X9241數字電位器原理及在DSP中應用

1 X9241概述

　　X9241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

　　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C_M、D_W是控制位，其中C_M是級聯模式控制位，當C_M為0時，為正常模式，當C_M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C_M為1，表示電位器2就與電位器3級聯。D_W是電位器滑動端使能控制位。當D_W為0時，為正常模式，當D_W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。C_M和D_W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。

4 結束語

　　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V_H、V_L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。