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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(jiǎn)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(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成，即靠一個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體上移動(dòng)，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(hào)電壓）和電流的大小。
電位器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)——電位器的電阻體有兩個(gè)固定端，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸或滑柄，改變動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體上的位置，則改變了動(dòng)觸點(diǎn)與任一個(gè)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(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸點(diǎn)之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)系的電壓。它大多是用作分壓器，這時(shí)電位器是一個(gè)四端元件。電位器基本上就是滑動(dòng)變阻器，有幾種樣式，一般用在音箱音量開(kāi)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(gè)可移金屬觸點(diǎn)。觸點(diǎn)位置確定電阻體任一端與觸點(diǎn)間的阻值。按材料分線(xiàn)繞、碳膜、實(shí)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(xiàn)式電位器（呈線(xiàn)性關(guān)系）、函數(shù)電位器（呈曲線(xiàn)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(lèi)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(gè)引腳，但在其內(nèi)部與引腳1、2相連的是兩個(gè)長(zhǎng)短不一的金屬靜片，與引腳3相連的是一周有12或24個(gè)齒的金屬動(dòng)片。當(dāng)脈沖電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)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(kāi)。
在實(shí)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(shí)，P1.0和P1.1就會(huì)周期性地產(chǎn)生所示的波形，如果是12點(diǎn)的脈沖電位器旋轉(zhuǎn)一圈就會(huì)產(chǎn)生12組這樣的波形，24點(diǎn)的脈沖電位器就會(huì)產(chǎn)生24組這樣的波形；一組波形（或一個(gè)周期）包含了4個(gè)工作狀態(tài)。因此只要檢測(cè)出P1.0和P1.1的波形，就能識(shí)別脈沖電位器是否旋轉(zhuǎn)是**還是右旋。
3識(shí)別進(jìn)一步分析右的波形并按時(shí)間軸展開(kāi)可以看出，雖然脈沖電位器**和右旋的波形都相同。但**時(shí)，在第1狀態(tài)，腳1先比腳2變?yōu)榈碗娖?；在?狀態(tài)，腳2也變?yōu)榈碗娖?；在?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(shí)，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(shí)間識(shí)別法（比較P1.0與P1.1低電平出現(xiàn)和結(jié)束的時(shí)差）來(lái)識(shí)別脈沖電位器是**還是右旋。在動(dòng)態(tài)掃描中，因采樣頻率操作速度等因素的影響，實(shí)際上很難測(cè)出P1.0和P1.1的波形；也很難測(cè)準(zhǔn)P1.0與P1.1低電平出現(xiàn)和結(jié)束的時(shí)差，只能快速地對(duì)P1.0和P1.1電平采樣。對(duì)應(yīng)圖1所示波形按時(shí)間軸展開(kāi)，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(gè)字節(jié)即4BH 時(shí)，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(gè)字節(jié)即87H時(shí)；就表示右旋一位音量加1。這里將“4BH”稱(chēng)為**一位的特征碼，“87H”稱(chēng)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(guò)程中識(shí)別出這兩種特征碼，并以此為依據(jù)，對(duì)音量進(jìn)行增減控制。實(shí)際編程時(shí)可以用不同的方法識(shí)別出這兩種特征碼。但我們?cè)趯?shí)踐中經(jīng)過(guò)比較，用狀態(tài)（位置）采樣法實(shí)現(xiàn)編程是較為理想的一種方法。這種方法對(duì)采樣頻率和操作速度沒(méi)有特別要求，也可不用定時(shí)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(jiǎn)單抗干擾能力強(qiáng)工作可靠的優(yōu)點(diǎn)。
