基于X9241數(shù)字電位器的可控增益放大器

　　X9241是把4個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個電阻陣列，每個陣列包含63個電阻單元，在每個單元之間和兩個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點。滑動單元在陣列中的位置由用戶通過I2C總線控制，每個電阻陣列與1個滑動端計數(shù)寄存器(WCR)和4個8位數(shù)據(jù)寄存器相聯(lián)系，4個數(shù)據(jù)寄存器可由用戶讀寫，滑動端計數(shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動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)交瑒佣擞嫈?shù)寄存器以設(shè)置滑動端位置，當(dāng)前滑動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?；瑒佣擞嫈?shù)寄存器是易失性的，器件上電時，滑動端計數(shù)寄存器自動裝入數(shù)據(jù)寄存器R0的值。4個數(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行多種設(shè)置，則可作為通用存儲單元保存系統(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現(xiàn)可控增益放大器的設(shè)計。

　　2 可控增益放大器的設(shè)計

　　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、實現(xiàn)容易、成本低廉，可較好地滿足實際要求，通常采用該方案，具體實現(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。

　　X9241是把4個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個電阻陣列，每個陣列包含63個電阻單元，在每個單元之間和兩個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點。滑動單元在陣列中的位置由用戶通過I2C總線控制，每個電阻陣列與1個滑動端計數(shù)寄存器(WCR)和4個8位數(shù)據(jù)寄存器相聯(lián)系，4個數(shù)據(jù)寄存器可由用戶讀寫，滑動端計數(shù)寄存器的內(nèi)容控制滑動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)交瑒佣擞嫈?shù)寄存器以設(shè)置滑動端位置，當(dāng)前滑動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。滑動端計數(shù)寄存器是易失性的，器件上電時，滑動端計數(shù)寄存器自動裝入數(shù)據(jù)寄存器R0的值。4個數(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行多種設(shè)置，則可作為通用存儲單元保存系統(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現(xiàn)可控增益放大器的設(shè)計。

　　2 可控增益放大器的設(shè)計

　　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、實現(xiàn)容易、成本低廉，可較好地滿足實際要求，通常采用該方案，具體實現(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。

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

　　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，進一步提高增益控制的精度。

　　(3)利用軟件修改滑動端計數(shù)寄存器(WCR)的值，進一步調(diào)整放大器的增益，使增益滿足實際要求。

　　5 結(jié)語

　　利用數(shù)字電位器實現(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。通過采取措施也可實現(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一步修正來達到的，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)用的要求進行選擇。