01四端电位器
电位器（potentiometer）又称滑动变阻器（rheostat）机械电子设备通常有三个端口，即左右固定端和中间滑动端。
两个固定端连接在一起 由电阻丝、碳膜、陶瓷、有机膜等组成的固定电阻端。滑动端可以在电位器旋钮的机械驱动下(单圈、多圈、直线)在电阻中间移动，从而改变滑动端与两个端口之间的电阻。
▲ 各种形式的电位器
电位器可以看作是两个电阻R12,R23串联分压电路。R12,R23的电阻随滑动端的位置而变化，但R12,R23相加等于固定阻值。
▲ 电位器表示符号和等效电路
在电路中，电位器可以对(DC、交流)信号产生可变比分压，并产生不同电阻值的电阻。例如，放大器输入信号强度调节、反馈电路倍数调节、线路阻抗匹配调节也可以作为位置传感器获得相应的角度和距离。
三端电位器的概念一直持续到看到一个电动双联电位器，包括两个电位器，都有四个端口。
▲ 电动双联电位器
02内部接口
电动双联电位器用于一些传统扬声器放大器的自动音量调节，可以同时控制左右声道的音量。可手动调节，也可由内部电路驱动进行自动音量调节。
下图显示了该电位器的外部接线和性能指标。奇怪的是，它的每个电位器都有四个输出端口。
▲ 电位器的主要特性
通过测量以看出，与传统电位器的三个端口相比，电阻中间还有一个固定端口，与两个固定端口的电阻值基本相同。
下图显示了四端电位器的内部结构。第四个端口固定在导电碳膜的中间。
▲ 四管脚电位器内部结构
为什么这类单位增加了固定的中间引脚？
03增加端口功能
Steve Somers在 其博文 The ： What Does It Do?在扬声器放大器中给出四端口电位器的功能。
首先，他总结了一些关于人类听觉系统特征的研究结果，表明当声音较大时，人耳对不同频率的声音感知能力相对平坦。但当声音强度较小时，低频和高频衰减更大，尤其是低频声音。
下图显示了贝尔实验室Harvey Fletcher1930年通过实验测量的许多人耳实际相应曲线，然后平均计算后获得的人耳感知曲线分布，只是说明了上述特征。
▲ 人耳实际感知相应曲线的分布
在早期的高保真扬声器系统中，分离的电子元件也被用来平衡信号频率。下图显示了通过双刀双扔开关键选择音频补偿的电路。
电路中C1，R，C2形成带阻滤波电路，通过电位器中间固定管脚将增强的频率重量引入电位器输出。这样，低频和高频的信号重量就可以增加到输出信号中。
▲ 频率补偿电路
由于低频和高频重量的补偿注入到电位器的中间，当音量控制电位器在高端（大音量）时，这种效果并不明显。当电位器处于低端（小音量）时，补偿信号对输出有很大的影响。
以下是电路网络简化的线性模型。假设电位器有R2，R三串联。电位器第四个固定端口位于中间，R2=R3。
▲ 电路等效模型
那么U1电位器中间U三个传输函数为：
假设电路参数为：R1=1kΩ，R2=10kΩ，R3=10kΩ，C1=0.012uF，C2=0.3uF。传输函数为：
将s=j2πΩ代入上述表达式，令Ω从0变化到10kHz。如下图所示：
▲ 电阻网络U3/U1的频率响应
可以看出，它确实是对低频和高频信号的提升，对于中频(1万Hz）大衰减的滤波器网络有左右信号。
#!/usr/local/bin/python # -*- coding: gbk -*- #============================================================ # TEST1.PY -- by Dr. ZhuoQing 2020-10-18 # # Note: #============================================================ from headm import * from sympy import symbols,simplify,expand,print_latex #------------------------------------------------------------ plf = lambda a,b: a*b/(a b) C1,C2,R1,R2,R3,s = symbols('C_1,C_2,R_1,R_2,R_3,s') c1s = 1/(s*C1) c2s = 1/(s*C2) c1r3 = plf(c1s,R3) c2r12 = plf((R1+c2s), R2) u3s = c2r12/(c1r3+c2r12) result = simplify(u3s) res = result.subs({
R1:1e3,R2:10e3,R3:10e3,C1:0.012e-6,C2:0.3e-6}) #printf(res) #------------------------------------------------------------ def sf(s): return eval(str(res)) frange = linspace(0, 10e3, 200) u31 = abs(sf(frange*2*pi*1j)) plt.plot(frange, u31) plt.xlabel("Frequency(Hz)") plt.ylabel("U31") plt.grid(True) plt.tight_layout() plt.show() #------------------------------------------------------------ print_latex(result) tspexecutepythoncmd("msg2latex") clipboard.copy(str(result)) #------------------------------------------------------------ # END OF FILE : TEST1.PY #============================================================ 04音量控制电位器
本想使用这款电动双联电位器用作实验中自动调整，但在购买时没有考虑到它是用于音频放大器所使用。不仅它具有四个端口，而且它的中间滑动端的电阻变化与角度之间不是线性的。
▲ 电位器运动
下图给出了一款标称值为100kΩ电动电位器滑动端与其中一个固定端之间的电阻随着角度旋转的变化值。它明显呈现出一种指数变化的特性。这对于音量调整来说，符合人耳对于声音强度的感知规律。
▲ 施加+5V，脉冲100ms
图中也可以看到，由于中间固定点的存在，中间电阻变化存在一个小小的非线性波动。
在现代音箱中，对于声音的控制和均衡逐步过渡到专用集成化和数字处理器（DSP）来实现相同的功能。这不仅省去了体积较大的电位器，而且在处理效果上也比使用离散元器件组成的滤波器好。
随着技术的发展，这种四管脚电位器将会逐步消失在我们的视野中了。