數(shù)字電位器芯片X9511的應(yīng)用擴(kuò)展

引言

數(shù)字電位器在我國(guó)還是近幾年出現(xiàn)的新型器件，該器件一出現(xiàn)，就以其調(diào)節(jié)準(zhǔn)確方便，使用壽命長(zhǎng)，受物理環(huán)境影響小，性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，而被廣大電子工程技術(shù)人員所接受。但數(shù)字電位器本身能夠承受的電流和電壓有限，因而需要擴(kuò)展，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字電位器的阻值范圍及分辨率也需要擴(kuò)展，本文介紹的擴(kuò)展方案適用于各種信號(hào)的數(shù)字電位器。

數(shù)字電位器簡(jiǎn)介

數(shù)字電位器是可用數(shù)字信號(hào)控制電位器滑動(dòng)端位置的新型器件，一般分按鈕控制和串行信號(hào)控制兩種，x9511就是xicor公司生產(chǎn)的理想按鍵式數(shù)字電位器，它內(nèi)含31個(gè)串聯(lián)電阻陣列和32個(gè)軸頭。軸頭位置由兩個(gè)按鍵控制，并且可以被存儲(chǔ)在一個(gè)e2prom存儲(chǔ)器中，以供下一次通電時(shí)重新調(diào)用，并自動(dòng)恢復(fù)軸頭位置，x9511有1kω和10kω的x9511z和x9511w兩種規(guī)格。

x9511內(nèi)部由計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器、譯碼器、模擬開關(guān)和電阻陣列等電路組成，其中計(jì)數(shù)器是5位可逆計(jì)數(shù)器，可用于對(duì)控制信號(hào)pu（或pd）進(jìn)行加（或減）計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值可以在ase的控制下存儲(chǔ)非易失性存儲(chǔ)器中。計(jì)數(shù)器的數(shù)值經(jīng)過(guò)32選1譯碼器譯碼后可用于控制模擬開關(guān)，32個(gè)模擬開關(guān)相當(dāng)于電位器的32個(gè)軸頭，電阻陣列由采用集成電路工藝制作的31個(gè)串聯(lián)一起的電阻構(gòu)成，電阻兩端分別連接模擬開關(guān)的一端，而模擬開關(guān)的另一端連接在一起構(gòu)成數(shù)字電位器的滑動(dòng)端（vw），譯碼器的輸出端可控制模擬開關(guān)的通斷，從而實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸頭位置的變化。

x9511的計(jì)數(shù)器電路具有以下特點(diǎn)：

◆ 輸入端具有內(nèi)部上拉電阻和消除開關(guān)抖動(dòng)的抗擾電路，當(dāng)輸入脈沖寬度小于40ms時(shí)，計(jì)數(shù)器將其視為干擾信號(hào)而不進(jìn)行計(jì)數(shù)；

◆ pu和pd引腳可直接連接一個(gè)按鈕開關(guān)到地，當(dāng)按鈕按下時(shí)，在pu或pd端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，使計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1（按pu鍵）或減1（按pd鍵）計(jì)數(shù)；

◆ 能將計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器e2prom中長(zhǎng)期保存；

◆ 能在上電時(shí)自動(dòng)將e2prom中的數(shù)據(jù)恢復(fù)到計(jì)數(shù)器中；

◆ 當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到最大值“31”時(shí)，pu按鍵失效，而計(jì)數(shù)到最小值“0”時(shí)，pd按鍵失效，從而避免循環(huán)計(jì)數(shù)，保證電位器調(diào)到最大位置時(shí)不會(huì)跳到零位，或從零位跳到最大位置。

