文章编号:1671-654X(2003)01-0121-04基于数字电位器的程控放大器设计傅越千(宁波高等专科学校,浙江宁波315016)收稿日期:2002-10-10作者简介:傅越千(1970-),男,浙江宁波人,实验师,应用电子教研室副主任,主要研究方向:微电子应用、EDA设计技术。摘要:叙述了一种采用非易失性数字电位器的程控放大器的基本原理,提出了一种获得廉价、高性能、多档位、无触点程控放大器的新方法,给出了该放大器与Inte8051系列单片机的软件接口程序,同时指出了使用该原理实现的程控放大器的几个注意事项和数字电位器的选择原则。关键词:数字电位器;程控放大;非易失性;单片机中图分类号:TN722文献标识码:A引言当前,随着数字化技术的不断发展,各类测量仪表越来越趋于采取数字化和智能化方向的发展。这些设备一般由前端的传感器、放大器电路和后端的数据处理电路组成。其中后端数据处理电路通常采用高精度APD和高速单片机,以保证仪表的精度和速度要求。对于前端电路,由于传感器输出信号的幅度和驱动能力均比较微弱,必须加接高精度的测量放大器以满足后端电路的要求;另一方面,传感器在不同测试中输出信号的幅度可能相差很多,传统的处理方法是对放大器增加手动档位调节以保证后端的APD采集输入端的信号在一定幅度内,从而保证整个仪表的测量精度。人工档位调节增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性,同时档位调节通常采用机械转扭增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。是否可由单片机自动选择量程档位呢?答案是肯定的,传统的方法是采用可软件设置增益的放大器,如AD8321芯片。但该类放大器价格较高(如AD8321),选择档位较少(如TI的PGA103,206等仅3-4档)。为了克服以上缺点,本文提出了采用非易失性数字电位器和仪表放大器组成的高精度、多档位、低成本的程控放大器。1硬件工作原理程控放大器中的放大电路主要采用美国模拟器件公司(ADI)的低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压的最新仪表放大器AD623。它的管脚功能与基本接法如图1所示,管脚5(REF)为AD623的参考端用来确定零输出电压,当前端电路和后端电路的地不明确共地时可为后端引入精密的补偿,还可以利用该参考端提供一个虚地电压来放大双极性信号。参考端允许电压变化范围为-VS~+VS。如果AD623相对地输出,则参考端应接地。引脚7和4为正负电源输入端,双电源工作时电源范围为?215V-?6V,单电源工作时电源范围为+3V-+12V,-VS端接地。引脚8和1之间接电阻,其大小决定了放大器的增益,计算公式为:G=100KRg+1当引脚8和1之间不接电阻,即开路时增益G=1。在实际使用时,RG为Xicor公司的非易失性数字电位器(如X9241),该电位器是64抽头的四数字电位器,采用标准的I2C双向串行接口。图2是X9241的功能方框图,每个电位器包含四个8位EE-PROM数据寄存器和一个控制滑臂的计数寄存器WCR,单片机通过接口可直接读写这些寄存器,或者控制数据寄存器同WCR传送数据,也可按步进方式移动滑臂。第33卷第1期2003年3月航空计算技术AeronauticalComputerTechniqueVol133No11Mar12003图1AD623的管脚功能及基本接法图2X9214的功能框图在具体使用时,单片机根据第一次采集的信号数据大小,判断其信号所在区间范围,然后以一定的算法得到使测量精度最高的放大倍数,再通过I2C总线控制数字电位器,达到程控放大的目的。程控放大器硬件设计电路原理图如图3所示。图3程控放大器电路原理图2软件设计综上,程控放大器的增益控制实际就是数字电位器的滑臂位置控制,由于X9241提供了四个64抽头的数字电位器,因此使用其中单个电位器就可实现64级增益控制,如果四个电位器串联使用则可提供最多256级的增益控制,完全可满足各类测量的需要。X9241采用标准I2C串行总线接口,有直接和步进两种控制WCR的方法,以下介绍直接控制WCR的控制指令。该指令包括地址字节、命令字节和数据字节。在起始位后面,主器件单片机发出需要访问的从器件地址,它由8位数码组成。其高4位0101是数字电位器的辨识符,低4位A3A2A1A0由器件相应的地址输入端A3A2A1A0的状态定义,X9241比较串行地址码同地址输入端是否一致,若正确发出响应信号。第二字节包括命令内容和寄存器的指针,其中高4位I3I2I1I0给出命令。三字节指令包括读或写...
