数字电位器芯片X9511的应用扩展

引言

数字电位器在我国还是近几年出现的新型器件，该器件一出现，就以其调节准确方便，使用寿命长，受物理环境影响小，性能稳定等特点，而被广大电子工程技术人员所接受。但数字电位器本身能够承受的电流和电压有限，因而需要扩展，同时在实际应用中，数字电位器的阻值范围及分辨率也需要扩展，本文介绍的扩展方案适用于各种信号的数字电位器。

数字电位器简介

数字电位器是可用数字信号控制电位器滑动端位置的新型器件，一般分按钮控制和串行信号控制两种，x9511就是xicor公司生产的理想按键式数字电位器，它内含31个串联电阻阵列和32个轴头。轴头位置由两个按键控制，并且可以被存储在一个e2prom存储器中，以供下一次通电时重新调用，并自动恢复轴头位置，x9511有1kω和10kω的x9511z和x9511w两种规格。

x9511内部由计数器、存储器、译码器、模拟开关和电阻阵列等电路组成，其中计数器是5位可逆计数器，可用于对控制信号pu（或pd）进行加（或减）计数，计数器的计数值可以在ase的控制下存储非易失性存储器中。计数器的数值经过32选1译码器译码后可用于控制模拟开关，32个模拟开关相当于电位器的32个轴头，电阻阵列由采用集成电路工艺制作的31个串联一起的电阻构成，电阻两端分别连接模拟开关的一端，而模拟开关的另一端连接在一起构成数字电位器的滑动端（vw），译码器的输出端可控制模拟开关的通断，从而实现滑动轴头位置的变化。

x9511的计数器电路具有以下特点：

◆ 输入端具有内部上拉电阻和消除开关抖动的抗扰电路，当输入脉冲宽度小于40ms时，计数器将其视为干扰信号而不进行计数；

◆ pu和pd引脚可直接连接一个按钮开关到地，当按钮按下时，在pu或pd端产生一个负脉冲，使计数器进行加1（按pu键）或减1（按pd键）计数；

◆ 能将计数值存储在非易失性存储器e2prom中长期保存；

◆ 能在上电时自动将e2prom中的数据恢复到计数器中；

◆ 当计数器计数到最大值“31”时，pu按键失效，而计数到最小值“0”时，pd按键失效，从而避免循环计数，保证电位器调到最大位置时不会跳到零位，或从零位跳到最大位置。

◆ 具有慢速和快速计数选择，当输入负脉冲宽度小于250ms时为慢速计数方式，此时按一下按键计数器将执行加1（或减1）操作，当脉冲宽度大于250ms时，计数器为快速（连续）计数方式，此时1秒钟以内，电路将以250ms的速率连续计数，若按键按下的时间大于1秒，计数器将以5ms的速率递增或递减，直到滑动端滑到最高或最低轴头位置，当按键一释放后，计数器立即停止计数，电路返回到等待状态。

x9511的管脚功能键表1所列，基本应用电路如图1所示，图1是用x9511组成的0-+5v可调分压电路，图中，vh端接+ 5v，vl端接地，从vw端输出0-+5v可调电压，按动开关k1，输出电压增大，最大为+5v，按动k2时，电压减小，最小为0v，按下按键k3后再释放即完成一次手动的滑动端位置存储，这样即可将当前的滑动端位置存储到e2prom中以作为滑动端下一次上电时的初始位置。

数字电位器的端点电流电压扩展

目前所有的数字电位器的端点所能够承受的电流都不会很大，一般只有1-3ma，能承受的电压也不高（一般在-5-+5v，或是0-15v之间，这使其在应用上受到了限制，为此，设计时应进行扩展。

图2是输出端电流扩大的扩展方案，扩流电路由运算放大器担任，电路中将其连接成典型的电压跟随器形式，u0的电压跟滑动端vw的电压保护一致，从而保证了电位器的分压比不变，而此时输出电流不再是1-3ma，而变成了电压跟随器的输出电压，从而扩展了数字电位器x9511的滑动端所能够承受的电流，例如，使用ad510做电压跟随器时，输出电流可达10ma，使用ha2840做电压跟随器时，输出电流可达20ma，使用lh0021做电压跟随器时，输出电流可达800ma。