◆ 具有慢速和快速計(jì)數(shù)選擇，當(dāng)輸入負(fù)脈沖寬度小于250ms時(shí)為慢速計(jì)數(shù)方式，此時(shí)按一下按鍵計(jì)數(shù)器將執(zhí)行加1（或減1）操作，當(dāng)脈沖寬度大于250ms時(shí)，計(jì)數(shù)器為快速（連續(xù)）計(jì)數(shù)方式，此時(shí)1秒鐘以內(nèi)，電路將以250ms的速率連續(xù)計(jì)數(shù)，若按鍵按下的時(shí)間大于1秒，計(jì)數(shù)器將以5ms的速率遞增或遞減，直到滑動(dòng)端滑到最高或最低軸頭位置，當(dāng)按鍵一釋放后，計(jì)數(shù)器立即停止計(jì)數(shù)，電路返回到等待狀態(tài)。

x9511的管腳功能鍵表1所列，基本應(yīng)用電路如圖1所示，圖1是用x9511組成的0-+5v可調(diào)分壓電路，圖中，vh端接+ 5v，vl端接地，從vw端輸出0-+5v可調(diào)電壓，按動(dòng)開關(guān)k1，輸出電壓增大，最大為+5v，按動(dòng)k2時(shí)，電壓減小，最小為0v，按下按鍵k3后再釋放即完成一次手動(dòng)的滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)，這樣即可將當(dāng)前的滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)到e2prom中以作為滑動(dòng)端下一次上電時(shí)的初始位置。

數(shù)字電位器的端點(diǎn)電流電壓擴(kuò)展

目前所有的數(shù)字電位器的端點(diǎn)所能夠承受的電流都不會(huì)很大，一般只有1-3ma，能承受的電壓也不高（一般在-5-+5v，或是0-15v之間，這使其在應(yīng)用上受到了限制，為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)展。

圖2是輸出端電流擴(kuò)大的擴(kuò)展方案，擴(kuò)流電路由運(yùn)算放大器擔(dān)任，電路中將其連接成典型的電壓跟隨器形式，u0的電壓跟滑動(dòng)端vw的電壓保護(hù)一致，從而保證了電位器的分壓比不變，而此時(shí)輸出電流不再是1-3ma，而變成了電壓跟隨器的輸出電壓，從而擴(kuò)展了數(shù)字電位器x9511的滑動(dòng)端所能夠承受的電流，例如，使用ad510做電壓跟隨器時(shí)，輸出電流可達(dá)10ma，使用ha2840做電壓跟隨器時(shí)，輸出電流可達(dá)20ma，使用lh0021做電壓跟隨器時(shí)，輸出電流可達(dá)800ma。

圖3是輸出端電壓增大的擴(kuò)展方案，該電路中，擴(kuò)流電路由運(yùn)算放大器擔(dān)任，并將其連接成典型的電壓放大器，u0的電壓是放大了的滑動(dòng)端vw端的電壓，其電壓的幅值可以大于vw端的電壓，也可以小于vw端的電壓，從而改變輸出電壓（0-5v）的范圍，尤其是在需要提高輸出電壓的情況下，更突出了該擴(kuò)展的優(yōu)越性，例如，使用op-02做放大器時(shí)，輸出電壓在-20-20v之間，使用lm324做放大器時(shí)，輸出電壓范圍可以-15-15v或0-30v。

在圖2和圖3中，ase引腳將通過(guò)電阻r接到vcc電源，平時(shí)為高電平，當(dāng)按鍵k3按下并釋放后，電路將完成一次手動(dòng)的滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)，從而將當(dāng)前的滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)到e2prom中以作為滑動(dòng)端下一次上電時(shí)的初始位置。

數(shù)字電位器的級(jí)聯(lián)擴(kuò)展

◇ 數(shù)字電位器的串聯(lián)級(jí)聯(lián)

圖4所示是將電位器w1、w2進(jìn)行串聯(lián)的連接電路，其中圖4（a）是將w1滑動(dòng)端與其一端短接，而將w2的滑動(dòng)端作為輸出，設(shè)w1滑動(dòng)端將其分成的兩部分分別為r1、r2、w2的滑動(dòng)端將w2分為r3、r4兩個(gè)部分，那么，若輸入電壓信號(hào)ui，輸出為uo，則有：

◇ 數(shù)字電位器的并聯(lián)級(jí)聯(lián)

