引 言

　　與機械電位器相比，數(shù)字電位器" title="數(shù)字電位器">數(shù)字電位器有許多優(yōu)點,。但是在有些應(yīng)用場合,，數(shù)字電位器的分辨率往往達不到設(shè)計要求，通常最大抽頭數(shù)為1 024,。以X9241" title="X9241">X9241為例,，內(nèi)部包括一個I2C接口和4個64抽頭的數(shù)字電位器，可獨立使用,，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個電位器串聯(lián),，也只能達到256個抽頭。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)達到8 001個，分辨率達到O．008％,。

　　1 設(shè)計原理

　　1．1 基本原理

　　高分辨率" title="高分辨率">高分辨率數(shù)字電位器POT由4個電位器組成,，如圖1所示，4個數(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),，滑動端分別接POT12的固定端。POT12由POT1,、POT2串聯(lián),，組成一個127抽頭的電位器。4個獨立電位器阻值相等,，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,，滑動端為VW,，VW由POT1、POT2的2個滑動端并連,。

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

　　現(xiàn)采取以下控制策略：

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

　?、谡{(diào)節(jié)POTl2滑動端位置y，相當于把間隔為1的區(qū)間再細分若干等分,，即細調(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滑動端輸出電位，并加到POT12的兩個固定端,。

　　由式(1),、式(2)推出式(3)，得VW端輸出電位,。

　　即電位器POT的滑動端相對于VL的電阻阻值為：

　　若規(guī)定z的步進增量為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,。

　　因為x,、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)即為實現(xiàn)高分辨率數(shù)字電位器的基本公式,。為了軟件設(shè)計，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I2C接口和4個64位數(shù)字電位器POTO、POT1,、POT2,、POT3。每個數(shù)字電位器由電阻陣列及與之對應(yīng)的滑動端計數(shù)寄存器WCR,、4個位數(shù)據(jù)寄存器R0～R3等部分構(gòu)成,。其引腳配置如圖3所示。

　　每個電位器由63個電阻段組成,，每個電阻陣列的物理終端等效于機械電位器的固定端(VH,、VL),。每個陣列的VH和VL以及每個電阻段之間的接點(即抽頭)通過FET開關(guān)連接滑動輸出端，而滑動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個電位器的滑動端，VL0,、 VL1,、VL2、VL3分別為4個電位器的低端,、VH0,、VH1、VH2,、VH3分別為4個電位器的高端,。如果將4個電阻陣列中的2個、3個或4個串聯(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)和串行時鐘。A0～A3為芯片地址設(shè)置位,。

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

　　2．2 電路設(shè)計

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

　　①SDA,、SCL是I2C總線的串行數(shù)據(jù)和串行時鐘,，與單片機的I／O線相連，單片機是主器件,，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,，按照圖4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級運算放大器組成的跟隨器,，VW3與VH2之間也加入1級。其改進電路如圖5所示,。

　　3 程序設(shè)計

　　3．1 讀寫單個數(shù)字電位器函數(shù)設(shè)計

　　根據(jù)X9241的指令結(jié)構(gòu)和控制時序,，可以編寫讀寫單個數(shù)字電位器的程序。

　　(1)改變電位器中間抽頭命令(寫WCR)時序以寫電位器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個字節(jié)→ACK→Stop。

　　3．2 主函數(shù)設(shè)計

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

　　在流程圖中,，當y<64時，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y≥64時,，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

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