一、數(shù)字電位器簡(jiǎn)介

數(shù)字電位器是一種可由數(shù)字信號(hào)控制的電位器，當(dāng)前使用范圍十分廣泛，區(qū)別于滑動(dòng)、機(jī)械調(diào)節(jié)的電位器，而是屬于集成電路，優(yōu)點(diǎn)主要有：可以進(jìn)行細(xì)調(diào)，調(diào)節(jié)精度高，無(wú)機(jī)械磨損，壽命高; 缺點(diǎn)：不能對(duì)阻值連續(xù)調(diào)整，只能按芯片位數(shù)的最小間隔調(diào)整。

數(shù)字電位器最終控制的是阻值的變化，依據(jù)此性能可以在不同的原理下，實(shí)現(xiàn)分壓、電流控制、增益控制、信號(hào)控制、偏移調(diào)整等應(yīng)用。

二、FPGA硬件設(shè)計(jì)

2.1 以AD5174BRMZ-10為例

AD5174BRMZ-10是一款1024位的，10K數(shù)字電位器，SPI接口。 功能框圖如下：

芯片各引腳功能介紹如下：

2.2 原理連接

右端3個(gè)信號(hào)連入到FPGA引腳，左端SIG_OUT是數(shù)字電位器電阻輸出端。

三、FPGA代碼設(shè)計(jì)

3.1 芯片手冊(cè)代碼使用信息匯總

由數(shù)字電位器芯片時(shí)序要求中下圖紅框內(nèi)需求，可得FPGA的PLL最小時(shí)鐘需要在100MHz。

由芯片寄存器內(nèi)容要求，可知每次需要在SPI中寫(xiě)入16位數(shù)據(jù)，分別是：00+控制位(4bits)+數(shù)據(jù)位(10bits)

由芯片寫(xiě)時(shí)序框圖中，可知，SPI數(shù)據(jù)在時(shí)鐘下降沿寫(xiě)入。

芯片SPI讀的功能與實(shí)現(xiàn)，本文未涉及。

由命令真值表，可得各功能對(duì)命令的操作，本文主要介紹對(duì)數(shù)字電位器的寫(xiě)入操作，所以使用以下兩條命令：

第1條:串行數(shù)據(jù)寫(xiě)入到RDAC寄存器，用于控制芯片電阻值輸出。

第7條:串行數(shù)據(jù)寫(xiě)入到控制寄存器，對(duì)芯片進(jìn)行設(shè)置。

由控制寄存器位映射，可得相應(yīng)位的設(shè)置功能。

3.2 FPGA的SPI數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

先進(jìn)行BLOCK的設(shè)計(jì)，輸入部分根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的平臺(tái)工程而定，輸出則是與數(shù)字電位器連接的SPI口。

時(shí)鐘的輸入各位可以定義constant，std_logic_vector(71 downto 0)，共72位，其中包括：

起始00(2bits)+控制字時(shí)鐘(32bits)+分隔位(4bits)+設(shè)置數(shù)據(jù)時(shí)鐘(32bits)+結(jié)束00(2bits)

例：001010101010101010101010101010101000001010101010101010101010101010101000

片選相應(yīng)各位同時(shí)鐘定義，在起始、分隔、結(jié)束時(shí)為高，其它數(shù)據(jù)傳輸為有效低電平

例：100000000000000000000000000000000011100000000000000000000000000000000011

數(shù)據(jù)輸入定義同時(shí)鐘定義，詳細(xì)如下：

控制字輸入36位：

起始00(2bits)+ 補(bǔ)充兩位0(4bits)+控制字0111(8bits)+ 10位數(shù)據(jù)(20bits)+結(jié)束00(2bits)

此處注意，之所以每位數(shù)據(jù)，在代碼中用了2個(gè)bits，是為滿(mǎn)足FPGA模擬出的時(shí)鐘高低電平對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都有保持。

例：000000001111110000000000000000111100

數(shù)據(jù)輸入36位：

分隔無(wú)效位(6bits)+控制字0001(8bits)+10位數(shù)據(jù)(20bits)+結(jié)束00(2bits)

例：00000000000011“R9R9R8R8R7R7R6R5R5R4R4R3R3R2R1R1R0R0”&“00”

3.3 波形測(cè)量

3.4 驗(yàn)證

根據(jù)數(shù)字輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合原理分壓情況，可得理論值，與實(shí)際測(cè)量比較可以進(jìn)行確認(rèn)。 需要注意的事，在0標(biāo)度情況下，數(shù)字電位器AD5174BRMZ-10有120Ω的電阻限制。

數(shù)字電位器輸出電阻Ro計(jì)算公式如下：

輸出電壓Vo的計(jì)算公式如下：