数字电位器在加速度存储测试调理电路中的应用

张毅

（中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳621900）

数字电位器亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器的新型数字模拟混合信号处理的集成电路。具有阻值可受逻辑电路特别是微处理器直接控制、使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，因此经常应用在各种程控增益放大器和智能仪表中，可在许多领域可取代传统机械电位器[1-3]。

根据跌落环境试验需求我们设计了嵌入式加速度存储测试仪，不但要求电路设计具有元器件精简、体积小、功耗低，耐强冲击的特点，还要求每片子采集卡上双通道加速度测量，通道量程可根据不同的试验条件灵活设置，以提高测量信号的信噪比[4]，所以在其外围电路的设计中，可调节增益放大器的设计是整个加速度信号测量调理电路的重要环节，为此基于非易失性数字电位器MAX5497结合微处理器C8051F340控制，设计了相应的增益放大电路。

1 MAX5497芯片

加速度存储测试系统要求每通道量程可分档位设置，即试验前根据预估的试验结果，对各测量通道的增益放大系数进行参数设置[5-6]。系统的增益放大部分电路见图1，在图1所示的反馈放大电路中，放大器电阻R1固定为5 kΩ，而反馈电阻由数字电位器来担任，通过控制数字电位器抽头W的位置，改变W与L之间的电阻值RWL，使得放大器增益A=-RWL/R1随之改变。可程控数电位器初始电阻通过SOC片上系统C8051F340来设置。设计时为减小电路体积，两个信号调理通道共用一个数字电位器进行增益放大，为此选用双通道非易失性数字电位器MAX5497。

1.1 引脚及主要性能

MAX5497是双组非易失性可编程线性可变电阻，具有体积小、温漂低、功耗小、非易失性、数据保存时间长等特点，非常适合在加速度存储测试系统中使用。其TQFN封装方式体积仅 5 mm×5 mm×0.8 mm，10位分辨率（1 024个抽头），可调电阻50 kΩ。管脚连接图见图2，主要管脚的功能是：DIN-串行数据输入；SCLK-串行时钟输入；CS-片选；W1、2-滑动端；L1、2-电位器低端。

MAX5497有上电复位电路，当上电后可从非易失性电擦写可编程只读EEPROM存储器，恢复滑动端位置，50年滑动端位置保存时间；其3线SPI兼容串行接口允许速度可达7 MHz的数据通讯；35 ppm/℃的端到端电阻温度系数，温度工作范围为-40～+85℃，是低漂移可编程增益放大器这类要求低温度系数的仪器的理想选择；其可用+2.7～+5.25 V单电源供电或±2.5 V双电源供电，当将数据写入非易失性存储器时最大仅400 μA电流，不编程时最大待机电源电流仅1.5 μA。

图1 增益可调放大电路FIg.1 Variable gain amplifier circuit

图2 MAX5497管脚图Fig.2 MAX5497 Pin configurations

1.2 时序分析

通过存入锁存寄存器中的10位数D，可选择1 024个可能的滑动头位置，对应这1 024个值的是电位器从高W到低L的电阻值，D的计算公式如下：

其中，RWL（D）为需要设置的电阻值，RW-L为最大电阻值，RZ为本底电阻。SPI串行接口包括3个输入：片选，数据输入DIN，和数据时钟SCLK。

图3 SPI接口时序图Fig.3 SPI-Interface timing diagram

写命令（C1C0=00 or 01）要求24个时钟周期去传输命令字和数据字，拷贝命令（C1C0=10 or 11）要求8个时钟周期去传输命令字，见图4。当数据载入移位寄存器，驱动CS为高态，将数据锁存进相应的控制寄存器（RA0、RA1）中，且禁止使用串行接口。整个串行数据流中保持为低态以避免数据损坏。由图可以看出，DIN传输命令字需要8个时钟，传输电阻数值要10个时钟，后面跟的6个时钟是空的。

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

“Write wiper register”命令（C1C0=00），即将数据写入滑动寄存器命令，控制着滑动头的位置，10位数据（D9-D0）指示着滑动头位置，比如DIN=000000 0000，滑动头在最低位L，当DIN=111111 1111，滑动头在最高位H。此命令将数据写入易变随机存取RAM存储器中，不改变NV寄存器中的数值。当设备上电后，存在NV寄存器中的数据输入到滑动寄存器中，并将滑动头移动到预存的电阻位置。

“Write NV Register” 命令（C1.C0=01），当上电时将滑动头的位置存入非易失性存储器中，此命令不影响滑动头位置。

2 程序编辑

当参数设置量程选择时，将对应不同档位放大倍数的电阻值写入寄存器，使芯片上电时滑动头移动到相应的位置，实现增益放大，数字电位器电阻设置程序MAX5497_WR如下。

其中，cmd是命令字（0x01-写到调节寄存器1，0x02-写到调节寄存器2；0x11-写到非遗失寄存器1，0x12-写到非遗失寄存器 2）。 Resval是阻值，范围（110～50 110 Ω）。

3 结束语

结合实际跌落试验中的需求，开发了加速度存储测试系统。本文针对系统前端的信号适调电路，为满足测试软件可以灵活设置通道量程的需求，设计了增益可调节放大电路。在结合微处理器和数字电位器的程控增益放大方法中，重点针对MAX5497非易失性数字电位器的使用方法和相关反馈电阻设置程序进行了较为详细的说明，对同类设计有一定参考价值。

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