高分辨率数字电位器的软件实现
时间：01-26
来源：21IC
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引言
与机械电位器相比，数字电位器有许多优点。但是在有些应用场合，数字电位器的分辨率往往达不到设计要求，通常最大抽头数为1 024。以X9241为例，内部包括一个I2C接口和4个64抽头的数字电位器，可独立使用，也可串联使用，如按常规方法使用，其分辨率较低，即使4个电位器串联，也只能达到256个抽头。本文提出了一种软件、硬件结合的方法，可使电位器的中间抽头数达到8 001个，分辨率达到O．008％。
1 设计原理
1．1 基本原理
高分辨率数字电位器POT由4个电位器组成，如图1所示，4个数字电位器POT0、POT1、POT2、POT3均为64抽头数字电位器。 POTO、 POT3的固定端并联，滑动端分别接POT12的固定端。POT12由POT1、POT2串联，组成一个127抽头的电位器。4个独立电位器阻值相等，可根据需要选取。高分辨率数字电位器的固定端为VH、VL，滑动端为VW，VW由POT1、POT2的2个滑动端并连。
假设POT0、POT1、POT2、POT3、POT12的滑动端位置分别为x0、x1、x2、x3、y，POT的滑动端位置为z。
现采取以下控制策略：
①若POT3的滑动端位置为x，则POTO的滑动端位置同步调节到x+1，即两电位器始终保持1的间隔，相当于粗调节；
②调节POTl2滑动端位置y，相当于把间隔为1的区间再细分若干等分，即细调节。
采用等校电路法，可得到z与x、y的关系。
设VL、VH端电位分别为0、U，滑动端电位为UW，根据电学公式可得：
其中，U0W、U1W分别为POT1、POT1滑动端输出电位，并加到POT12的两个固定端。
由式(1)、式(2)推出式(3)，得VW端输出电位。
即电位器POT的滑动端相对于VL的电阻阻值为：
若规定z的步进增量为1，则有：
其中，R为电位器固定端的阻值，x的取值范围为0～62，y的取值范围为0～127。z的取值范围为0～8 001。分辨率为O．008％，中间抽头数为8 001个。
因为x、y、z均为整数，所以有：
即x为z／127的取整，y为z／127的取余。
1．2 控制算法
式(5)、(6)即为实现高分辨率数字电位器的基本公式。为了软件设计，还必须建立POT的中间抽头位置z与POT0、POT1、POT2、POT3的中间抽头位置的关系。
根据图1可知：
2 硬件电路
2．1 X9241数字电位器
X9241是Xicor公司生产的数字电位器，内部包括1个I2C接口和4个64位数字电位器POTO、POT1、POT2、POT3。每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端计数寄存器WCR、4个位数据寄存器R0～R3等部分构成。其引脚配置如图3所示。
每个电位器由63个电阻段组成，每个电阻阵列的物理终端等效于机械电位器的固定端(VH、VL)。每个阵列的VH和VL以及每个电阻段之间的接点(即抽头)通过FET开关连接滑动输出端，而滑动端在电阻阵列中的位置由从WCR控制。其中，VW、VW1、VW2、VW3分别为4个电位器的滑动端，VL0、 VL1、VL2、VL3分别为4个电位器的低端、VH0、VH1、VH2、VH3分别为4个电位器的高端。如果将4个电阻阵列中的2个、3个或4个串联，可构成127、190或253抽头的数字电位器。芯片采用I2C总线接口，SDA、SCL分别为串行数据和串行时钟。A0～A3为芯片地址设置位。
X9241提供了把阵列串联起来的方法，可以把1个阵列的63个电阻元件与1个相邻阵列的电阻元件串联起来。其控制位在3字节的指令中，其数据字节包括用来定义滑动端位置的6位(LSB)加上高2位：CM(串联方式)和DW(禁止滑动端)。数据字节如下所示：
2．2 电路设计
根据图1的设计原理和图3的引脚配置图，可实现高分辨率数字电位器的电路设计，如图4所示。
①SDA、SCL是I2C总线的串行数据和串行时钟，与单片机的I／O线相连，单片机是主器件，X9241是从器件，器件地址为：
0 1 0 1 A3 A2 A1 A0
高4位固定，低4位由A3～A0的接线方式所决定，按照图4电路的接线方式，X9241的从地址为50H。
②为了提高线性度，可在VW0与VL1之间加入1级运算放大器组成的跟随器，VW3与VH2之间也加入1级。其改进电路如图5所示。
3 程序设计
3．1 读写单个数字电位器函数设计
根据X9241的指令结构和控制时序，可以编写读写单个数字电位器的程序。
(1)改变电位器中间抽头命令(写WCR)时序以写电位器POT0为例，把电位器0的中间抽头WCR设置为20H(X9241每个电位器的最大抽头数是 64，即有效值小于63)。命令控制字为101000000B，即AOH；若在电路中AOA1A2A3均接低电平，则器件地址为01010000B，即 50H。其命令序列如下：
Start→发送地址50H→Ack→发送命令字A0H→ACK→发送20H→ACK→Stop。
(2)读电位器中间抽头位置命令(读WCR)时序以读电位器POT1为例，把电位器1的中间抽头WCR位置值读回。命令控制字为100100000B，即90H；若在电路中AOA1A2A3均接低电平，则器件地址为01010000B，即50H。其命令序列如下：
Start→发送地址50H→Ack→发送命令字90H→ACK→接收1个字节→ACK→Stop。
与机械电位器相比，数字电位器有许多优点。但是在有些应用场合，数字电位器的分辨率往往达不到设计要求，通常最大抽头数为1 024。以X9241为例，内部包括一个I2C接口和4个64抽头的数字电位器，可独立使用，也可串联使用，如按常规方法使用，其分辨率较低，即使4个电位器串联，也只能达到256个抽头。本文提出了一种软件、硬件结合的方法，可使电位器的中间抽头数达到8 001个，分辨率达到O．008％。
