數字電位器在加速度存儲測試調理電路中的應用

張毅

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽621900）

數字電位器亦稱數控可編程電阻器，是一種代替傳統機械電位器的新型數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、調節精度高、無觸點、低噪聲、不易污損、抗振動、抗干擾、體積小、壽命長等顯著優點，因此經常應用在各種程控增益放大器和智能儀表中，可在許多領域可取代傳統機械電位器[1-3]。

根據跌落環境試驗需求我們設計了嵌入式加速度存儲測試儀，不但要求電路設計具有元器件精簡、體積小、功耗低，耐強沖擊的特點，還要求每片子采集卡上雙通道加速度測量，通道量程可根據不同的試驗條件靈活設置，以提高測量信號的信噪比[4]，所以在其外圍電路的設計中，可調節增益放大器的設計是整個加速度信號測量調理電路的重要環節，為此基于非易失性數字電位器MAX5497結合微處理器C8051F340控制，設計了相應的增益放大電路。

1 MAX5497芯片

加速度存儲測試系統要求每通道量程可分檔位設置，即試驗前根據預估的試驗結果，對各測量通道的增益放大系數進行參數設置[5-6]。系統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，而反饋電阻由數字電位器來擔任，通過控制數字電位器抽頭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。可程控數電位器初始電阻通過SOC片上系統C8051F340來設置。設計時為減小電路體積，兩個信號調理通道共用一個數字電位器進行增益放大，為此選用雙通道非易失性數字電位器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、數據保存時間長等特點，非常適合在加速度存儲測試系統中使用。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），可調電阻50 kΩ。管腳連接圖見圖2，主要管腳的功能是：DIN-串行數據輸入；SCLK-串行時鐘輸入；CS-片選；W1、2-滑動端；L1、2-電位器低端。

MAX5497有上電復位電路，當上電后可從非易失性電擦寫可編程只讀EEPROM存儲器，恢復滑動端位置，50年滑動端位置保存時間；其3線SPI兼容串行接口允許速度可達7 MHz的數據通訊；35 ppm/℃的端到端電阻溫度系數，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，當將數據寫入非易失性存儲器時最大僅400 μA電流，不編程時最大待機電源電流僅1.5 μA。

圖1 增益可調放大電路FIg.1 Variable gain amplifier circuit

圖2 MAX5497管腳圖Fig.2 MAX5497 Pin configurations

1.2 時序分析

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

其中，RWL（D）為需要設置的電阻值，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，數據輸入DIN，和數據時鐘SCLK。

圖3 SPI接口時序圖Fig.3 SPI-Interface timing diagram

寫命令（C1C0=00 or 01）要求24個時鐘周期去傳輸命令字和數據字，拷貝命令（C1C0=10 or 11）要求8個時鐘周期去傳輸命令字，見圖4。當數據載入移位寄存器，驅動CS為高態，將數據鎖存進相應的控制寄存器（RA0、RA1）中，且禁止使用串行接口。整個串行數據流中保持為低態以避免數據損壞。由圖可以看出，DIN傳輸命令字需要8個時鐘，傳輸電阻數值要10個時鐘，后面跟的6個時鐘是空的。

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

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

“Write NV Register” 命令（C1.C0=01），當上電時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

當參數設置量程選擇時，將對應不同檔位放大倍數的電阻值寫入寄存器，使芯片上電時滑動頭移動到相應的位置，實現增益放大，數字電位器電阻設置程序MAX5497_WR如下。

其中，cmd是命令字（0x01-寫到調節寄存器1，0x02-寫到調節寄存器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 結束語

結合實際跌落試驗中的需求，開發了加速度存儲測試系統。本文針對系統前端的信號適調電路，為滿足測試軟件可以靈活設置通道量程的需求，設計了增益可調節放大電路。在結合微處理器和數字電位器的程控增益放大方法中，重點針對MAX5497非易失性數字電位器的使用方法和相關反饋電阻設置程序進行了較為詳細的說明，對同類設計有一定參考價值。

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