X9221数字电位器的应用.docx
《X9221数字电位器的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《X9221数字电位器的应用.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
X9221数字电位器的应用
X9221数字电位器的应用
X9221中文资料1下载（双非易失数字电位器）
美国XICOR公司新近研制出一种型号为X9221的功能独特的电子数控电位器。
X9221在一片CMOS集成电路内集成有2个非易失性数控电位器（E2POT），其调节过程可以由微处理器（μP）或微控制器（μC）经二线总线接口进行控制。
这种二线接口数字电位器具有如下许多优点：
（1）调节精度高；
（2）不易受诸如振动、污染、潮湿等影响；（3）无机械磨损；（4）接口引脚少；（5）集成度高；（6）数据可读写；（7）具有配置寄存器及数据寄存器；（8）多电平量存储功能，特别适用于音频系统；（9）易于软件控制；（10）采用设计人员熟悉的I2C通信协议；（11）体积小巧，易于装配。
它适用于家庭影院系统、音频环绕控制、音响功放、有线电视设备等。
X9221内含滑动端计数寄存器（WCR）及数据寄存器。
它的每个E2POT可存储4个滑动端位置；每个电位器有64个抽头；温度范围分为民品级、工业级和军品级；工作电压Vcc则为4.5～5.5或2.7～5.5V。
内部结构
X9221片内包含2个电阻阵列（或称电位器或E2POT）和I2C接口电路。
X9221的功能方框图如图1所示。
每个电阻阵列内又包含63个电阻单元、64个电子开关、一个滑动端计数寄存器（WCR）、4个8位数据寄存器（R0～R3）、递增/递减逻辑电路、级联控制逻辑电路以及64选1译码电路。
单个电阻阵列的结构框图如图2所示。
在相邻的两个电阻单元之间以及两个端点处共设64个可以被滑动端访问的抽头。
滑动端在阵列中的位置可由用户通过二线串行总线（I2C）接口控制。
每个电阻阵列配置一个滑动端计数寄存器和4个数据寄存器，这4个数据寄存器可以由用户程序直接写入和读出。
滑动端计数寄存器的内容控制滑动端在电阻阵列中的位置。
数据寄存器的内容可以传送到滑动端计数寄存器，以设置滑动端的位置。
当前滑动端的位置可以被传送到与它相关联的4个数据寄存器中的任何一个之中。
也就是说，WCR可以直接被写入，或者也可以把起辅助作用的4个数据寄存器之一的内容转移到WCR中来改变其内容。
这些数据寄存器和WCR都可以由微电脑来读出或写入。
X9221中的每一个电阻阵列的主体部分是63只串联连接的集成电阻器。
电阻串联支路的两端VH和VL就相当于一个机械电位器的两个固定端；串联支路中的电阻器之间的连接点以及两个端点，都可以经过场效应管开关连通到滑动端VW上。
在同一时刻只能有一只开关闭合，究竟哪一只闭合由滑动端计数寄存器WCR内容确定。
只有WCR中的低6位被译码，才能选择和使能64选1的开关接通。
引脚功能
X9221共有20个外接引脚。
它有DIP、SOIC和TSSOP三种封装形式。
其引脚排列如图3所示。
各引脚的功能如表1所示。
表1 引脚功能
引脚
符号
说 明
B14
SCL
I2C总线串行时钟
⑨
SDA
I2C总线串行数据
④、⑤、B15、B16
A0-A3
设置器件从属地址低4位
③、⑧
VH0-VH1
电位器终端，等效于机械电位器的上端
②、⑦
VL0-VL1
电位器终端，等效于机械电位器的下端
①、⑥
VW0-VW1
电位器滑动端，等效于机械电位器中心抽头
B20
Vcc
系统电源正极
⑩
Vss
系统地
B11、B12、B17～B19
RES
保留，无连接
串行总线和串行接口
1.I2C串行总线协议 I2C串行总线协议是由飞利浦公司开发的。
X9221兼容该协议。
该协议规定任何器件在它把数据送至总线时为“发送器”，而当它从总线接收数据时为“接收器”。
一个控制总线传送的器件为“主机或主器件”，而被总线控制的器件为“从机或从器件”。
主机总是负责启动数据的传送，并为发送和接收操作提供时钟。
