X9241數字電位器的原理及在DSP中的應用
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1 x9241概述
本文引用地址：http://www.104case.com/article/21565.htmx9241是xicor公司生產的一種集成數字電位器。它在單一芯片上集成了4個10kω數字電位器，每個電位器的滑動端共有64個離散的調節節點，并有4個8bit的e2prom數據寄存器以及一個滑刷控制寄存器（wcr）。用戶可以通過相應指令使電位器的wcr（滑刷控制寄存器）與某個數據寄存器相關聯，也可以直接控制wcr以達到改變電位器滑動端位置的目地。x9241芯片具有i2c總線接口，可以實現寄存器映射、改變滑刷位置以及進行電位器級聯等操作。x9241采用20引腳雙列直插封裝，其引腳排列如圖1所示。其中vwi（i＝0～3）為四個獨立的10kω電位器的滑動端；vli（i＝0～3）分別為四個電位器的兩個終端；a3，a2，a1，a0為x9241芯片的設備地址；scl，sda分別為i2c接口的串行時鐘和串行數據線。x9241的工作電壓為5v。
1．1 x9241的內部結構
x9241的內部結構如圖2所示，從圖中可以看出，一個x9241芯片內含有：i2c總線接口、sda串行數據線、scl串行時鐘線以及4個pot（電位器）。每個pot
有4個8bit的e2prom數據寄存器和一個wcr滑刷控制寄存器。
1．2 x9241的控制方式
需要說明的是，雖然x9241具有i2c總線接口，但由于x9241采用特殊的3字節指令結構，而普通i2c硬件都是雙字節格式。因此最好采用軟件模擬i2c總線時序。
1．3 x9241的主要參數
x9241的主要性能參數如下：
sck，scl或其它地址輸入端相對于vss的電壓為－1～＋7v；
vh或vl相對于vss的電壓范圍為±8v；
△v＝｜vh－vl｜為16v；
x9241工作電壓范圍為5v＋10％。
因為vh或vl相對于vss的電壓范圍是±8v，所以x9241可以不受數字電路0～＋5v電源窗口的制約而廣泛地應用于各種具有正負電源的模擬電路之中。
2 x9241的指令字格式
x9241的讀／寫指令均由三段組成（如圖3所示），每段均有一個字節：第一段為從屬設備地址；第二段為指令字節；第三段為數據。
第一字段的前4位為設備類型標識，對于x9241，其固定值為0101，后4位是設備地址（a3，a2，a1，a0），這4位的0，1取值取決于芯片上的a3－a0引腳是接gnd還是接vcc。第二字段描述了操作類型和操作對象。其中前4位是指令代碼i3～i0，后4位是操作對象p1、p0和r1、r0。其中p1，p0是4個電位器的選擇編碼，r1，r0是每個電位器的4個寄存器的選擇編碼。x9241的指令集如表1所列。表中的1／0表示數據為1或0，n／a為無效位。
第三字段是8bits的數據段，它的前兩位cm、dw是控制位，其中cm是級聯模式控制位，當cm為0時，為正常模式，當cm為1時，該電位器與序號比它高一級的電位器級聯。比如，若wcr2的cm為1，表示電位器2就與電位器3級聯。dw是電位器滑動端使能控制位。當dw為0時，為正常模式，當dw為1時，該電位器的滑動端失效，即滑動端處于絕緣懸浮狀態。cm和dw配合使用可以實現電位器的級聯，并可保證級聯電位器在滑動時只有一個有效滑動端。
x9241的三字節指令序列傳輸示意圖如圖4所示，x9241還有一種遞增/遞減的控制方式，由于不常用，在此不再陳述。一個完整的x9241讀／寫時序包括以下幾個部分：
（1）起始位。以scl為高電平，sda出現下跳沿為起始標志；
（2）傳送x9241的從屬設備地址字段；
（3）接收x9241返回的ack（應答）信號，它是在scl為高電平期間，sda線上為低電平的狀態；
（4）向x9241傳送指令字段；
（5）接收x9241返回的ack信號；
（6）如果是‘寫’方式，則向x9241發送8bit數據。并接收ack信號；如果是‘讀’方式，則準備接收x9241將要返回的8bit數據，并在接收完成后，向x9241發送ack信號；
（7）停止位。以scl為高電平，sda出現上跳沿為i2c傳輸的停止標志。
3 在tms320f206型dsp中的應用
圖5是筆者在氨氮傳感器中使用x9241的部分電路示意圖。在這個電路中，用x9241上的pot0和pot3代替原模擬電路中的兩個10kω機械電位器來完成調整倍率和零點的任務。dsp的i／o2，i／o3分別連接到scl和sda端口上。該電路中，x9241的a3獳0均接地，所以它的設備地址是0000。因此在對這個芯片的電位器進行讀／寫操作時，第一字段應當是01010000，即50h（dsp的十六進制數）。
圖6和圖7分別是用io2和io3模擬i2c總線時，對x924進行讀、寫的子程序流程圖。
使用數字電位器的主要優勢是定位精度高，不受機械震動影響，并可以通過程控來實現半自動化調節。另外，由于數字電位器的vh、vl電壓窗口較寬，因而能在許多場合取代機械模擬電位器。使用數字電位器的缺點是不能連續調節。由于每個數字電位器只有64檔，所以對于離散多檔位調節場合，用數字電位器很方便。而在需要連續調節的場合，似乎不如連續可調的模擬電位器方便。但是設計時可以采取以下方法進行補償：
（1）多芯片級聯使用，以增加有效檔位；
（2）兩個數字電位器配合使用，一個作為粗調，一個作為細調，兩者搭配，可以得出許多種適合不同需要的組合。
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