按钮控制数控电位器X9511及其应用.docx

数字电位器X9511及其应用潍坊高等专科学校 陈勇 在各类电子电路中，电阻是必不可少的重要器件。其参数选择的是否适当，直接影响到电路的正常运行。特别是在处理一些要求比较严格的模拟信号电路中，电阻的阻值更为重要。人们常用电位器或可调电阻替代关键部位的电阻，以便能够将其调整到最佳状态。由于机械电位器或可调电阻在调节时不易掌握，并且随着环境温度的变化及使用时间的延长，其阻值波动较大。本文介绍一种按钮控制数控电位器,美国Xicor公司的新产品X9511系列，可以改善以上的不足。1.功能 X9511系列包括X9511Z（最大电阻为1k）和X9511W（最大电阻为10k）两种，其内部包含有控制电路、5位二进制可逆计数器、32选1译码器、5位E2PROM存贮器以及电阻阵列，功能方框图如图1所示。电阻阵列包含31个电阻单元，在每个单元的两个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点。对滑动单元抽头点位置的访问由PU、 PD两个输入端所输入的数据经5位加/减计数器计数、32选1译码器译码后控制单接点的电子开关来实现。在滑动端改变抽头位置时工作在先接通后断开的方式。X9511的分辨率等于最大的电阻值被31除。例如X9511W的每个抽头间的阻值为10k/31=323 。 5位二进制加/减计数器计数达到一个极端时，不会循环回复，即当加计数时，不会由11111跳到00000；减计数时不会由00000跳到11111。控制电路负责控制5位E2PROM,在计数器所计数据（滑动端的位置）的贮存和掉电后再次上电时,对E2PROM存贮器所存数据操作调用。E2PROM所存数据可保存100年。图1 功能框图2.管脚功能 9511具有8引脚DIP、SOIC两种封装形式，如图2所示图2 X9511的管脚排列图VH、VL：高电压端及低电压端，高、低电压端等效于一个机械电位器的两个固定端。 V W：滑动端，相当于机械电位器的可移动端，滑动端的串联电阻（电子开关的导通电阻）典型值为40。 PU ：加计数输入端，具有去抖动功能，内部接有上拉电阻，平时能够保持PU端为高电平。当PU端输入低电平时，内部计数器开始执行加计数，滑动输出端向上移动，VL与VW之间的电阻增大，VH与VW之间的电阻减小。因为内部具有去抖动功能，所以输入低电平的时间必须大于40ms才算有效。输入低电平的时间大于40ms而小于1s时，以慢速方式计数，每250ms加1。输入低电平的时间超过1s时，在超出1s的时间范围内，以快速方式计数，每50ms加1。 PD：减计数输入端，同PU输入端一样，具有去抖动功能，内部接有上拉电阻，平时能够保持 PD端为高电平。当 PD端输入低电平时，内部计数器开始执行减计数，滑动输出端向下移动，VL与VW之间的电阻减小，VH与VW之间的电阻增大。慢速计数方式和快速计数方式的特点与PU输入端完全一样。 ASE：自动贮存使能端，内部同样具有去抖动功能，如果从上电开始一直保持输入低电平，当芯片内部电路检测到VCC跌至4V时,便可开始将计数器的值（滑动端的位置）自动贮存到E2PROM存贮器中，存贮时间至少需要2ms，在跌至3.5V之前必须存贮完毕。当电源恢复时存贮器的内容重新被调用。如果 ASE脚保持输入高电平，则不执行自动贮存功能，只有将电平拉低后再恢复到高电平时，其电平的上升沿使其执行一次贮存指令。如果ASE端在上电时保持高电平，而后再被拉低，则滑动端将不对PU和PD输入端作响应，直到ASE再被拉高并保持为高。 VCC、VSS：电源输入端。 3.工作参数 （1）工作温度范围：-65至+135。 （2）温度系数（-40至+85） X9511Z +600ppm/ X9511W+300ppm/ （3）电源电压 VCC=5V，工作电流最大为3mA。输入电阻两端相对于滑动输出端VW的电压VH及VL均可为-8V至+8V，25时的额定功率：X9511Z为16mW；X9511W为10mW。流过滑动端的最大电流为1mA。 4.应用 X9511的应用前途十分广泛，可以应用于具有单片机控制的电路，也可以用于非单片机控制的电路。