X9221在所有的应用场合下均被作为一个从属器件（从机）使用。
2.时钟和数据协议 在I2C串行总线中包括两条线，即串行数据线SDA和串行时钟线SCL。
在数据线SDA上的数据只能在时钟线SCL为低电平期间才能改变状态。
把在SCL为高电平期间改变SDA的状态保留用来表示一次传输的“开始条件”和“终止条件”。
3.开始条件 送给X9221的所有指令都是由开始条件引导的。
这个条件就是，当SCL为高电平时SDA由高电平到低电平的跳变。
X9221不停地监视SDA和SCL线上的开始条件，在遇到这个条件之前不响应任何指令。
4.终止条件 所有的通信过程过程必须由一个终止条件来结束，这个条件就是，当SCL为高电平时SDA由低电平到高电平的跳变。
5.应答 应答也是一个软件规约，这个规约用来在主/从器件的总线之间提供一个握手信号，以表示数据接收成功。
发送器件（不论是主机还是从机）在发送8位数据之后将释放SDA总线。
主器件将产生第9个时钟周期，而在这个周期内接收器件把SDA线拉低，作为成功地接收了前8位数据的响应。
作为接收器件，X9221在识别出开始条件和自己的从地址以后，将给出一个应答作为响应，而成功地接收指令字节后再一次应答。
如果指令字节后面跟着一个数据字节，则X9221还将最终响应一次应答。
6.器件寻址 在开始条件的后面，主器件必须输出它所要访问的从器件的地址。
从器件的高4位地址是器件类型识别码，器件的类型不同，识别码也就不同，并且识别码是固定不变的。
对于数控电位器X9221来说，这个识别码固定为0101。
格式如下：
0
1
0
1
A2
A1
A0
A0
器件类型识别码
器件地址
从器件的低4位是该器件的编程地址，该地址由A0～A3引脚的连接状态来定义。
借助于器件的编程地址，主机可以识别一个系统中类型相同的多个器件（在此可以识别16片X9221）。
每次通信的开始，X9221都把接收到的地址与自己的地址（含识别码和编程地址）相比较。
如果是所有的8位地址都相符，则X9221做出一个应答响应。
I3
I2
I1
I0
0
P0
R1
R0
指令码
电位器选择
寄存器选择
指令结构
X9221共有9条指令，指令的长度为两个字节或三个字节不等。
每条指令的第一个字节为地址字节，第二个字节为指令字节。
在指令字节中又包含指令码和寄存器指针信息，即4个高位I0～I3是指令码；紧接着的两位0和P0选择2个电位器中的哪一个，最后两位R1和R0选择4个寄存器中的哪一个。
其格式为：
9条指令中有4条是二字节指令，它们是以发送指令字节作结束的。
这些二字节指令实现在WCR与数据寄存器中的一个之间传送数据。
从一个数据寄存器到WCR的传输，实质上是对一个静态RAM的一次写操作。
滑动端对这些操作的响应将延迟一段时间tSTPWV。
记录当前滑动端位置的数据从WCR到一个数据寄存器的传输，实质上是对非易失性存储器的一次“烧”写操作，至少需要一个tWR时间才能完成。
这种传输操作可以发生在某一个电位器的WCR与一个相关数据寄存器之间，也可以发生在所有2个电位器的WCR与相应的一个数据寄存器之间。
9条指令中还有4条是三字节指令。
这些指令用于主机与X9221之间的数据传送。
数据可由主机传送到某一数据寄存器，也可直接传送到WCR中。
这些指令是：
读WCR，即读出选定电位器的当前滑动端的位置；写WCR，即改变选定电位器的当前滑动端的位置；读数据寄存器，即读出选定的非易失性存储器的内容；写数据寄存器，即写一个新的值到选定的数据寄存器中。
三字节指令的最后一个字节均为数据字节。
9条指令中只有1条指令与众不同，称为递增/递减指令。
一旦该条指令被发送给X9221并且得到X9221用一个应答做出响应时，主机才能够以时钟来触发选定电位器的滑动端向上或者向下移动。
这样就为主机提供了一条精细调节电位器的途径。
当SDA为高电平时，每一个SCL时钟脉冲将使滑动端向高端VH移动一步；而当SDA为低电平时，每一个SCL时钟脉冲将使滑动端向低端VL移动一步。
表2 指令集
指令名
指令字节
操 作
I3
