基于X9241數字電位器的可控增益放大器

　　X9241是把4個(gè)E2POT數字電位器集成在單片CMOS集成電路上的一種數字電位器，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(fǎng)問(wèn)的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元在陣列中的位置由用戶(hù)通過(guò)I2C總線(xiàn)控制，每個(gè)電阻陣列與1個(gè)滑動(dòng)端計數寄存器(WCR)和4個(gè)8位數據寄存器相聯(lián)系，4個(gè)數據寄存器可由用戶(hù)讀寫(xiě)，滑動(dòng)端計數寄存器的內容控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置。數據寄存器的內容可以傳輸到滑動(dòng)端計數寄存器以設置滑動(dòng)端位置，當前滑動(dòng)端的位置也可以傳輸到任何與之聯(lián)系的數據寄存器中?；瑒?dòng)端計數寄存器是易失性的，器件上電時(shí)，滑動(dòng)端計數寄存器自動(dòng)裝入數據寄存器R0的值。4個(gè)數據寄存器是非易失性的，如果在應用中不需要對電位器進(jìn)行多種設置，則可作為通用存儲單元保存系統參數或用戶(hù)數據。X9241型號有Y，W，U和M后綴，表示內部電位器的不同組成，其中X9241M內部的4個(gè)電位器阻值分別為2 kΩ，10 kΩ，10 kΩ和50 kΩ。使用X9241數字電位器能方便地實(shí)現可控增益放大器的設計。

　　2 可控增益放大器的設計

　　方案一：采用A/D/A+DSP構成的數字信號處理系統來(lái)實(shí)現，該方案的系統組成復雜、成本較高。

　　方案二：采用可編程放大器，由于采用專(zhuān)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)，改變相應電阻的阻值就可改變放大器的增益，由于采用改變電阻來(lái)控制放大器增益的方案具有概念清晰、電路組成簡(jiǎn)單、實(shí)現容易、成本低廉，可較好地滿(mǎn)足實(shí)際要求，通常采用該方案，具體實(shí)現方法又有以下幾種：

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

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

　　(3)采用數字電位器(如X9312，X9241等)，通過(guò)軟件控制寫(xiě)入到電位器相關(guān)寄存器的數值來(lái)改變電阻阻值。

　　X9241是把4個(gè)E2POT數字電位器集成在單片CMOS集成電路上的一種數字電位器，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(fǎng)問(wèn)的抽頭點(diǎn)?；瑒?dòng)單元在陣列中的位置由用戶(hù)通過(guò)I2C總線(xiàn)控制，每個(gè)電阻陣列與1個(gè)滑動(dòng)端計數寄存器(WCR)和4個(gè)8位數據寄存器相聯(lián)系，4個(gè)數據寄存器可由用戶(hù)讀寫(xiě)，滑動(dòng)端計數寄存器的內容控制滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置。數據寄存器的內容可以傳輸到滑動(dòng)端計數寄存器以設置滑動(dòng)端位置，當前滑動(dòng)端的位置也可以傳輸到任何與之聯(lián)系的數據寄存器中?；瑒?dòng)端計數寄存器是易失性的，器件上電時(shí)，滑動(dòng)端計數寄存器自動(dòng)裝入數據寄存器R0的值。4個(gè)數據寄存器是非易失性的，如果在應用中不需要對電位器進(jìn)行多種設置，則可作為通用存儲單元保存系統參數或用戶(hù)數據。X9241型號有Y，W，U和M后綴，表示內部電位器的不同組成，其中X9241M內部的4個(gè)電位器阻值分別為2 kΩ，10 kΩ，10 kΩ和50 kΩ。使用X9241數字電位器能方便地實(shí)現可控增益放大器的設計。

　　2 可控增益放大器的設計

　　方案一：采用A/D/A+DSP構成的數字信號處理系統來(lái)實(shí)現，該方案的系統組成復雜、成本較高。

　　方案二：采用可編程放大器，由于采用專(zhuān)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)，改變相應電阻的阻值就可改變放大器的增益，由于采用改變電阻來(lái)控制放大器增益的方案具有概念清晰、電路組成簡(jiǎn)單、實(shí)現容易、成本低廉，可較好地滿(mǎn)足實(shí)際要求，通常采用該方案，具體實(shí)現方法又有以下幾種：

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

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

　　(3)采用數字電位器(如X9312，X9241等)，通過(guò)軟件控制寫(xiě)入到電位器相關(guān)寄存器的數值來(lái)改變電阻阻值。

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

　　4 減小增益誤差的措施

　　由于數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(méi)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字電位器，這取決于元件制造工藝的發(fā)展，目前還無(wú)法達到。

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

　　(3)利用軟件修改滑動(dòng)端計數寄存器(WCR)的值，進(jìn)一步調整放大器的增益，使增益滿(mǎn)足實(shí)際要求。

　　5 結語(yǔ)

　　利用數字電位器實(shí)現對放大器增益的控制，具有電路簡(jiǎn)單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)采取措施也可實(shí)現對放大器增益較高精度的控制，增益的調整是通過(guò)選擇數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(lái)達到的，可控增益放大器可應用于采集系統中的信號調理或要求放大器增益能程控的場(chǎng)合。應當說(shuō)明，隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和制造水平的不斷提高，數字電位器的種類(lèi)愈加豐富，性能也日趨完善，應根據具體應用的要求進(jìn)行選擇。