由于脈沖電位器在工作過(guò)程中有三種情形：一是沒(méi)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(méi)有完成一個(gè)周期（4個(gè)狀態(tài)）而停留在某一狀態(tài)；三是不停地被旋轉(zhuǎn)而超過(guò)一個(gè)周期。狀態(tài)（位置）采樣法就是要準(zhǔn)確地跟蹤識(shí)別和記錄脈沖電位器變化的每一個(gè)狀態(tài)值（包括位置值和它對(duì)應(yīng)的特征碼）。程序一開(kāi)始就要識(shí)別出脈沖電位器所處的現(xiàn)態(tài)位置和其對(duì)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(guò)程。顯然，脈沖電位器只有旋轉(zhuǎn)到第4個(gè)狀態(tài)才有一個(gè)我們所需要的特征碼出現(xiàn)，程序根據(jù)這個(gè)特征碼的性質(zhì)再對(duì)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(shí)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(shí)際特性和理論特性之間的*大偏差對(duì)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(duì)于線(xiàn)繞電位器和線(xiàn)性電位器來(lái)說(shuō)，分辨力是用動(dòng)觸點(diǎn)在繞組上每移動(dòng)一匝所引起的電阻變化量與總電阻的百分比表示。對(duì)于具有函數(shù)特性的電位器來(lái)說(shuō)，由于繞組上每一匝的電阻不同，故分辨力是個(gè)變量。此時(shí)，電位器的分辨力一般是指函數(shù)特性曲線(xiàn)上斜率*大一段的平均分辨力。
6滑動(dòng)噪聲滑動(dòng)噪聲是電位器特有的噪聲。在改變電阻值時(shí)，由于電位器電阻分配不當(dāng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)配合不當(dāng)以及電位器存在接觸電阻等原因，會(huì)使動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體表面移動(dòng)時(shí)，輸出端除有有用信號(hào)外，還伴有隨著信號(hào)起伏不定的噪聲。
對(duì)于線(xiàn)繞電位器來(lái)說(shuō)，除了上述的動(dòng)觸點(diǎn)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(dòng)觸點(diǎn)在繞組上移動(dòng)而短接相鄰線(xiàn)匝時(shí)產(chǎn)生的，它與流過(guò)繞組的電流、線(xiàn)匝的電阻以及動(dòng)觸點(diǎn)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(chēng)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(yàn)條件下，動(dòng)觸點(diǎn)可靠運(yùn)動(dòng)的總次數(shù)，常用 "周"表示。機(jī)械壽命與電位器的種類(lèi)、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(dòng)勢(shì)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(lèi)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(kāi)關(guān)，電位器可分為幾種類(lèi)型。相關(guān)書(shū)籍 相關(guān)書(shū)籍
電位器還可按電阻體的材料分類(lèi)，如線(xiàn)繞、合成碳膜、金屬玻璃釉、有機(jī)實(shí)芯和導(dǎo)電塑料等類(lèi)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(diǎn)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(chēng)半固定電位器。 為克服電刷在電阻體上移動(dòng)接觸對(duì)電位器性能和壽命帶來(lái)的不利影響，又有無(wú)觸點(diǎn)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(xiàn)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(diǎn)，并且耐高溫，功率負(fù)荷能力強(qiáng)。缺點(diǎn)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(xiàn)繞電位器易斷線(xiàn)、體積較大、售價(jià)較高。這種電位器廣泛應(yīng)用于電子儀器、儀表中。 線(xiàn)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(lèi)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(lái)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(guò)程中容易斷開(kāi)，影響傳感器的壽命。可調(diào)繞線(xiàn)電位器 可調(diào)繞線(xiàn)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(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但動(dòng)噪聲大、耐潮性差。這類(lèi)電位器宜作函數(shù)式電位器，在消費(fèi)類(lèi)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。碳膜電位器 碳膜電位器
有機(jī)實(shí)芯電位器：阻值范圍較寬、分辨力高、耐熱性好、過(guò)載能力強(qiáng)、耐磨性較好、可靠性較高，但耐潮熱性和動(dòng)噪聲較差。這類(lèi)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(shí)芯電位器的優(yōu)點(diǎn)，又具有較小的電阻溫度系數(shù)（與線(xiàn)繞電位器相近），但動(dòng)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(lèi)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(xiàn)性精度高、分辨力強(qiáng)，而且耐磨壽命特別長(zhǎng)。雖然它的溫度系數(shù)和接觸電阻較大，但仍能用于自動(dòng)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(gè)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(dòng)調(diào)節(jié)操作麻煩；為設(shè)備的自動(dòng)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(lèi)電路采用一種多圈可調(diào)電位器。這類(lèi)電位器具有步進(jìn)范圍大！精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(lèi)
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(xiàn)繞式（Wirewound）：使用金屬線(xiàn)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(lèi)
