數(shù)字電位器在加速度存儲測試調(diào)理電路中的應(yīng)用

張毅

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽621900）

數(shù)字電位器亦稱數(shù)控可編程電阻器，是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械電位器的新型數(shù)字模擬混合信號處理的集成電路。具有阻值可受邏輯電路特別是微處理器直接控制、使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點(diǎn)、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此經(jīng)常應(yīng)用在各種程控增益放大器和智能儀表中，可在許多領(lǐng)域可取代傳統(tǒng)機(jī)械電位器[1-3]。

根據(jù)跌落環(huán)境試驗(yàn)需求我們設(shè)計(jì)了嵌入式加速度存儲測試儀，不但要求電路設(shè)計(jì)具有元器件精簡、體積小、功耗低，耐強(qiáng)沖擊的特點(diǎn)，還要求每片子采集卡上雙通道加速度測量，通道量程可根據(jù)不同的試驗(yàn)條件靈活設(shè)置，以提高測量信號的信噪比[4]，所以在其外圍電路的設(shè)計(jì)中，可調(diào)節(jié)增益放大器的設(shè)計(jì)是整個加速度信號測量調(diào)理電路的重要環(huán)節(jié)，為此基于非易失性數(shù)字電位器MAX5497結(jié)合微處理器C8051F340控制，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的增益放大電路。

1 MAX5497芯片

加速度存儲測試系統(tǒng)要求每通道量程可分檔位設(shè)置，即試驗(yàn)前根據(jù)預(yù)估的試驗(yàn)結(jié)果，對各測量通道的增益放大系數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[5-6]。系統(tǒng)的增益放大部分電路見圖1，在圖1所示的反饋放大電路中，放大器電阻R1固定為5 kΩ，而反饋電阻由數(shù)字電位器來擔(dān)任，通過控制數(shù)字電位器抽頭W的位置，改變W與L之間的電阻值RWL，使得放大器增益A=-RWL/R1隨之改變?？沙炭?cái)?shù)電位器初始電阻通過SOC片上系統(tǒng)C8051F340來設(shè)置。設(shè)計(jì)時(shí)為減小電路體積，兩個信號調(diào)理通道共用一個數(shù)字電位器進(jìn)行增益放大，為此選用雙通道非易失性數(shù)字電位器MAX5497。

1.1 引腳及主要性能

MAX5497是雙組非易失性可編程線性可變電阻，具有體積小、溫漂低、功耗小、非易失性、數(shù)據(jù)保存時(shí)間長等特點(diǎn)，非常適合在加速度存儲測試系統(tǒng)中使用。其TQFN封裝方式體積僅 5 mm×5 mm×0.8 mm，10位分辨率（1 024個抽頭），可調(diào)電阻50 kΩ。管腳連接圖見圖2，主要管腳的功能是：DIN-串行數(shù)據(jù)輸入；SCLK-串行時(shí)鐘輸入；CS-片選；W1、2-滑動端；L1、2-電位器低端。

MAX5497有上電復(fù)位電路，當(dāng)上電后可從非易失性電擦寫可編程只讀EEPROM存儲器，恢復(fù)滑動端位置，50年滑動端位置保存時(shí)間；其3線SPI兼容串行接口允許速度可達(dá)7 MHz的數(shù)據(jù)通訊；35 ppm/℃的端到端電阻溫度系數(shù)，溫度工作范圍為-40～+85℃，是低漂移可編程增益放大器這類要求低溫度系數(shù)的儀器的理想選擇；其可用+2.7～+5.25 V單電源供電或±2.5 V雙電源供電，當(dāng)將數(shù)據(jù)寫入非易失性存儲器時(shí)最大僅400 μA電流，不編程時(shí)最大待機(jī)電源電流僅1.5 μA。

圖1 增益可調(diào)放大電路FIg.1 Variable gain amplifier circuit

圖2 MAX5497管腳圖Fig.2 MAX5497 Pin configurations

1.2 時(shí)序分析

通過存入鎖存寄存器中的10位數(shù)D，可選擇1 024個可能的滑動頭位置，對應(yīng)這1 024個值的是電位器從高W到低L的電阻值，D的計(jì)算公式如下：

其中，RWL（D）為需要設(shè)置的電阻值，RW-L為最大電阻值，RZ為本底電阻。SPI串行接口包括3個輸入：片選，數(shù)據(jù)輸入DIN，和數(shù)據(jù)時(shí)鐘SCLK。

圖3 SPI接口時(shí)序圖Fig.3 SPI-Interface timing diagram

寫命令（C1C0=00 or 01）要求24個時(shí)鐘周期去傳輸命令字和數(shù)據(jù)字，拷貝命令（C1C0=10 or 11）要求8個時(shí)鐘周期去傳輸命令字，見圖4。當(dāng)數(shù)據(jù)載入移位寄存器，驅(qū)動CS為高態(tài)，將數(shù)據(jù)鎖存進(jìn)相應(yīng)的控制寄存器（RA0、RA1）中，且禁止使用串行接口。整個串行數(shù)據(jù)流中保持為低態(tài)以避免數(shù)據(jù)損壞。由圖可以看出，DIN傳輸命令字需要8個時(shí)鐘，傳輸電阻數(shù)值要10個時(shí)鐘，后面跟的6個時(shí)鐘是空的。

圖4 SPI串行接口模式Fig.4 SPI-Compatible serial-interface format

“Write wiper register”命令（C1C0=00），即將數(shù)據(jù)寫入滑動寄存器命令，控制著滑動頭的位置，10位數(shù)據(jù)（D9-D0）指示著滑動頭位置，比如DIN=000000 0000，滑動頭在最低位L，當(dāng)DIN=111111 1111，滑動頭在最高位H。此命令將數(shù)據(jù)寫入易變隨機(jī)存取RAM存儲器中，不改變NV寄存器中的數(shù)值。當(dāng)設(shè)備上電后，存在NV寄存器中的數(shù)據(jù)輸入到滑動寄存器中，并將滑動頭移動到預(yù)存的電阻位置。

“Write NV Register” 命令（C1.C0=01），當(dāng)上電時(shí)將滑動頭的位置存入非易失性存儲器中，此命令不影響滑動頭位置。

2 程序編輯

當(dāng)參數(shù)設(shè)置量程選擇時(shí)，將對應(yīng)不同檔位放大倍數(shù)的電阻值寫入寄存器，使芯片上電時(shí)滑動頭移動到相應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)增益放大，數(shù)字電位器電阻設(shè)置程序MAX5497_WR如下。

其中，cmd是命令字（0x01-寫到調(diào)節(jié)寄存器1，0x02-寫到調(diào)節(jié)寄存器2；0x11-寫到非遺失寄存器1，0x12-寫到非遺失寄存器 2）。 Resval是阻值，范圍（110～50 110 Ω）。

3 結(jié)束語

結(jié)合實(shí)際跌落試驗(yàn)中的需求，開發(fā)了加速度存儲測試系統(tǒng)。本文針對系統(tǒng)前端的信號適調(diào)電路，為滿足測試軟件可以靈活設(shè)置通道量程的需求，設(shè)計(jì)了增益可調(diào)節(jié)放大電路。在結(jié)合微處理器和數(shù)字電位器的程控增益放大方法中，重點(diǎn)針對MAX5497非易失性數(shù)字電位器的使用方法和相關(guān)反饋電阻設(shè)置程序進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，對同類設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

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