基于数字电位器的程控放大器设计

电位器是大家比较熟悉的电子元件,在电子系统得到了广泛的使用。传统电位器是指机械式电位器,它通过机械结构带动滑片改变电阻值。其结构简单、价格低,但由于受到材料和工艺的限制,最容易产生滑动片磨损,导致接触不良,使产生的系统噪声大,甚至工作失灵,且其体积也比较大,阻值的改变需要人的介入或通过电机带动。这明显不适应快速变化的系统应用。随着科技的发展,国外多家公司推出了采用集成电路工艺生产的电位器,这种电位器采用数字信号控制改变中间抽头的输出阻值,故称为数字电位器。由于数字电位器具有诸多优点, 因此它在实际电路设计中的应用越来越多。以下是用数字电位器开发研制的具有多种用途的程控放大器。

1 硬件工作原理

程控放大器中的放大电路主要采用美国模拟器件公司(ADI) 的低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压的最新仪表放大器AD623。它的管脚功能与基本接法如图1 所示,管脚5 (REF) 为AD623 的参考端用来确定零输出电压,当前端电路和后端电路的地不明确共地时可为后端引入精密的补偿,还可以利用该参考端提供一个虚地电压来放大双极性信号。参考端允许电压变化范围为- VS～ + VS 。如果AD623 相对地输出,则参考端应接地。引脚7 和4 为正负电源输入端,双电源工作时电源范围为±215V- ±6V ,单电源工作时电源范围为+ 3V - + 12V , -VS 端接地。引脚8 和1 之间接电阻,其大小决定了放大器的增益,计算公式为:

G =100 K / Rg + 1

当引脚8 和1 之间不接电阻,即开路时增益G = 1。在实际使用时,RG为Xicor 公司的非易失性数字电位器(如X9241) ,该电位器是64 抽头的四数字电位器, 采用标准的I2C 双向串行接口。图2 是X9241 的功能方框图,每个电位器包含四个8 位EE2PROM 数据寄存器和一个控制滑臂的计数寄存器WCR ,单片机通过接口可直接读写这些寄存器,或者控制数据寄存器同WCR 传送数据,也可按步进方式移动滑臂。

在具体使用时,单片机根据第一次采集的信号数据大小,判断其信号所在区间范围,然后以一定的算法得到使测量精度最高的放大倍数,再通过I2C总线控制数字电位器,达到程控放大的目的。程控放大器硬件设计电路原理图如图3 所示。

2 软件设计

综上,程控放大器的增益控制实际就是数字电位器的滑臂位置控制,由于X9241 提供了四个64 抽头的数字电位器,因此使用其中单个电位器就可实现64 级增益控制,如果四个电位器串联使用则可提供最多256 级的增益控制,完全可满足各类测量的需要。

X9241 采用标准I2C 串行总线接口,有直接和步进两种控制WCR 的方法,以下介绍直接控制WCR的控制指令。该指令包括地址字节、命令字节和数据字节。在起始位后面,主器件单片机发出需要访问的从器件地址,它由8 位数码组成。其高4 位0101 是数字电位器的辨识符,低4 位A3A2A1A0 由器件相应的地址输入端A3A2A1A0 的状态定义,X9241 比较串行地址码同地址输入端是否一致,若正确发出响应信号。

第二字节包括命令内容和寄存器的指针,其中高4 位I3I2I1I0 给出命令。三字节指令包括读或写EEPROM数据寄存器,读或写滑臂计数器WCR ,共四条,低四位中P1P0 决定访问哪一个电位器,R1R0 决定具体要读写寄存器R0 - R1 中的哪一个。第三个8 位字节包括控制64 个抽头开关的6位数据。数据若写入WCR ,可直接改变滑臂位置,数据写入EEPROM则作为WCR 的备用数据,每个电位器有四个备用数据可供选用。另外两位CM 和DW用来决定四个电位器是否构成串联组合形式:CM为0 时,该电位器单独使用;CM 为1 时,该电位器同相邻的高序号电位器串联。串联后的电位器组合只能有一个滑臂输出,必须把多余的禁止掉。DW为1 时,该电位器滑臂被禁止。当串联电位器按步进方式调节时,有效的滑臂会随着抽头位置的移动在四个电位器中自动产生,各DW 位的数据也随之改变。三字节的指令序列如图4 所示,对应接口程序如下:

ACKBIT 10H ;应答标志位

SDA EQU P1. 0

SCL EQU P1. 1

X9241 EQU 01010000B

WCR: LCALL START ;起动总线

MOV A , # X9241

LCALL WRBYTE ;发送器件从地址

LACLL CACK

JNB ACK,RETURN ;无应答则退出

MOV A , # 10100000 ;写R0 的WCR

LCALL WRBYTE ;发送第二字节

LCALL CACK

JNB ACK,RETWRN ;无应答则退出

MOV A ,B ;取所需的阻值

ANL A , # 3FH

LCALL WRBYTE ;发送第三字节

LCALL CACK

JNB ACK,RETWRN ;无应答则退出

RETWRN:LCALL STOP

RET

3 使用中的注意事项

1) 该程控放大器的增益控制是通过对数字电位器的控制得以实现的,而数字电位器为了扩大使用的电压范围,内部附加了由振荡器组成的充电泵。因而会产生有害的高频噪声,需在滑动臂与地之间接滤波电容,其容量应根据处理信号的频率进行选择。

2) 数字电位的使用有一定的电压和电流范围。在程控放大器应用中电流较小,故应注意电压的范围。X9241 器件可工作在±5V 范围, 个别型号如X9312 则可工作于0 - + 15V 范围,可根据需要选择。

4结束语

数字电位器以其良好的线性、精度和温度稳定性及易于控制等特点越来越受到重视,得到广泛的应用。本方法设计的程控放大器,已应用多种智能测量仪表中,具有了良好的性价比,其精度可满足通用数字仪表的要求。

参考文献:

[1] 李华.单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天出版社,1993.

[2] 马忠梅,籍顺心.单片机C语言应用程序设计[ M ] . 北京: 北京航空航天出版社,2003.