基于X9241數(shù)字電位器的可控增益放大器

　1 引言

　　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(diǎn)都有可以被滑動單元訪問的抽頭點(diǎn)。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(jì)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(jì)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?jì)數(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?jì)數(shù)寄存器是易失性的，器件上電時，滑動端計(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)可控增益放大器的設(shè)計(jì)。

　　2 可控增益放大器的設(shè)計(jì)

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

　　采用小型繼電器的方法僅適用于所控制的電阻較少的情形，當(dāng)要求控制的增益種類總數(shù)較多時，便形成了繼電器陣列，使得電路結(jié)構(gòu)龐大，其控制的可靠性也大大降低。另外，繼電器切換過程中也難免會對其他電路產(chǎn)生干擾。

　　電阻型光耦合器具有較好的隔離效果，但須配合D／A轉(zhuǎn)換電路以及放大電路才能工作，其電路構(gòu)成復(fù)雜、成本較高。另外，電阻型光耦合器發(fā)光二極管電流和其電阻值呈非線性關(guān)系，這又使控制難度加大。

　　第(3)種方法采用數(shù)字電位器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，只要所選用的數(shù)字電位器有足夠高的分辨率，即可滿足對增益控制的要求?？蛇x用X9241M數(shù)字電位器，其內(nèi)部有4個電位器，具有三種阻值，每個電位器的分辨力達(dá)1／63，芯片控制采用I2C總線，對于不同的電壓增益可選用不同阻值的電位器，并通過改變該電位器滑動端計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值來改變滑動端相對于固定端的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)整。

　　3 基于X9241的可控增益放大器實(shí)現(xiàn)

　　現(xiàn)以電流傳感器自動量程變換中的顯示電路部分為例，介紹利用X9241實(shí)現(xiàn)的可控增益放大器。設(shè)傳感器量程為：100 A，300 A和500 A，無論傳感器處于任何量程，其滿度輸出電流均為100 mA，I／V轉(zhuǎn)換采用的電阻為5 Ω，其輸出VM在滿度時的電壓均為0.5 V，為了用數(shù)字電壓表(三位半，2 V量程)正確顯示被測電流的大小，僅利用數(shù)字電壓表的三位，則需要增加如圖2所示的放大電路，相應(yīng)的放大倍數(shù)分別為：0.2，0.6和1倍，第一級放大器的反饋電阻應(yīng)分別為：0.2 kΩ，0.6 kΩ和10 kΩ。