高分辨率數(shù)字電位器的軟件實(shí)現(xiàn)

引言

與機(jī)械電位器相比，數(shù)字電位器有許多優(yōu)點(diǎn)。但是在有些應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)字電位器的分辨率往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，通常最大抽頭數(shù)為1 024。以X9241為例，內(nèi)部包括一個(gè)I2C接口和4個(gè)64抽頭的數(shù)字電位器，可獨(dú)立使用，也可串聯(lián)使用，如按常規(guī)方法使用，其分辨率較低，即使4個(gè)電位器串聯(lián)，也只能達(dá)到256個(gè)抽頭。本文提出了一種軟件、硬件結(jié)合的方法，可使電位器的中間抽頭數(shù)達(dá)到8 001個(gè)，分辨率達(dá)到O．008％。

1 設(shè)計(jì)原理

1．1 基本原理

高分辨率數(shù)字電位器POT由4個(gè)電位器組成，如圖1所示，4個(gè)數(shù)字電位器POT0、POT1、POT2、POT3均為64抽頭數(shù)字電位器。 POTO、 POT3的固定端并聯(lián)，滑動(dòng)端分別接POT12的固定端。POT12由POT1、POT2串聯(lián)，組成一個(gè)127抽頭的電位器。4個(gè)獨(dú)立電位器阻值相等，可根據(jù)需要選取。高分辨率數(shù)字電位器的固定端為VH、VL，滑動(dòng)端為VW，VW由POT1、POT2的2個(gè)滑動(dòng)端并連。

假設(shè)POT0、POT1、POT2、POT3、POT12的滑動(dòng)端位置分別為x0、x1、x2、x3、y，POT的滑動(dòng)端位置為z。

現(xiàn)采取以下控制策略：

①若POT3的滑動(dòng)端位置為x，則POTO的滑動(dòng)端位置同步調(diào)節(jié)到x+1，即兩電位器始終保持1的間隔，相當(dāng)于粗調(diào)節(jié)；

②調(diào)節(jié)POTl2滑動(dòng)端位置y，相當(dāng)于把間隔為1的區(qū)間再細(xì)分若干等分，即細(xì)調(diào)節(jié)。

采用等校電路法，可得到z與x、y的關(guān)系。

設(shè)VL、VH端電位分別為0、U，滑動(dòng)端電位為UW，根據(jù)電學(xué)公式可得：

?
其中，U0W、U1W分別為POT1、POT1滑動(dòng)端輸出電位，并加到POT12的兩個(gè)固定端。

由式(1)、式(2)推出式(3)，得VW端輸出電位。

即電位器POT的滑動(dòng)端相對(duì)于VL的電阻阻值為：

若規(guī)定z的步進(jìn)增量為1，則有：

其中，R為電位器固定端的阻值，x的取值范圍為0～62，y的取值范圍為0～127。z的取值范圍為0～8 001。分辨率為O．008％，中間抽頭數(shù)為8 001個(gè)。

因?yàn)閤、y、z均為整數(shù)，所以有：

即x為z／127的取整，y為z／127的取余。

1．2 控制算法

式(5)、(6)即為實(shí)現(xiàn)高分辨率數(shù)字電位器的基本公式。為了軟件設(shè)計(jì)，還必須建立POT的中間抽頭位置z與POT0、POT1、POT2、POT3的中間抽頭位置的關(guān)系。

根據(jù)圖1可知：

2 硬件電路

2．1 X9241數(shù)字電位器

X9241是Xicor公司生產(chǎn)的數(shù)字電位器，內(nèi)部包括1個(gè)I2C接口和4個(gè)64位數(shù)字電位器POTO、POT1、POT2、POT3。每個(gè)數(shù)字電位器由電阻陣列及與之對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)端計(jì)數(shù)寄存器WCR、4個(gè)位數(shù)據(jù)寄存器R0～R3等部分構(gòu)成。其引腳配置如圖3所示。

