基于數字電位器X9312的功率調節電路

圖1 X9312的結構框圖

圖2 X9312的引腳配置圖

圖3 NE555組成的占空比可調的脈沖振蕩器

圖4 帶微調數字電位器的調功器電路圖

數字電位器X 9312
數字電位器一般用電阻陣列和多路模擬開(kāi)關(guān)組合實(shí)現電阻值的改變，克服了模擬電位器噪聲大、磨損大、怕振動(dòng)、壽命短的主要缺點(diǎn)。尤其重要的是數字電位器具有可編程能力，可方便地實(shí)現與單片機的接口，實(shí)質(zhì)上是一種特殊的數模轉換器。其模擬量輸出不是電壓或電流，而是電阻或電阻比率，允許用戶(hù)直接程序控制，利用電阻值或電阻比率變化進(jìn)行參數調整。
Xicor 公司生產(chǎn)的非易失性數字電位器可以滿(mǎn)足各種分辨率和控制精度的要求，幾乎可取代所有模擬電路中的機械電位器。X9312是Xicor 非易失性數字電位器系列中的典型產(chǎn)品之一，圖1為X9312的結構框圖，圖2是X9312的引腳配置圖。
X9312有三個(gè)組成部分：電阻陣列；非易失性存貯器；輸入控制、計數器、譯碼器。
X9312的電阻陣列帶溫度補償，包含99個(gè)電阻單元，在每?jì)蓚€(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)單元的位置由、和三個(gè)輸入端控制。只有置低，X9312被選中，才能使和輸入端接受信號。在輸入端由高變低時(shí)將增加或減少(這取決于輸入端的狀態(tài))7位計數器的值，計數器的輸出被譯碼，進(jìn)行一百選一的操作，使滑動(dòng)端的位置沿電阻陣列移動(dòng)。計數器的值不會(huì )從全0跳至全1，也不會(huì )從全1跳至全0，因此滑動(dòng)端到達電阻陣列的一個(gè)極端時(shí)不會(huì )跳至另一極端而循環(huán)往復?；瑒?dòng)端的位置可以被貯存到一個(gè)非易失性存貯器中，因而在下一次上電工作時(shí)可以重新調用。X9312的分辨率等于最大的電阻值除以99。例如X9312T(100KΩ)的每?jì)蓚€(gè)抽頭間的阻值為1010Ω。

基于X9312的功率調節電路
圖3(a)是用NE555組成的占空比可調的脈沖振蕩器，該振蕩器占空比調節范圍較大，NE555工作于無(wú)穩態(tài)工作方式。此電路實(shí)現占空比調節的關(guān)鍵器件是電位器W，數字電位器X9312用于圖3(a)的電路中，替換機械電位器，就可在單片機控制下直接調整輸出脈沖的占空比，驅動(dòng)固態(tài)繼電器實(shí)現功率調節，其電路如圖3(b)所示。
某型標準恒溫油槽是根據國家頒布的計量檢定規程要求而專(zhuān)門(mén)設計制造的，主要用于溫度傳感器檢定，最大加熱功率為4000瓦，工作溫度可在0℃~300℃間根據需要設定，達到設定溫度并穩定后,要求15分鐘內溫度波動(dòng)小于±0.01℃，在對該型恒溫油槽進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，采用了基于數字電位器X9312的功率調節電路作為控制系統的執行機構。由于該標準恒溫油槽對溫度波動(dòng)的要求很高，因此要求功率調節電路能進(jìn)行非常精細的功率調節。而數字電位器由于生產(chǎn)工藝等因素的限制，目前其抽頭數最大一般為256，圖3電路中的X9312的抽頭數僅為100，也就是說(shuō)圖3電路只能按加熱絲最大功率的百分之一的分辨力進(jìn)行功率調節，其功率調節精度難以滿(mǎn)足恒溫油槽的要求。為此，在圖3電路的基礎上增加了微調數字電位器，使功率調節分辨能力達到加熱絲最大功率的萬(wàn)分之一，圖4為其電路圖。
圖中數字電位器U2、U4是粗調電位器，兩者同步調節，選用X9312TP，阻值為100KW，抽頭數為100，每一檔阻值約為1KW。U3是微調電位器，選用X9312ZP，阻值為1KΩ，抽頭數為100，每一檔阻值約為10Ω。微調電位器將粗調電位器的每一檔又分為100檔，因此分辨能力為最大加熱功率的萬(wàn)分之一。固態(tài)繼電器選用30A/220V交流過(guò)零型。R1、R2決定占空比的最大值和最小值，應盡可能的小，以增大功率調節范圍，但受數字電位器滑動(dòng)端所能承受最大電流的限制，應根據需要綜合考慮。X9312滑動(dòng)端所能承受的最大電流為±1mA，選擇圖中阻值時(shí)，實(shí)測X9312滑動(dòng)端電流約為0.1mA，必要時(shí)R1、R2可進(jìn)一步減小，但已滿(mǎn)足了恒溫油槽功率調節范圍的需要，為保證數字電位器的安全工作，R1、R2沒(méi)有選擇更小的阻值。電容C應選擇漏電小的鉭電解電容，其容量決定固態(tài)繼電器的開(kāi)關(guān)周期。