图3是输出端电压增大的扩展方案，该电路中，扩流电路由运算放大器担任，并将其连接成典型的电压放大器，u0的电压是放大了的滑动端vw端的电压，其电压的幅值可以大于vw端的电压，也可以小于vw端的电压，从而改变输出电压（0-5v）的范围，尤其是在需要提高输出电压的情况下，更突出了该扩展的优越性，例如，使用op-02做放大器时，输出电压在-20-20v之间，使用lm324做放大器时，输出电压范围可以-15-15v或0-30v。

在图2和图3中，ase引脚将通过电阻r接到vcc电源，平时为高电平，当按键k3按下并释放后，电路将完成一次手动的滑动端位置存储，从而将当前的滑动端位置存储到e2prom中以作为滑动端下一次上电时的初始位置。

数字电位器的级联扩展

◇ 数字电位器的串联级联

图4所示是将电位器w1、w2进行串联的连接电路，其中图4（a）是将w1滑动端与其一端短接，而将w2的滑动端作为输出，设w1滑动端将其分成的两部分分别为r1、r2、w2的滑动端将w2分为r3、r4两个部分，那么，若输入电压信号ui，输出为uo，则有：

◇ 数字电位器的并联级联

用并联级联可以更大范围地将分辨率提高，若两只数字电位器的并联级联如图5（a），则其输出为：

当用数字电位的并联级联作可变电阻时，其连接方法如图5（b），该电路的阻值为：

r0=r2r3/r2+r3

在实际应用中，可将w1作为粗调，w2作为微调使用，设w1轴头数为p1，w2轴头数为p2，那么，经图5级联后，其调整级数为（p1-1）p2。

利用数字电位器实现电压/电阻转换

在工业控制和偏置调节电路中有时需要将电压转换成电阻，这一过程在具体实施时有一定的难度，图6所示电路就是利用两路数字电位器提供这种转换的一个简单的转换方案，图6中数字电位器u3和运算放大器u1、u2构成数字式跟踪-保持电路，u3通过调节其内部分压比来保证vw跟踪vi。这样，滑动电阻将与vi成正比。

由于数字电位器u3和u4的数字输入是连接在一起的，因此，u4的滑动端位置与u3相同，对应端之间的阻值也相同，这样就可得到与vi成正比的电阻，从而实现电压/电阻的转换。

为跟踪vi，在每一个时钟脉冲到达时，数字电位器u3的滑动端位置（中心轴头）会向上或向下移动，u1、u2会对模拟输入（vi）和滑动端电压（vw）进行比较。如vi>vw，u2输出电平，u1输出低电平，并使滑动端位置向上移动，vw增大，vw保持递增状态，直到vw大于vi为止，然后，u1输出高电平，u2输出低电平，控制滑动端向下移动，对应每个时钟周期，滑动端将根据需要向上或向下移动，以跟踪为vi。分压器的参考输入（vh和vl）决定着输入电压的范围，如果vi在于0-5v之间，则使vl=gnd，vh=5vcc。

由于u3和u4的数字输入端连在一起，并且滑动端位置相同，所以输出电阻将随着vi改变，但这种情况下，即使vi保持恒定，输出电阻也会在两个相邻状态之间连续转换，例如，如果电位器的端到端电阻为10kω，当滑动端电阻设置在5kω时，输出电阻将随时钟在5kω和5.3125kω之间转换，图6中，ase引脚通过电阻r接+ 5v电源，平时为高电平，当按键k按下并释放以完成一次手动的滑动端位置存储后，电路会将当前的滑动端位置存储到e2prom中以作为滑动端下一次上电时的初始位置。

结束语

通过对数字电位器的应用扩展，可解决其本身承受电流和电压有限的缺点，从而解决了在实际应用中数字电位器的阻值范围及分辨率不够的不足，同时或可以实现电压/电阻的转换，因此，该方案大大拓展了数字电位器的用途。