每個(gè)電位器由63個(gè)電阻段組成，每個(gè)電阻陣列的物理終端等效于機(jī)械電位器的固定端(VH、VL)。每個(gè)陣列的VH和VL以及每個(gè)電阻段之間的接點(diǎn)(即抽頭)通過(guò)FET開(kāi)關(guān)連接滑動(dòng)輸出端，而滑動(dòng)端在電阻陣列中的位置由從WCR控制。其中，VW、VW1、VW2、VW3分別為4個(gè)電位器的滑動(dòng)端，VL0、 VL1、VL2、VL3分別為4個(gè)電位器的低端、VH0、VH1、VH2、VH3分別為4個(gè)電位器的高端。如果將4個(gè)電阻陣列中的2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)串聯(lián)，可構(gòu)成127、190或253抽頭的數(shù)字電位器。芯片采用I2C總線接口，SDA、SCL分別為串行數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘。A0～A3為芯片地址設(shè)置位。

X9241提供了把陣列串聯(lián)起來(lái)的方法，可以把1個(gè)陣列的63個(gè)電阻元件與1個(gè)相鄰陣列的電阻元件串聯(lián)起來(lái)。其控制位在3字節(jié)的指令中，其數(shù)據(jù)字節(jié)包括用來(lái)定義滑動(dòng)端位置的6位(LSB)加上高2位：CM(串聯(lián)方式)和DW(禁止滑動(dòng)端)。數(shù)據(jù)字節(jié)如下所示：

2．2 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)原理和圖3的引腳配置圖，可實(shí)現(xiàn)高分辨率數(shù)字電位器的電路設(shè)計(jì)，如圖4所示。

①SDA、SCL是I2C總線的串行數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘，與單片機(jī)的I／O線相連，單片機(jī)是主器件，X9241是從器件，器件地址為：

0 1 0 1 A3 A2 A1 A0

高4位固定，低4位由A3～A0的接線方式所決定，按照?qǐng)D4電路的接線方式，X9241的從地址為50H。

②為了提高線性度，可在VW0與VL1之間加入1級(jí)運(yùn)算放大器組成的跟隨器，VW3與VH2之間也加入1級(jí)。其改進(jìn)電路如圖5所示。

3 程序設(shè)計(jì)

3．1 讀寫(xiě)單個(gè)數(shù)字電位器函數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)X9241的指令結(jié)構(gòu)和控制時(shí)序，可以編寫(xiě)讀寫(xiě)單個(gè)數(shù)字電位器的程序。

(1)改變電位器中間抽頭命令(寫(xiě)WCR)時(shí)序以寫(xiě)電位器POT0為例，把電位器0的中間抽頭WCR設(shè)置為20H(X9241每個(gè)電位器的最大抽頭數(shù)是 64，即有效值小于63)。命令控制字為101000000B，即AOH；若在電路中AOA1A2A3均接低電平，則器件地址為01010000B，即 50H。其命令序列如下：

Start→發(fā)送地址50H→Ack→發(fā)送命令字A0H→ACK→發(fā)送20H→ACK→Stop。

(2)讀電位器中間抽頭位置命令(讀WCR)時(shí)序以讀電位器POT1為例，把電位器1的中間抽頭WCR位置值讀回。命令控制字為100100000B，即90H；若在電路中AOA1A2A3均接低電平，則器件地址為01010000B，即50H。其命令序列如下：

Start→發(fā)送地址50H→Ack→發(fā)送命令字90H→ACK→接收1個(gè)字節(jié)→ACK→Stop。

3．2 主函數(shù)設(shè)計(jì)

本函數(shù)的功能是把設(shè)計(jì)的數(shù)字電位器POT的中間抽頭位置z轉(zhuǎn)換為4個(gè)獨(dú)立數(shù)字電位器POT0～POT3的中間抽頭位置寄存器WCR的值x0～x3，同時(shí)控制POT1、POT2的控制位CM和DW，如圖6所示。

在流程圖中，當(dāng)y<64時(shí)，POT12(由POT1和POT2串聯(lián))的中間抽頭位置在POT2范圍內(nèi)，所以POT1的中間抽頭失效，即置DM1=1；當(dāng)y≥64時(shí)，POT12的中間抽頭位置在POT1范圍內(nèi)，所以POT2的中間抽頭失效，即置DM2=1。

結(jié)語(yǔ)

采用軟硬件協(xié)同的方法，能以較低的成本實(shí)現(xiàn)高分辯率數(shù)字電位器的設(shè)計(jì)。同一芯片中4個(gè)數(shù)字電位器的良好匹配和電壓跟隨器的應(yīng)用，使設(shè)計(jì)的數(shù)字電位器具有更好的線性度。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高帶負(fù)載能力，需要在滑動(dòng)輸出端接一輸出緩沖器。