基于X9241數(shù)字電位器的可控增益放大器

X9241是把4個(gè)E2POT數(shù)字電位器集成在單片CMOS集成電路上的一種數(shù)字電位器，其功能框圖如圖1所示，其中包含4個(gè)電阻陣列，每個(gè)陣列包含63個(gè)電阻單元，在每個(gè)單元之間和兩個(gè)端點(diǎn)都有可以被滑動(dòng)單元訪問的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元在陣列中的位置由用戶通過I2C總線控制，每個(gè)電阻陣列與1個(gè)滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器(WCR)和4個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器相聯(lián)系，4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器可由用戶讀寫，滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置。數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可以傳輸?shù)交瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器以設(shè)置滑動(dòng)端位置，當(dāng)前滑動(dòng)端的位置也可以傳輸?shù)饺魏闻c之聯(lián)系的數(shù)據(jù)寄存器中?；瑒?dòng)端計(jì)數(shù)寄存器是易失性的，器件上電時(shí)，滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器自動(dòng)裝入數(shù)據(jù)寄存器R0的值。4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器是非易失性的，如果在應(yīng)用中不需要對電位器進(jìn)行多種設(shè)置，則可作為通用存儲(chǔ)單元保存系統(tǒng)參數(shù)或用戶數(shù)據(jù)。X9241型號有Y，W，U和M后綴，表示內(nèi)部電位器的不同組成，其中X9241M內(nèi)部的4個(gè)電位器阻值分別為2 kΩ，10 kΩ，10 kΩ和50 kΩ。使用X9241數(shù)字電位器能方便地實(shí)現(xiàn)可控增益放大器的設(shè)計(jì)。

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2 可控增益放大器的設(shè)計(jì)

方案一：采用A／D／A+DSP構(gòu)成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該方案的系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本較高。

方案二：采用可編程放大器，由于采用專用芯片，增益控制受限于芯片所提供的能力，靈活性差，其成本也較高。

方案三：眾所周知，放大器的增益與電阻有關(guān)，改變相應(yīng)電阻的阻值就可改變放大器的增益，由于采用改變電阻來控制放大器增益的方案具有概念清晰、電路組成簡單、實(shí)現(xiàn)容易、成本低廉，可較好地滿足實(shí)際要求，通常采用該方案，具體實(shí)現(xiàn)方法又有以下幾種：

(1)通過小型繼電器切換不同阻值的固定電阻來改變電阻，各固定電阻是經(jīng)理論計(jì)算并經(jīng)調(diào)試后確定的。

(2)采用電阻型光耦合器(如AD521L／H等)，通過控制其發(fā)光管電流實(shí)現(xiàn)電阻阻值的改變。

(3)采用數(shù)字電位器(如X9312，X9241等)，通過軟件控制寫入到電位器相關(guān)寄存器的數(shù)值來改變電阻阻值。

采用小型繼電器的方法僅適用于所控制的電阻較少的情形，當(dāng)要求控制的增益種類總數(shù)較多時(shí)，便形成了繼電器陣列，使得電路結(jié)構(gòu)龐大，其控制的可靠性也大大降低。另外，繼電器切換過程中也難免會(huì)對其他電路產(chǎn)生干擾。

電阻型光耦合器具有較好的隔離效果，但須配合D／A轉(zhuǎn)換電路以及放大電路才能工作，其電路構(gòu)成復(fù)雜、成本較高。另外，電阻型光耦合器發(fā)光二極管電流和其電阻值呈非線性關(guān)系，這又使控制難度加大。

第(3)種方法采用數(shù)字電位器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，只要所選用的數(shù)字電位器有足夠高的分辨率，即可滿足對增益控制的要求?？蛇x用X9241M數(shù)字電位器，其內(nèi)部有4個(gè)電位器，具有三種阻值，每個(gè)電位器的分辨力達(dá)1／63，芯片控制采用I2C總線，對于不同的電壓增益可選用不同阻值的電位器，并通過改變該電位器滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值來改變滑動(dòng)端相對于固定端的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)整。

3 基于X9241的可控增益放大器實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)以電流傳感器自動(dòng)量程變換中的顯示電路部分為例，介紹利用X9241實(shí)現(xiàn)的可控增益放大器。設(shè)傳感器量程為：100 A，300 A和500 A，無論傳感器處于任何量程，其滿度輸出電流均為100 mA，I／V轉(zhuǎn)換采用的電阻為5 Ω，其輸出VM在滿度時(shí)的電壓均為0.5 V，為了用數(shù)字電壓表(三位半，2 V量程)正確顯示被測電流的大小，僅利用數(shù)字電壓表的三位，則需要增加如圖2所示的放大電路，相應(yīng)的放大倍數(shù)分別為：0.2，0.6和1倍，第一級放大器的反饋電阻應(yīng)分別為：0.2 kΩ，0.6 kΩ和10 kΩ。

利用X9241M數(shù)字電位器取代圖2中的R2，R3和R4，其中R4選擇10 kΩ電位器，R2和R3選用2 kΩ電位器，其主要電路如圖3所示。圖中用AT89S52單片機(jī)的P3.0和P3.1模擬I2C總線，對X9241M進(jìn)行控制。對于單片機(jī)及其具體編程，可參考的資料很多，不再贅述。

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通常，編程的關(guān)鍵是對數(shù)字電位器進(jìn)行選擇和控制，即如何確定所需要的電位器及其滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器(WCR)的值，其處理流程可參見圖4。

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4 減小增益誤差的措施

由于數(shù)字電位器所提供的阻值為一系列離散值，在這些離散值中可能沒有完全符合要求的阻值，這是產(chǎn)生增益誤差的主要原因，可采取如下措施：

(1)選用足夠高分辨率的數(shù)字電位器，這取決于元件制造工藝的發(fā)展，目前還無法達(dá)到。

(2)采用內(nèi)含多種不同額定阻值的數(shù)字電位器(如X9241M)芯片，將阻值大小不同的電位器相串聯(lián)，以滿足對電阻阻值有效位數(shù)的需要，進(jìn)一步提高增益控制的精度。

(3)利用軟件修改滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器(WCR)的值，進(jìn)一步調(diào)整放大器的增益，使增益滿足實(shí)際要求。

5 結(jié)語

利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)對放大器增益的控制，具有電路簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過采取措施也可實(shí)現(xiàn)對放大器增益較高精度的控制，增益的調(diào)整是通過選擇數(shù)字電位器中不同阻值的電位器以及軟件的進(jìn)一步修正來達(dá)到的，可控增益放大器可應(yīng)用于采集系統(tǒng)中的信號調(diào)理或要求放大器增益能程控的場合。應(yīng)當(dāng)說明，隨著技術(shù)的進(jìn)步和制造水平的不斷提高，數(shù)字電位器的種類愈加豐富，性能也日趨完善，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的要求進(jìn)行選擇。