基于X9241数字电位器的可控增益放大器
1 引言 X9241是把4个E2POT数字电位器集成在单片CMOS集成电路上的一种数字电位器，其功能框图如图1所示，其中包含4个电阻阵列，每个阵列包含63个电阻单元，在每个单元之间和两个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。滑动单元在阵列中的位置由用户通过I2C总线控制，每个电阻阵列与1个滑动端计数寄存器(WCR)和4个8位数据寄存器相联系，4个数据寄存器可由用户读写，滑动端计数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列中的位置。数据寄存器的内容可以传输到滑动端计数寄存器以设置滑动端位置，当前滑动端的位置也可以传输到任何与之联系的数据寄存器中。滑动端计数寄存器是易失性的，器件上电时，滑动端计数寄存器自动装入数据寄存器R0的值。4个数据寄存器是非易失性的，如果在应用中不需要对电位器进行多种设置，则可作为通用存储单元保存系统参数或用户数据。X9241型号有Y，W，U和M后缀，表示内部电位器的不同组成，其中X9241M内部的4个电位器阻值分别为2 kΩ，10 kΩ，10 kΩ和50 kΩ。使用X9241数字电位器能方便地实现可控增益放大器的设计。
2 可控增益放大器的设计 方案一：采用A／D／A+DSP构成的数字信号处理系统来实现，该方案的系统组成复杂、成本较高。 方案二：采用可编程放大器，由于采用专用芯片，增益控制受限于芯片所提供的能力，灵活性差，其成本也较高。 方案三：众所周知，放大器的增益与电阻有关，改变相应电阻的阻值就可改变放大器的增益，由于采用改变电阻来控制放大器增益的方案具有概念清晰、电路组成简单、实现容易、成本低廉，可较好地满足实际要求，通常采用该方案，具体实现方法又有以下几种： (1)通过小型继电器切换不同阻值的固定电阻来改变电阻，各固定电阻是经理论计算并经调试后确定的。 (2)采用电阻型光耦合器(如AD521L／H等)，通过控制其发光管电流实现电阻阻值的改变。 (3)采用数字电位器(如X9312，X9241等)，通过软件控制写入到电位器相关寄存器的数值来改变电阻阻值。 采用小型继电器的方法仅适用于所控制的电阻较少的情形，当要求控制的增益种类总数较多时，便形成了继电器阵列，使得电路结构庞大，其控制的可靠性也大大降低。另外，继电器切换过程中也难免会对其他电路产生干扰。 电阻型光耦合器具有较好的隔离效果，但须配合D／A转换电路以及放大电路才能工作，其电路构成复杂、成本较高。另外，电阻型光耦合器发光二极管电流和其电阻值呈非线性关系，这又使控制难度加大。 第(3)种方法采用数字电位器，具有电路结构简单、使用方便等优点，只要所选用的数字电位器有足够高的分辨率，即可满足对增益控制的要求。可选用X9241M数字电位器，其内部有4个电位器，具有三种阻值，每个电位器的分辨力达1／63，芯片控制采用I2C总线，对于不同的电压增益可选用不同阻值的电位器，并通过改变该电位器滑动端计数寄存器的数值来改变滑动端相对于固定端的电阻值，从而实现增益的调整。 3 基于X9241的可控增益放大器实现 现以电流传感器自动量程变换中的显示电路部分为例，介绍利用X9241实现的可控增益放大器。设传感器量程为：100 A，300 A和500 A，无论传感器处于任何量程，其满度输出电流均为100 mA，I／V转换采用的电阻为5 Ω，其输出VM在满度时的电压均为0.5 V，为了用数字电压表(三位半，2 V量程)正确显示被测电流的大小，仅利用数字电压表的三位，则需要增加如图2所示的放大电路，相应的放大倍数分别为：0.2，0.6和1倍，第一级放大器的反馈电阻应分别为：0.2 kΩ，0.6 kΩ和10 kΩ。 利用X9241M数字电位器取代图2中的R2，R3和R4，其中R4选择10 kΩ电位器，R2和R3选用2 kΩ电位器，其主要电路如图3所示。图中用AT89S52单片机的P3.0和P3.1模拟I2C总线，对X9241M进行控制。对于单片机及其具体编程，可参考的资料很多，不再赘述。
通常，编程的关键是对数字电位器进行选择和控制，即如何确定所需要的电位器及其滑动端计数寄存器(WCR)的值，其处理流程可参见图4。
4 减小增益误差的措施 由于数字电位器所提供的阻值为一系列离散值，在这些离散值中可能没有完全符合要求的阻值，这是产生增益误差的主要原因，可采取如下措施： (1)选用足够高分辨率的数字电位器，这取决于元件制造工艺的发展，目前还无法达到。 (2)采用内含多种不同额定阻值的数字电位器(如X9241M)芯片，将阻值大小不同的电位器相串联，以满足对电阻阻值有效位数的需要，进一步提高增益控制的精度。 (3)利用软件修改滑动端计数寄存器(WCR)的值，进一步调整放大器的增益，使增益满足实际要求。 5 结语 利用数字电位器实现对放大器增益的控制，具有电路简单、控制方便、成本低廉等优点。通过采取措施也可实现对放大器增益较高精度的控制，增益的调整是通过选择数字电位器中不同阻值的电位器以及软件的进一步修正来达到的，可控增益放大器可应用于采集系统中的信号调理或要求放大器增益能程控的场合。应当说明，随着技术的进步和制造水平的不断提高，数字电位器的种类愈加丰富，性能也日趋完善，应根据具体应用的要求进行选择。
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