單片機控制程序
單片機對功率調節電路進(jìn)行調節的程序框圖如圖5所示。其中單片機的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7引腳分別接微調電位器片選、粗調電位器片選和升/降控制輸入引腳、輸入時(shí)鐘引腳，P2.6、P2.7為微調和粗調電位器共用，根據片選信號區分兩電位器。
程序中，位尋址單元SIGN1為PID運算所決定的功率調整方向，SIGN1為1時(shí)，減小功率；為0時(shí)，增大功率。單片機的58H、59H單元為調整量寄存器，存放PID運算結果，決定調整量的大小，功率調節子程序執行完時(shí)，該寄存器應為全0。內存的W0P、W1P單元記錄微調、粗調電位器當前所處的位置，當W0、W1均位于最高(低)端時(shí)，說(shuō)明加熱功率為最大(小)，此時(shí)已無(wú)法繼續增大(減小)功率，因此不作調整。

圖5 功率調節電路調節程序框圖

結語(yǔ)
用該電路改進(jìn)的恒溫油槽經(jīng)測試完全符合計量檢定規程的要求，15分鐘內的溫度波動(dòng)小于±0.01℃。適當調整控制系統的PID參數后用于某型恒溫水槽，其15分鐘內的溫度波動(dòng)小于±0.008℃，優(yōu)于計量檢定規程要求的±0.01℃溫度波動(dòng)要求。
基于數字電位器X9312的功率調節電路在實(shí)際應用中體現出以下特點(diǎn)：電路結構簡(jiǎn)單，調試方便，整個(gè)功率調節電路僅十余個(gè)元件，只要焊接無(wú)誤，幾乎不需要調試；成本低，除固態(tài)繼電器需根據加熱功率選擇外，其它器件總成本非常低；單片機僅在需要改變功率時(shí)對數字電位器進(jìn)行操作，不操作時(shí)調功器保持最后一次操作所確定的功率，不需要單片機不斷地對I/O引腳進(jìn)行操作以產(chǎn)生控制脈沖，不占用片內的定時(shí)器，軟件編寫(xiě)十分方便；適用范圍廣，只要更換合適的固態(tài)繼電器，就能用于小到幾瓦、大到幾十千瓦的功率調節中，不僅能用于直流電、單相交流電，還能用于三相交流電?！?/P>

參考文獻
1 詹樹(shù)仁等譯．Xicor非易失性器件使用手冊．武漢．力源電子股份有限，1996.5
2 曹巧媛編著(zhù)．單片機原理及應用．北京．電子工業(yè)出版社，1997.7