基于X9241數字電位器的可控增益放大器

　1 引言

　　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。

　　采用小型繼電器的方法僅適用于所控制的電阻較少的情形，當要求控制的增益種類總數較多時，便形成了繼電器陣列，使得電路結構龐大，其控制的可靠性也大大降低。另外，繼電器切換過程中也難免會對其他電路產生干擾。

　　電阻型光耦合器具有較好的隔離效果，但須配合D／A轉換電路以及放大電路才能工作，其電路構成復雜、成本較高。另外，電阻型光耦合器發光二極管電流和其電阻值呈非線性關系，這又使控制難度加大。

　　第(3)種方法采用數字電位器，具有電路結構簡單、使用方便等優點，只要所選用的數字電位器有足夠高的分辨率，即可滿足對增益控制的要求。可選用X9241M數字電位器，其內部有4個電位器，具有三種阻值，每個電位器的分辨力達1／63，芯片控制采用I2C總線，對于不同的電壓增益可選用不同阻值的電位器，并通過改變該電位器滑動端計數寄存器的數值來改變滑動端相對于固定端的電阻值，從而實現增益的調整。

　　3 基于X9241的可控增益放大器實現

　　現以電流傳感器自動量程變換中的顯示電路部分為例，介紹利用X9241實現的可控增益放大器。設傳感器量程為：100 A，300 A和500 A，無論傳感器處于任何量程，其滿度輸出電流均為100 mA，I／V轉換采用的電阻為5 Ω，其輸出VM在滿度時的電壓均為0.5 V，為了用數字電壓表(三位半，2 V量程)正確顯示被測電流的大小，僅利用數字電壓表的三位，則需要增加如圖2所示的放大電路，相應的放大倍數分別為：0.2，0.6和1倍，第一級放大器的反饋電阻應分別為：0.2 kΩ，0.6 kΩ和10 kΩ。