基于X9241數字電位器的可控增益放大器

　　X9241是把4個E2POT數字電位器集成在單片CMOS集成電路上的一種數字電位器，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個滑動端計數寄存器(WCR)和4個8位數據寄存器相聯系，4個數據寄存器可由用戶讀寫，滑動端計數寄存器的內容控制滑動端在電阻陣列中的位置。數據寄存器的內容可以傳輸到滑動端計數寄存器以設置滑動端位置，當前滑動端的位置也可以傳輸到任何與之聯系的數據寄存器中。滑動端計數寄存器是易失性的，器件上電時，滑動端計數寄存器自動裝入數據寄存器R0的值。4個數據寄存器是非易失性的，如果在應用中不需要對電位器進行多種設置，則可作為通用存儲單元保存系統參數或用戶數據。X9241型號有Y，W，U和M后綴，表示內部電位器的不同組成，其中X9241M內部的4個電位器阻值分別為2 kΩ，10 kΩ，10 kΩ和50 kΩ。使用X9241數字電位器能方便地實現可控增益放大器的設計。

　　2 可控增益放大器的設計

　　方案一：采用A/D/A+DSP構成的數字信號處理系統來實現，該方案的系統組成復雜、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，改變相應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，各固定電阻是經理論計算并經調試后確定的。

　　(2)采用電阻型光耦合器(如AD521L/H等)，通過控制其發光管電流實現電阻阻值的改變。

　　(3)采用數字電位器(如X9312，X9241等)，通過軟件控制寫入到電位器相關寄存器的數值來改變電阻阻值。

　　X9241是把4個E2POT數字電位器集成在單片CMOS集成電路上的一種數字電位器，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個滑動端計數寄存器(WCR)和4個8位數據寄存器相聯系，4個數據寄存器可由用戶讀寫，滑動端計數寄存器的內容控制滑動端在電阻陣列中的位置。數據寄存器的內容可以傳輸到滑動端計數寄存器以設置滑動端位置，當前滑動端的位置也可以傳輸到任何與之聯系的數據寄存器中。滑動端計數寄存器是易失性的，器件上電時，滑動端計數寄存器自動裝入數據寄存器R0的值。4個數據寄存器是非易失性的，如果在應用中不需要對電位器進行多種設置，則可作為通用存儲單元保存系統參數或用戶數據。X9241型號有Y，W，U和M后綴，表示內部電位器的不同組成，其中X9241M內部的4個電位器阻值分別為2 kΩ，10 kΩ，10 kΩ和50 kΩ。使用X9241數字電位器能方便地實現可控增益放大器的設計。

　　2 可控增益放大器的設計

　　方案一：采用A/D/A+DSP構成的數字信號處理系統來實現，該方案的系統組成復雜、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，改變相應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，各固定電阻是經理論計算并經調試后確定的。

　　(2)采用電阻型光耦合器(如AD521L/H等)，通過控制其發光管電流實現電阻阻值的改變。

　　(3)采用數字電位器(如X9312，X9241等)，通過軟件控制寫入到電位器相關寄存器的數值來改變電阻阻值。

　　通常，編程的關鍵是對數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字電位器，這取決于元件制造工藝的發展，目前還無法達到。

　　(2)采用內含多種不同額定阻值的數字電位器(如X9241M)芯片，將阻值大小不同的電位器相串聯，以滿足對電阻阻值有效位數的需要，進一步提高增益控制的精度。

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

　　5 結語

　　利用數字電位器實現對放大器增益的控制，具有電路簡單、控制方便、成本低廉等優點。通過采取措施也可實現對放大器增益較高精度的控制，增益的調整是通過選擇數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用于采集系統中的信號調理或要求放大器增益能程控的場合。應當說明，隨著技術的進步和制造水平的不斷提高，數字電位器的種類愈加豐富，性能也日趨完善，應根據具體應用的要求進行選擇。