如果将其应用于各种家电产品中替代各种机械式电位器，可使产品提高一个档次。图3为X9511替代各种机械式电位器的电路连接图。（a）图用于自动贮存方式的典型电路，电容C可使断电时为自动贮存提供一个缓冲时间。KU、KD为用于加、减计数的轻触按键。（b）图用于由按钮开关控制贮存的典型电路。由于ASE端内部无上拉电阻，所以必须在外部接一上拉电阻，使之在不执行存贮任务时能够保持高电平，需要执行存贮任务时，只要轻轻按一下轻触按键KS，即可完成一次贮存任务。图3电力连接图数字电位器芯片X9511的应用扩展杨善迎莱芜职业技术学院 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1k和10k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ViVw，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10k，当滑动端电阻设置在5k时，输出电阻将随时钟在5k和5.3125k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有关数字电位器几个应用问题的探讨摘要介绍按钮式数字电位器的防抖动和重复动作问题的一种解决方法，以及对数字电位器电压、电流、级数扩展问题的常见解决方法。关键词数字电位器防抖动重复触发级数扩展1引言广告：数字电位器以其调节准确方便，使用寿命长，受物理环境影响小，性能稳定等特点，已被广大电子工程技术人员所认识。在数字电位器的家族中，X9511/14以其可用按钮直接控制的特点尤其受到青睐，本文欲针对应用开发人员对X9511/14在按钮控制过程中所出现的防抖动、和重复动作问题以及数字电位器通常遇到的问题作一简要探讨。2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，下面以美国XICOR公司非易失性按钮控制数字电位器X9511为例简略介绍一下其原理。X9511是数字电位器家族中的一种具有按钮控制，线性输出特点的产品，内部包含了31个电阻单元，32档输出滑动端，滑动端由输入到、引脚的负脉冲控制它向VH或VL端滑动。滑动端位置可以被存储在非易失性的存储器EEPROM中，使其上电后能够自动恢复到原来的位置。X9511的管脚见表1，基本应用如图1（图中为X9511/14掉电自动存储滑动端位置的接法）。图1X9511基本应用3数字电位器在应用中经常遇到的问题数字电位器在我国还是近几年出现的新型器件，许多人在实际应用中对其不够了解，从而出现许多疑问，下面就经常出现的三个问题略作探讨。 按钮控制的数字电位器常出现按钮按下次数及输出值与预测值不符。 数字电位器本身能够承受的电流和电压有限，需要扩展。 在实际应用中数字电位器的阻值范围及分辨率不够，需要扩展。3.1按钮控制数字电位器的防抖动和重复触发问题上面的第一个问题所说按钮控制电位器的按键次数及输出值与预测不符，通常是其中某一档出现了重复触发动作，自然其按键次数和输出电位就会与预测值不符。出现这种现象的原因常是用了面包板做试验，或是使用了劣质按钮，造成接触不良，线路噪声加剧，或是人为按钮动作不规范引起。美国XICOR公司提供的按钮式数字电位器的应用电路，直接用按钮来控制，就会有可能出现这些问题。X9511/14在其内部集成了40ms延时的去抖动电路，要求输入控制信号抖动时间短，信号有效时间在40ms250ms之间，且在此期间不能出现干扰电平。但是由于实际应用情况不可预测，无法避免输入信号的抖动而造成输出的重复动作（按钮时间超过250ms也会造成输出的重复动作），而这却是许多人所不愿看到的。为了控制输入信号的抖动和噪声影响，在数字电位器的控制端加上触发器，如图2所示，试验结果使输出稳定性有了较为明显的提高，但仍要求按钮动作干脆利落，且线路无干扰，最终表现在输入信号干净无波动，否则不能避免重复触发。经过多次改进，图3电路则较好地决了以上问题。在按钮与控制输入端之间，加上如图3所示由一片与非门电路构成的单稳电路，具有成本低，电路简单，可防止抖动，并不会使输出重复动作的特点。