基于I2C總線(xiàn)的新型可編程增益放大電路的設計

圖1 可編程增益放大器硬件原理圖

　　按照功能，硬件可分為五個(gè)部分：（1）增益可變放大器；（2）微控制器；（3）數字電位器；（4）多路開(kāi)關(guān)選擇。

電路特點(diǎn)及功能

　　該電路以單片機89C2051為核心組成微處理系統，用軟件實(shí)現放大器增益的智能控制。該電路先對輸入信號的大小進(jìn)行判斷，以一定算法得到相應放大倍數，然后轉化為增益碼再通過(guò)I2C總線(xiàn)傳遞給數字電位器，選擇相應的反饋電阻輸出，從而改變放大器的放大倍數。

微控制器及A/D轉換電路

　　在模擬輸入信號進(jìn)入微控制器前，首先要將模擬信號轉換成數字信號，本文微控制器部分選用單片機AT89C2051，充分利用AT89C2051在對單輸入信號的A/D轉換方面的優(yōu)勢。該芯片利用P1.0、P1.1兩個(gè)I/O口，再配以簡(jiǎn)單的外圍電路，通過(guò)軟件編程即可實(shí)現單輸入的A/D轉換，不需要專(zhuān)門(mén)的外部A/D芯片，該方法降低了開(kāi)發(fā)成本、減少了電路體積和器件。

數字電位器

　　AT89C2051對轉換后的數字信號進(jìn)行處理，得到相應的放大倍數，轉化為增益碼輸出到數字電位器，由增益碼控制數字電位器的阻值輸出，從而改變增益可變放大器的放大倍數。

　　本文數字電位器采用Xicor公司的X9241芯片，該芯片是把四個(gè)非易失性數控電位器集成在一個(gè)單片的CMOS微電路。單個(gè)數控電位器包含63個(gè)電阻單元，可實(shí)現64級增益控制，四個(gè)電位器串聯(lián)則可以提供256級的增益控制。若256級增益設置仍然不能滿(mǎn)足大動(dòng)態(tài)范圍信號的要求，那么可以采用多片X9241串聯(lián)的方法解決。

　　在每個(gè)電阻單元之間和二個(gè)端點(diǎn)都有可以被滑動(dòng)單元訪(fǎng)問(wèn)的抽頭點(diǎn)，滑動(dòng)單元在陣列中的位置由用戶(hù)通過(guò)I2C串行總線(xiàn)傳遞增益碼來(lái)控制，X9241自帶I2C二線(xiàn)接口，接法簡(jiǎn)單，使用方便，可靈活控制滑臂位置，改變阻值大小。

增益可變放大器及多路選擇開(kāi)關(guān)

　　X9241芯片的四數控電位器集成特性提供了足夠大的阻值范圍，可滿(mǎn)足大動(dòng)態(tài)范圍信號放大的增益要求。

　　因此根據模擬輸入信號的大小，通過(guò)單片機獲得相應的增益控制碼，同時(shí)控制多路選擇開(kāi)關(guān)，選擇X9241相應的檔位輸出，即可獲得不同的阻值大小，控制增益可變放大器的放大倍數。

　　本文選用的增益可變放大器為ADI公司的AD623，具有低噪聲、高共模抑制比和低漂移等優(yōu)點(diǎn)。AD623可產(chǎn)生的增益范圍，性能極限主要決定于外部電阻。其中由X9241提供，具體設計時(shí)采用X9241W芯片，其內部四個(gè)數控電位器的阻值均為，因此其增益范圍為，增益誤差小于0.05%，且呈現極好的交流特性，具有25MHz的增益帶寬積、的轉換速率和的響應時(shí)間。

可編程增益放大器的軟件設計

　　設計過(guò)程當中，數字電位器滑臂位置的控制起著(zhù)非常重要的作用，對它的控制是通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現的?？偩€(xiàn)是目前常用的一種雙向串行總線(xiàn)，其二線(xiàn)制的結構非常簡(jiǎn)單，可靠性和抗干擾性較好，同時(shí)具有接法簡(jiǎn)單、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

　　單片機AT89C2051沒(méi)有專(zhuān)用的總線(xiàn)接口，要用普通I/O口來(lái)模擬實(shí)現，所以對該可編程增益放大器的設計來(lái)說(shuō)，其軟件模擬總線(xiàn)的實(shí)現在軟件設計中就顯得相當重要。
　　在單片機中使用I/O口模擬總線(xiàn)時(shí)，只需將單片機的兩個(gè)I/O口，在軟件中分別定義成SCL（串行時(shí)鐘信號）與SDA（串行數據信號），與X9241的兩個(gè)接口連接，再加上上拉電阻即可。其連接圖為：

圖2 單片機與X9241之間的I2C連接

　　普通口模擬I2C總線(xiàn)的硬件連接非常簡(jiǎn)單，主要是軟件模擬I2C總線(xiàn)的數據傳送。一次完整的數據傳送包括開(kāi)始、數據發(fā)送、應答以及停止等典型信號。此外，在軟件模擬過(guò)程中，還需注意的一點(diǎn)，即對標準I2C總線(xiàn)的數據傳送，規定了嚴格的時(shí)序要求，以保證數據傳送的可靠性。I2C總線(xiàn)上時(shí)鐘信號的最小低電平周期為，最小高電平周期為，總線(xiàn)時(shí)鐘頻率為，根據這些要求，具體實(shí)現時(shí)，我們采用時(shí)鐘信號的最小、最高周期均定為。

　　圖3為軟件模擬I2C總線(xiàn)控制數字電位器的流程圖。對X9241的控制主要由三個(gè)字節實(shí)現，第一字節為器件地址，即X9241的地址；第二字節為命令內容和電位器的選擇，即選擇讀/寫(xiě)四個(gè)電位器中的哪一個(gè)；第三字節為滑臂位置控制，即選擇具體的阻值大小。

圖3 軟件模擬I2C總線(xiàn)控制數字電位器的流程圖