旋轉(zhuǎn)式：常見(jiàn)的形式。通常的旋轉(zhuǎn)角度約 270～300 度。
單圈式：常見(jiàn)的形式。
多圈式：用于須精密調(diào)整的場(chǎng)合。
直線(xiàn)滑動(dòng)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(lèi)
單聯(lián)式：一轉(zhuǎn)軸只控制單一電位器。
雙聯(lián)式：兩個(gè)電位器使用同一轉(zhuǎn)軸控制，主要用于雙聲道中，可同時(shí)控制兩個(gè)聲道。
電阻值變化尺度分類(lèi)
線(xiàn)性尺度式：電阻值的變化與旋轉(zhuǎn)角度或移動(dòng)距離呈線(xiàn)性關(guān)系，此種電位器稱(chēng)為 B 型電位器。
對(duì)數(shù)尺度式：電阻值的變化與旋轉(zhuǎn)角度或移動(dòng)距離呈對(duì)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(shí)針?lè)较驗(yàn)榇笠袅?、逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樾∫袅康膱?chǎng)合；此外，另有對(duì)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(kāi)關(guān)電位器：通常用于將音量開(kāi)關(guān)與電源開(kāi)關(guān)合一，即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至底使開(kāi)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(gè)方面
1.用作分壓器
電位器是一個(gè)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(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)在電阻體上滑動(dòng)。此時(shí)在電位器的輸出端可獲得與電位器外加電壓和可動(dòng)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(shí)，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(gè)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(shí)，其中一個(gè)選定的電流輸出端必須是滑動(dòng)觸點(diǎn)引出端。
10注意事項(xiàng)1. 電位器之電阻體大多采用多碳酸類(lèi)的合成樹(shù)脂制成，應(yīng)避免與以下物品接觸：氨水，其它胺類(lèi)，堿水溶液，芳香族碳?xì)浠衔?，酮?lèi)，脂類(lèi)的碳?xì)浠衔?，?qiáng)烈化學(xué)品（酸堿值過(guò)高）等，否則會(huì)影響其性能。
2. 電位器之端子在焊接時(shí)應(yīng)避免使用水容性助焊劑，否則將助長(zhǎng)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(shí)若焊接溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能導(dǎo)致對(duì)電位器的損壞。插腳式端子焊接時(shí)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(shí)勿使用焊錫流穿線(xiàn)路板；焊線(xiàn)式端子焊接時(shí)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(shí)，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(xiàn)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?yàn)殡娮枧c接觸片間的接觸電阻不利于大電流的通過(guò)。
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(shí)，強(qiáng)度不宜過(guò)緊,以避免破壞螺牙或轉(zhuǎn)動(dòng)**等; 安裝“鐵殼直滑式”電位器時(shí),避免使用過(guò)長(zhǎng)螺釘,否則有可能妨礙滑柄的運(yùn)動(dòng),甚至直接損壞電位器本身。
8． 在電位器套上旋鈕的過(guò)程中，所用推力不能過(guò)大（不能超過(guò)《規(guī)格書(shū)》中軸的推拉力的參數(shù)指標(biāo)），否則將可能造成對(duì)電位器的損壞。
9． 電位器回轉(zhuǎn)操作力（旋轉(zhuǎn)或滑動(dòng)）會(huì)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(shí)需說(shuō)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(jì)時(shí)應(yīng)盡量越短越好。軸或滑柄長(zhǎng)度越短手感越好且穩(wěn)定。反之越長(zhǎng)晃動(dòng)越大，手感易發(fā)生變化。
11 電位器碳膜的功率能承受周?chē)臏囟葹?0℃，當(dāng)使用溫度高于70℃時(shí)可能會(huì)喪失其功能。
11主要參數(shù)電位器的主要參數(shù)有標(biāo)稱(chēng)阻值、額定功率、分辨率、滑動(dòng)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(chēng)阻值和額定功率
2、電位器上標(biāo)注的阻值叫標(biāo)稱(chēng)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(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷所允許消耗的*大功率。線(xiàn)繞和非線(xiàn)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(chēng)為分辨力，對(duì)線(xiàn)繞電位器來(lái)講，當(dāng)動(dòng)接點(diǎn)每移動(dòng)一圈時(shí)，輸出電壓不連續(xù)的發(fā)生變化，這個(gè)變化量與輸出電壓的比值為分辨率。直線(xiàn)式線(xiàn)繞電位器的理論分辨率為繞線(xiàn)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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