1 设计原理
1．1 基本原理
高分辨率数字电位器POT由4个电位器组成，如图1所示，4个数字电位器POT0、POT1、POT2、POT3均为64抽头数字电位器。 POTO、 POT3的固定端并联，滑动端分别接POT12的固定端。POT12由POT1、POT2串联，组成一个127抽头的电位器。4个独立电位器阻值相等，可根据需要选取。高分辨率数字电位器的固定端为VH、VL，滑动端为VW，VW由POT1、POT2的2个滑动端并连。
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假设POT0、POT1、POT2、POT3、POT12的滑动端位置分别为x0、x1、x2、x3、y，POT的滑动端位置为z。
现采取以下控制策略：
①若POT3的滑动端位置为x，则POTO的滑动端位置同步调节到x+1，即两电位器始终保持1的间隔，相当于粗调节；
②调节POTl2滑动端位置y，相当于把间隔为1的区间再细分若干等分，即细调节。
采用等校电路法，可得到z与x、y的关系。
设VL、VH端电位分别为0、U，滑动端电位为UW，根据电学公式可得：
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其中，U0W、U1W分别为POT1、POT1滑动端输出电位，并加到POT12的两个固定端。
由式(1)、式(2)推出式(3)，得VW端输出电位。
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即电位器POT的滑动端相对于VL的电阻阻值为：
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其中，R为电位器固定端的阻值，x的取值范围为0～62，y的取值范围为0～127。z的取值范围为0～8 001。分辨率为O．008％，中间抽头数为8 001个。
因为x、y、z均为整数，所以有：
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即x为z／127的取整，y为z／127的取余。
1．2 控制算法
式(5)、(6)即为实现高分辨率数字电位器的基本公式。为了软件设计，还必须建立POT的中间抽头位置z与POT0、POT1、POT2、POT3的中间抽头位置的关系。
根据图1可知：
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2 硬件电路
2．1 X9241数字电位器
X9241是Xicor公司生产的数字电位器，内部包括1个I2C接口和4个64位数字电位器POTO、POT1、POT2、POT3。每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端计数寄存器WCR、4个位数据寄存器R0～R3等部分构成。其引脚配置如图3所示。
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X9241提供了把阵列串联起来的方法，可以把1个阵列的63个电阻元件与1个相邻阵列的电阻元件串联起来。其控制位在3字节的指令中，其数据字节包括用来定义滑动端位置的6位(LSB)加上高2位：CM(串联方式)和DW(禁止滑动端)。数据字节如下所示：
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根据图1的设计原理和图3的引脚配置图，可实现高分辨率数字电位器的电路设计，如图4所示。
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①SDA、SCL是I2C总线的串行数据和串行时钟，与单片机的I／O线相连，单片机是主器件，X9241是从器件，器件地址为：
0 1 0 1 A3 A2 A1 A0
高4位固定，低4位由A3～A0的接线方式所决定，按照图4电路的接线方式，X9241的从地址为50H。
②为了提高线性度，可在VW0与VL1之间加入1级运算放大器组成的跟随器，VW3与VH2之间也加入1级。其改进电路如图5所示。
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3．1 读写单个数字电位器函数设计
根据X9241的指令结构和控制时序，可以编写读写单个数字电位器的程序。
(1)改变电位器中间抽头命令(写WCR)时序以写电位器POT0为例，把电位器0的中间抽头WCR设置为20H(X9241每个电位器的最大抽头数是 64，即有效值小于63)。命令控制字为101000000B，即AOH；若在电路中AOA1A2A3均接低电平，则器件地址为01010000B，即 50H。其命令序列如下：
Start→发送地址50H→Ack→发送命令字A0H→ACK→发送20H→ACK→Stop。
(2)读电位器中间抽头位置命令(读WCR)时序以读电位器POT1为例，把电位器1的中间抽头WCR位置值读回。命令控制字为100100000B，即90H；若在电路中AOA1A2A3均接低电平，则器件地址为01010000B，即50H。其命令序列如下：
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- 数字电位器在DC-DC变换器中的应用(11-30)
- 使用数字分压器实现车灯调光应用(03-17)
- 用数字电位器替代机械电位器(01-17)
- 数字电位器的研究及应用(09-07)
- 数字电位器在雷达多通道接收机中的应用(03-15)
- 基于数字电位器的直流偏置技术(08-28)
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