图2加防抖触发器图3中按钮K未动作时，控制端一定为稳定的高电平，一旦按钮按下，A点电位经电容C1通过电阻R1放电，到74HC00的输入低电平门限值，B点即为逻辑高，同时通过F点控制E点电平（D点原为高电平）翻转为低，启动X9511动作，此时由于电容C2电位不会立即变化，使D点保持原高电平不变，电容C2通过R2放电，经过一个暂态时间后到达门电路低电平门限值，使E点恢复高电平。之后无论按钮是否保持按下（使D点保持低），还是放开（F点为低），E点都将保持高电平状态。在暂态期间，E点低电平被锁定，即使电路在A点产生较强的电平抖动，也不会对输出有任何影响。由于电路在暂态时间内对噪声具有的屏蔽作用，而控制端低电平时图3加防抖单稳态电路间超过250ms，X9511/14的输出将会有连续跳变。因此可以将R2值调整到使暂态时间控制在X9511不重复动作时间尽量长些的范围内（例如暂态时间可以在150ms220ms之间），以屏蔽掉此期间可能有的噪声干扰。R2、C2的值可按暂态时间T的公式得到。T=(R2+R0)C2Ln(VolVoh)/(VolVth)式中R0为74HC00的输出电阻；Vol为74HC00的低电平输出电压；Voh为74HC00的高电平输出电压；Vth为74HC00的高电平翻转门限电压。此电路经反复验证效果良好，X9511之前控制线长可达200米。实际上此时的数字电位器可以是接口控制的其他型号，而不限制为按钮控制的X9511/14了。（R2电阻值可以调整到该型号器件输入脉宽允许时间）另一个可靠的解决办法是采用廉价的微处理器，如GMS97C1051来作为数字电位器的控制，按钮信号送到MCU，利用软件去抖，同时还可用LED显示控制动作，并能完成较复杂的多路混合控制。缺点是会使开发周期加长。 3.2数字电位器端点电流、电压的扩展目前所有的数字电位器的端点能够承受的电流都不会很大，只有13mA。能承受的电压也不高，5V+5V，或是015V之间。图4、图5是XICOR公司提供的两种扩展方案，适用于各种型号的数字电位器。图4输出端电流扩大的一个例子图5输出端电压增大的一个例子 3.3利用数字电位器的级联扩展分辨率和阻值范围（1）数字电位器的串联级联如图6（a），将电位器W1、W2串联，W1滑动端与其一端短接，W2的滑动端作为输出。W1的滑动端将其分为两部分，设为R1，R2，而W2的滑动端将W2分为R3，R4两个部分。设输入电压信号Ui,输出为Uo，则：作为可变电阻器时，如图6（b），阻值为：R0=R1+R3若原W1、W2抽头数分别为P1、P2，则串联后的抽头数为P1+P21。此时控制按钮数目也相应增加，同时阻值范围相应增大。（2）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，若有两只数字电位器并联级联如图（a），则其输出为：作可变电阻时,如图（b），阻值为：R0=（R2R3）/（R2+R3）在实际应用中，可将W1作为粗调，W2作图6串联级联图并联级联为微调使用。设W1抽头数为P1，W2抽头数为P2，如图7级联后其调整级数为（P1）P2。将三个X9511电位器如图8串并连接时，将有31744个不同的输出。对于其他数字电位器，有（P11）P2P3个不同的输出，其中P1，P2，P3分别为W1，W2，W3的抽头数。图8（a）输出为：作可变电阻如图8（b）接法其阻值为：R0=R1+（R2+R5）/R3+R6此种情况更适于配合微处理器做运算后控制输图串并级联出。注意在并联级联过程中电位器所承受的电流电压必须控制在允许范围内，同时要注意此时的输出已不呈线性。对以上算式的补充说明：在微处理器接口控制应用中，数字电位器并不限于X9511/14。在控制运算过程中，若W1抽头数为P1，可设调整步为N1，（N10，P1），例如X9511的P1为3，N10，31，则：R1=W1N1/（P11）R2=W1（P1N11）/（P11）计算出调整变量N可控制输出变量和阻值，在此不作详述。了解了数字电位器的使用特性后，会发现数字电位器在一些电路中会有许多新奇的应用，而灵活运用的基础就是对数字电位器基本使用技巧的了解。