数字电位器工作原理
数字电位器工作原理

I²C总线数字电位器是美国Xicor公司推出的X9×××系列数字电位器中较有代表性的一种。它是把几个E²POT非易失性数字电位器集成在一起的单片CMOS微电路，具有二线串行I²C总线接口，易于软件控制，可直接读出、写入滑动端位置，可级联使用等先进特性。本文以X9241为例说明。

2结构原理

X9241内部包括一个I²C接口和四个数字电位器。每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端计数寄存器WCR、四个8位数据寄存器R₀~R₃等部分构成。其引脚配置如图1所示。

2.1电阻阵列

每个电阻阵列由63个串联连接的分立的电阻段组成。每个电阻阵列的物理终端等效于机械电位器的固定端（V_H和V_L输入端）。每个阵列的V_H和V_L以及每个电阻段之间的接点（即抽头）通过FET开关连接滑动输出端V_W；而滑动端V_W在电阻阵列中的位置由WCR控制。

图1X9241引脚配置图

其中V_W0、V_W1、V_W2及V_W3分别为四个电位器的滑动端；V_L0、V_L1、V_L2及V_L3分别为四个电位器的低端；V_H0、V_H1、V_H2及V_H3分别为四个电位器的高端；A₀、A₁、A₂及A₃为地址线（用来设置从属地址低4位）；SDA及SCL分别为串行数据和串行时钟；V_CC及V_SS分别为电源和地

2.2滑动端计数寄存器WCR

滑动端计数寄存器WCR实际上是一个6位带有译码输出的计数器，用来实现选择六十四选一的FET开关的位置，即控制滑动端在电阻阵列中的位置。WCR是一种易失性存贮器，其内容可通过指令改写，上电时装入数据寄存器R₀的内容（注意：此值可能与断电时的值不同）。

2.3数据寄存器

数据寄存器的内容可由用户读出或写入，其内容可传输到滑动计数寄存器WCR以设置滑动端的位置。每个数字电位器有四个8位非易失性数据寄存器R₀~R₃。

2.4串行接口

X9241支持I²C串行双向总线的定向规约：实际应用时X9241为从器件，由主机启动数据的传输，并为发送和接收操作提供时钟。数据线SDA和时钟线SCL的信号间关系（起始条件、终止条件及应答条件）见图2。

3器件寻址及指令结构

3.1器件寻址

在起始后，主器件输出它所要访问的从器件地址，该地址的格式如下：

0

1

0

1

A3

A2

A1

A0

对于X9241来说，这个地址的高4位固定为：0101，低4位由物理的器件地址A0~A3输入端状态决定。这样，X9241把串行数据流与地址输入端的状态进行比较，若所有位都比较成功，则该器件在总线上作出一个应答响应。

3.2指令结构

主器件在发送完起始条件及器件地址，且从器件作出应答之后，送到X9241的下一个字节包括指令及寄存器指针的信息。其格式如下：

I3

I2

I1

I0

P1

P0

R1

R0

其中低4位中前两位（R0和R1）指出四个寄存器中的一个，后两位（P0和P1）选择四个电位器中的哪一个；高4位决定指令，X9241共有9条指令见表1。

表1X9241指令

指令	I3	I2	I1	I0	P1	P0	R1	R0	功能说明
Read WCR	1	0	0	1	1/0	1/0	×	×	读P1、P0指定的滑动端计数寄存器内容
Write WCR	1	0	1	0	1/0	1/0	×	×	写新值到P1、P0指定的滑动端计数寄存器中
Read Data Register	1	0	1	1	1/0	1/0	1/0	1/0	读P1、P0和R1、R0指定的寄存器内容
Write Data Register	1	1	0	0	1/0	1/0	1/0	1/0	写新值到P1、P0和R1、R0指定的寄存器中
XFT Data Register to WCR	1	1	0	1	1/0	1/0	1/0	1/0	传输由P1、P0和R1、R0指定的寄存器内容到与它相关的WCR中
XFT WCRto Data Register	1	1	1	0	1/0	1/0	1/0	1/0	传输由P1、P0指定的WCR的内容到R1、R0指定的寄存器中
Global XFT Data Register to WCR	0	0	0	1	×	×	1/0	1/0	传输由R1、R0指定的所有四个数据寄存器的内容到与它们相应的WCR中
Global XFT WCRto Data Register	1	0	0	0	×	×	1/0	1/0	传输所有WCR中的内容到与它们相应的由R1、R0指定的数据寄存器中
Increment /Decrement Wiper	0	0	1	0	1/0	1/0	×	×	使能增加/减少由P1、P0指定的滑动端计数寄存器（WCR）的内容

9条指令中包括四条两字节指令，四条三字节指令和一条增加/减少指令。

（1）两字节指令：这四条两字节指令用作在WCR与数据寄存器中的一个之间交换数据；这种传输可以发生在四个电位器之一与它们的一个辅助寄存器之间，或全局性地发生在所有四个电位器与它们的一个辅助寄存器之间；操作时序见图2（a）。

（2）三字节指令：这四条指令是在主机和X9241之间传输数据，无论是主机与一个数据寄存器或是主机直接与WCR间都可以；这些指令是读、写WCR（即读出、写入选定电位器的当前滑动端的位置）或读、写数据寄存器（即读出、写入选定的非易失性寄存器的内容）；操作时序见图2（b）。

（3）增加/减少指令：这条指令与其它的指令不同，一旦这条指令发出且X9241已用一个应答来响应后，主机才能够以时钟来触发选定的滑动端升或降一个电阻段；这个操作的命令时序见图2（c）。

4电位器的串联方式及控制

X9241提供一个把阵列串联起来的机构，可以把一个阵列的六十三个电阻元件与一个相邻阵列的电阻元件串联起来，其控制位在三字节的指令中。对于三字节的指令，其数据字节包括用来定义滑动端位置的6位（LSB）加上高2位：CM（串联方式Caseade Mode）和DW（禁止滑动端Disable Wipe）。CM位的状态用来使能或禁止串联方式；当WCR的CM位被置为“0”时，则电位器是正常工作方式；当CM位置“1”，则与它相邻的高序号的电位器串联连接。例如电位器WCR1的位7被置为“1”，则POT1与POT2被串联使用。DW位的状态用于使能或禁止滑动端，当WCR的DW位被置为“0”（或“1”）时，则滑动端被使能（或被禁止），禁止时该滑动端是电气上隔离并且是浮空的，当工作于串联方式时，被串联阵列的V_H、V_L及滑动端V_W这三个输出端必须在电气上与外部连接，除了一个滑动端被使能以外，其余的滑动端必须被禁止。用户可以通过改变WCR的内容来改变滑动端的位置。

,如果将四个电阻阵列中的两个、三个或四个串联起来可构成127、190或253个抽头的数字电位器。

X9241电位器电阻阵列的阻值种类根据后缀的不同而不同。当分别为Y、W、U时，则电阻阵列分别为四个2kΩ、四个10kΩ、四个50kΩ的数字电位器；而当为M时，其内部四个数字电位器阻值分别为2kΩ、10kΩ、10kΩ、50kΩ。