此文來源于清華大學自動化系卓晴老師的公眾號- TsinghuaJoking，對基礎的器件進行了非常詳盡的分析，分享給電子森林的朋友們。

01四端電位器

電位器（potentiometer）也被稱作滑動變阻器（rheostat）是一個機械電子器件，通常具有三個端口，即左右兩個固定端以及中間的滑動端。

兩個固定端連接在 一個由電阻絲、碳膜、陶瓷、有機膜等組成的固定電阻兩端。滑動端可以在電位器旋鈕機械驅動下（單圈、多圈、直線）在電阻中間位置移動，從而改變滑動端與兩個端口之間的電阻。

▲ 各種形式的電位器

電位器可以看成由兩個電阻R12,R23串聯(lián)起來的分壓電路。其中R12,R23的阻值隨著滑動端的位置變化而改變，但R12,R23相加等于一個固定的阻值。

▲ 電位器表示符號以及等效電路

在電路中，電位器可以對（直流、交流）信號產生可變比例的分壓、可以產生不同阻值的電阻。例如用于放大器輸入信號強度調節(jié)，反饋電路倍數調節(jié)，線路阻抗匹配調節(jié)，也可以作為位置傳感器獲取相應的角度和距離。

三端電電位器的概念一直持續(xù)到看到一個電動雙聯(lián)電位器，它包括兩個電位器，都具有四個端口。

▲ 電動雙聯(lián)電位器

02內部接口

電動雙聯(lián)電位器是用于一些傳統(tǒng)音箱放大器進行自動音量調節(jié)使用，可以同時控制左右兩路聲道音量。即可手工調節(jié)，也可以有內部電路驅動進行自動音量調節(jié)。

下圖顯示了這款電位器的外部接線和性能指標。奇怪的是，它的每個電位器都具有四個輸出端口。

▲ 電位器的主要特性

通過測量可以看到，相比于傳統(tǒng)電位器的三個端口之外，還有一個位于電阻中間的固定端口，它與兩個固定端口之間的阻值基本相同。

下圖網絡上的圖片顯示了四端電位器內部的結構。其中第四個端口是固定在導電碳膜的中間位置。

▲ 四條管腳的電位器內部結構

這類電位器為什么增加了一個固定中間引腳呢？

03增加端口作用

Steve Somers在 其博文 TheMysterious Loudness Control：What Does It Do?中給出用于音箱放大器中四端口電位器的功能。

他首先在一開始對人類聽覺系統(tǒng)的特性總結了相關一些研究結果，顯示在聲音大的時候，人耳對于不同頻率聲音感知能力是相對平坦的。但當聲音強度小時，對于低頻和高頻衰減的程度更大，特別是低頻聲音。

下圖顯示了貝爾實驗室Harvey Fletcher等人在1930通過實驗測量的很多人人耳實際相應曲線，然后平均計算之后得到的人耳感知曲線分布，正好說明了上面的特點。

▲ 人耳實際感知相應曲線分布

在早期高保真音箱系統(tǒng)中，還都使用分離的電子元器件來實現(xiàn)信號頻率均衡。下圖就顯示了通過一個雙刀雙擲開關按鍵來選擇音頻補償的電路。

電路中C1，R，C2組成了一個帶阻濾波電路，增強后的頻率分量通過電位器的中間固定管腳被引入電位器的輸出。這樣就可以在輸出信號中增加低頻和高頻的信號分量。

▲ 頻率補償電路

由于補償低頻、高頻分量是注入在電位器的中間位置，所以當音量控制電位器在高端（音量大）的時候，這個作用并不明顯。當電位器處于低端（音量?。┑臅r候，補償信號對于輸出影響就很大。

下面給出了上述電路網絡簡化線性模型。假設其中電位器有R2，R3串聯(lián)而成。電位器第四個固定端口位于中間，R2=R3。

▲ 電路的等效模型

那么U1電位器中間U3處的傳遞函數為：

假設電路參數為：R1=1kΩ，R2=10kΩ，R3=10kΩ，C1=0.012uF，C2=0.3uF。那么該傳遞函數為：

將s=j2πΩ代入上面表達式，令Ω從0變化到10kHz。取表達式的模（絕對值）可以得到電路網絡的頻率響應，如下圖所示：

▲ 電阻網絡U3/U1的頻率響應

可以看到它的確是一個對低頻和高頻信號提升，對于中頻（1000Hz）左右的信號有較大衰減的濾波器網絡。

04音量控制電位器

本想使用這款電動雙聯(lián)電位器用作實驗中自動調整，但在購買時沒有考慮到它是用于音頻放大器所使用。不僅它具有四個端口，而且它的中間滑動端的電阻變化與角度之間不是線性的。

▲ 電位器運動

下圖給出了一款標稱值為100kΩ電動電位器滑動端與其中一個固定端之間的電阻隨著角度旋轉的變化值。它明顯呈現(xiàn)出一種指數變化的特性。這對于音量調整來說，符合人耳對于聲音強度的感知規(guī)律。

▲ 施加+5V，脈沖100ms電位器移動步數

圖中也可以看到，由于中間固定點的存在，中間電阻變化存在一個小小的非線性波動。

在現(xiàn)代音箱中，對于聲音的控制和均衡逐步過渡到專用集成化和數字處理器（DSP）來實現(xiàn)相同的功能。這不僅省去了體積較大的電位器，而且在處理效果上也比使用離散元器件組成的濾波器好。

隨著技術的發(fā)展，這種四管腳電位器將會逐步消失在我們的視野中了。

責任編輯：PSY

原文標題：四條管腳電位器的構成和使用

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