用并聯(lián)級(jí)聯(lián)可以更大范圍地將分辨率提高，若兩只數(shù)字電位器的并聯(lián)級(jí)聯(lián)如圖5（a），則其輸出為：

當(dāng)用數(shù)字電位的并聯(lián)級(jí)聯(lián)作可變電阻時(shí)，其連接方法如圖5（b），該電路的阻值為：

r0=r2r3/r2+r3

在實(shí)際應(yīng)用中，可將w1作為粗調(diào)，w2作為微調(diào)使用，設(shè)w1軸頭數(shù)為p1，w2軸頭數(shù)為p2，那么，經(jīng)圖5級(jí)聯(lián)后，其調(diào)整級(jí)數(shù)為（p1-1）p2。

利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)電壓/電阻轉(zhuǎn)換

在工業(yè)控制和偏置調(diào)節(jié)電路中有時(shí)需要將電壓轉(zhuǎn)換成電阻，這一過(guò)程在具體實(shí)施時(shí)有一定的難度，圖6所示電路就是利用兩路數(shù)字電位器提供這種轉(zhuǎn)換的一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換方案，圖6中數(shù)字電位器u3和運(yùn)算放大器u1、u2構(gòu)成數(shù)字式跟蹤-保持電路，u3通過(guò)調(diào)節(jié)其內(nèi)部分壓比來(lái)保證vw跟蹤vi。這樣，滑動(dòng)電阻將與vi成正比。

由于數(shù)字電位器u3和u4的數(shù)字輸入是連接在一起的，因此，u4的滑動(dòng)端位置與u3相同，對(duì)應(yīng)端之間的阻值也相同，這樣就可得到與vi成正比的電阻，從而實(shí)現(xiàn)電壓/電阻的轉(zhuǎn)換。

為跟蹤vi，在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)時(shí)，數(shù)字電位器u3的滑動(dòng)端位置（中心軸頭）會(huì)向上或向下移動(dòng)，u1、u2會(huì)對(duì)模擬輸入（vi）和滑動(dòng)端電壓（vw）進(jìn)行比較。如vi>vw，u2輸出電平，u1輸出低電平，并使滑動(dòng)端位置向上移動(dòng)，vw增大，vw保持遞增狀態(tài)，直到vw大于vi為止，然后，u1輸出高電平，u2輸出低電平，控制滑動(dòng)端向下移動(dòng)，對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)鐘周期，滑動(dòng)端將根據(jù)需要向上或向下移動(dòng)，以跟蹤為vi。分壓器的參考輸入（vh和vl）決定著輸入電壓的范圍，如果vi在于0-5v之間，則使vl=gnd，vh=5vcc。

由于u3和u4的數(shù)字輸入端連在一起，并且滑動(dòng)端位置相同，所以輸出電阻將隨著vi改變，但這種情況下，即使vi保持恒定，輸出電阻也會(huì)在兩個(gè)相鄰狀態(tài)之間連續(xù)轉(zhuǎn)換，例如，如果電位器的端到端電阻為10kω，當(dāng)滑動(dòng)端電阻設(shè)置在5kω時(shí)，輸出電阻將隨時(shí)鐘在5kω和5.3125kω之間轉(zhuǎn)換，圖6中，ase引腳通過(guò)電阻r接+ 5v電源，平時(shí)為高電平，當(dāng)按鍵k按下并釋放以完成一次手動(dòng)的滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)后，電路會(huì)將當(dāng)前的滑動(dòng)端位置存儲(chǔ)到e2prom中以作為滑動(dòng)端下一次上電時(shí)的初始位置。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)數(shù)字電位器的應(yīng)用擴(kuò)展，可解決其本身承受電流和電壓有限的缺點(diǎn)，從而解決了在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)字電位器的阻值范圍及分辨率不夠的不足，同時(shí)或可以實(shí)現(xiàn)電壓/電阻的轉(zhuǎn)換，因此，該方案大大拓展了數(shù)字電位器的用途。