè)備的自動增益、電壓變化、阻抗匹配等提供了便捷方式。
多圈精密可調(diào)電位器：在一些工控及儀表電路中，通常要求可調(diào)精度高。為了適應(yīng)生產(chǎn)需要。這類電路采用一種多圈可調(diào)電位器。這類電位器具有步進(jìn)范圍大！精度高等優(yōu)點。多圈精密可調(diào)電位器 多圈精密可調(diào)電位器
電阻材質(zhì)分類
碳膜式（Carbon Film）：使用碳膜作為電阻膜。
瓷金膜（Metal Film）：使用以陶瓷（ceramic）與金屬（metal）材質(zhì)混合制成的特殊瓷金（cermet）膜作為電阻膜。
線繞式（Wirewound）：使用金屬線繞制作為電阻。比起碳膜或瓷金膜而言，可承受較大功率。
構(gòu)造分類
旋轉(zhuǎn)式：常見的形式。通常的旋轉(zhuǎn)角度約 270～300 度。
單圈式：常見的形式。
多圈式：用于須精密調(diào)整的場合。
直線滑動式：通常用于混音器，便于立即看出音量的位置與做淡入淡出控制。
數(shù)量分類
單聯(lián)式：一轉(zhuǎn)軸只控制單一電位器。
雙聯(lián)式：兩個電位器使用同一轉(zhuǎn)軸控制，主要用于雙聲道中，可同時控制兩個聲道。
電阻值變化尺度分類
線性尺度式：電阻值的變化與旋轉(zhuǎn)角度或移動距離呈線性關(guān)系，此種電位器稱為 B 型電位器。
對數(shù)尺度式：電阻值的變化與旋轉(zhuǎn)角度或移動距離呈對數(shù)關(guān)系，此種電位器主要用途是音量控制，其中常用的是 A 型電位器，適合順時針方向為大音量、逆時針方向為小音量的場合；此外，另有對數(shù)尺度的變化方向相反的 C 型電位器。
其他特別型式
附開關(guān)電位器：通常用于將音量開關(guān)與電源開關(guān)合一，即逆時針旋轉(zhuǎn)至底使開關(guān)切斷而關(guān)閉電源。[1]
9作用電位器在電路中的主要作用有以下幾個方面
1.用作分壓器
電位器是一個連續(xù)可調(diào)的電阻器，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器的轉(zhuǎn)柄或滑柄時，動觸點在電阻體上滑動。此時在電位器的輸出端可獲得與電位器外加電壓和可動臂轉(zhuǎn)角或行程成一定關(guān)系的輸出電壓。
2.用作變阻器
電位器用作變阻器時，應(yīng)把它接成兩端器件，這樣花電位器的行程范圍內(nèi)，便可獲得一個平滑連續(xù)變化的電阻值。
3.用作電流控制器
當(dāng)電位器作為電流控制器使用時，其中一個選定的電流輸出端必須是滑動觸點引出端。
10注意事項1. 電位器之電阻體大多采用多碳酸類的合成樹脂制成，應(yīng)避免與以下物品接觸：氨水，其它胺類，堿水溶液，芳香族碳?xì)浠衔?，酮類，脂類的碳?xì)浠衔?，?qiáng)烈化學(xué)品（酸堿值過高）等，否則會影響其性能。
2. 電位器之端子在焊接時應(yīng)避免使用水容性助焊劑，否則將助長金屬氧化與材料發(fā)霉；避免使用劣質(zhì)焊劑，焊錫**可能造成上錫困難，導(dǎo)致接觸**或者斷路。
3. 電位器之端子在焊接時若焊接溫度過高或時間過長可能導(dǎo)致對電位器的損壞。插腳式端子焊接時應(yīng)在235℃±5℃，3秒鐘內(nèi)完成，焊接應(yīng)離電位器本體1.5MM以上，焊接時勿使用焊錫流穿線路板；焊線式端子焊接時應(yīng)在350℃±10℃，3秒鐘內(nèi)完成。且端子應(yīng)避免重壓，否則易造成接觸**。
4. 焊接時，松香（助焊劑）進(jìn)入印刷機(jī)板之高度調(diào)整恰當(dāng)，應(yīng)避免助焊劑侵入電位器內(nèi)部，否則將造成電刷與電阻體接觸**，產(chǎn)生INT，雜音**現(xiàn)象。
5． 電位器*好應(yīng)用于電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)，且接線方式宜選擇“1”腳接地；應(yīng)避免使用電流調(diào)整式結(jié)構(gòu)，因為電阻與接觸片間的接觸電阻不利于大電流的通過。
6． 電位器表面應(yīng)避免結(jié)露或有水滴存在，避免在潮濕地方使用，以防止絕緣劣化或造成短路。
7． 安裝“旋轉(zhuǎn)型”電位器在固定螺母時，強(qiáng)度不宜過緊,以避免破壞螺牙或轉(zhuǎn)動**等; 安裝“鐵殼直滑式”電位器時,避免使用過長螺釘,否則有可能妨礙滑柄的運動,甚至直接損壞電位器本身。
8． 在電位器套上旋鈕的過程中，所用推力不能過大（不能超過《規(guī)格書》中軸的推拉力的參數(shù)指標(biāo)），否則將可能造成對電位器的損壞。
9． 電位器回轉(zhuǎn)操作力（旋轉(zhuǎn)或滑動）會隨溫度的升高而變輕，隨溫度降低而變緊。若電位器在低溫環(huán)境下使用時需說明，以便采用特制的耐低溫油脂。
10 電位器的軸或滑柄使用設(shè)計時應(yīng)盡量越短越好。軸或滑柄長度越短手感越好且穩(wěn)定。反之越長晃動越大，手感易發(fā)生變化。
11 電位器碳膜的功率能承受周圍的溫度為70℃，當(dāng)使用溫度高于70℃時可能會喪失其功能。
11主要參數(shù)電位器的主要參數(shù)有標(biāo)稱阻值、額定功率、分辨率、滑動噪聲、阻值變化特性、耐磨性、零位電阻及溫度系數(shù)等。
1、電位器的標(biāo)稱阻值和額定功率
2、電位器上標(biāo)注的阻值叫標(biāo)稱阻值。
3、電位器的額定功率是指在直流或交流電路中，當(dāng)大氣壓為87~107kPa，在規(guī)定的額定溫度下長期連續(xù)負(fù)荷所允許消耗的*大功率。線繞和非線繞電位器的額定功率系列入表2所示。
12分辨率電位器的分辨率也稱為分辨力，對線繞電位器來講，當(dāng)動接點每移動一圈時，輸出電壓不連續(xù)的發(fā)生變化，這個變化量與輸出電壓的比值為分辨率。直線式線繞電位器的理論分辨率為繞線總匝數(shù)N的倒數(shù)，并以百分?jǐn)?shù)表示。電位器的總匝數(shù)越多，分辨率越高。[2]

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