I2
I1
I0
0
P0
R1
R0
RW
1
0
0
1
0
1/0
N/A
N/A
读出由P1P0指定WCR的内容
WW
1
0
1
0
0
1/0
N/A
N/A
写人新值到P1P0指定WCR中
RDR
1
0
1
1
0
1/0
1/0
1/0
读出由P1P0R1R0指定数据寄存器内容
WDR
1
1
0
0
0
1/0
1/0
1/0
写入新值到P1P0R1R0指定数据寄存器中
XDW
1
1
0
1
0
1/0
1/0
1/0
传输由P1P0R1R0指定数据寄存器内容到P1P0指定的WCR中
XWD
1
1
1
0
0
1/0
1/0
1/0
传输由P1P0指定的WCR内容到P1P0R1R0指定的数据寄存器中
GXDW
0
0
0
1
N/A
N/A
1/0
1/0
传输由R1R0指定所有的4个数据寄存器的内容到与它们相关的WCR中
GXWD
1
0
0
0
N/A
N/A
1/0
1/0
传输所有的WCR的内容到与它们相关的由R1R0指定的4个数据寄存器中
IDW
0
0
1
0
0
1/0
N/A
N/A
使能由P1P0指定的WCR递增/递减操作
注：
1/0表示数据0或1；N/A表示没有使用。
9条指令的编码如表2所示。
工作原理
2个E2POT电位器共享一个串行接口。
对每个电位器所包含的一个电阻阵列、一个滑动端计数寄存器和4个数据寄存器的操作，均通过该串口进行。
1.滑动端计数寄存器 X9221片内共包含2个滑动端计数寄存器WCR，即每个电位器各有一个。
WCR可以看成是一个6位宽的、既能并行装载又能串行装载的、带有输出译码电路的计数器，用来控制与电阻阵列相连的64只电子开关。
WCR内容的改变有四种方法：
由主机通过写WCR指令直接写入（串行加载）；通过传送指令把4个数据寄存器之一的内容直接写入（并行加载）；通过递增/递减指令一步一步地改变；在初加电时自动装载相关数据寄存器R0的值。
WCR是一个掉电丢失的存储单元RAM。
虽然，该寄存器在上电时自动复制R0的值，但必须注意这个值可能与断电时刻的值不同。
2.数据寄存器 每个电位器配备的4个数据寄存器，是采用E2PROM制造工艺集成的非易失性存储单元。
这些寄存器可以由主机直接读出或写入，而且数据可以在4个数据寄存器中的任一个和WCR之间传送。
必须注意的是，对这4个寄存器中内容的修改操作，都是非易失性的写（或称烧写）操作，要花费最多10ms的时间。
由于写入过程较长，一般采用“应答轮询”方式。
当对非易失性存储单元E2PROM进行写操作时，表示指令传送结束的停止条件一旦出现，则X9221开始内部的写周期。
写周期的典型时间为5ms。
此后应答轮询立即启动。
这包含发送开始条件，并且后跟器件的从地址。
如果X9221仍然忙于写操作，则没有应答返回；如果X9221已经完成了一个写操作，将有一个应答返回，主机才可以继续下面的操作。
如果在一项具体应用中，不需要数据寄存器对电位器的多个位置数据保留时，这些寄存器还可以被用作通用的存储器单元，可用它们存储系统参数或用户数据等。
特性参数
X9221是一个系列产品，其阻值的不同，可用以下3个字母作后缀来区分：
X9221Y为2kΩ×4；X9221W为10kΩ×4；X9221U为50kΩ×4。
9221的极限参数、特性参数、直流参数、交流参数分别见表3～表6。
应用举例
电路中，用一片X9221的两个电位器分别控制双声道立体声系统的左声道和右声道，以实现对传统音响设备的模糊控制、智能控制以及遥控。
控制器件选一片89C51单片机，仅用P1.0和P1.1两个端口与X9221的SDA和SCL相连。
通常在SDA和SCL线上需要设置上拉电阻，该阻值取决于连接到总线上的所有器件的总容量。
按图4中的情况，等效容量约为18pF。
表3 极限参数
参数
数 值
单位
SDA，SCL，A0～A3各脚输入电压
-1～+7
V
VH、VL引脚电压
±8
V
△V=VH-VL
16
V
工作温度
-65～+135
℃
存储温度
-65～+150
℃
焊接温度
300
℃
表4 特性参数
符 号
参数
最小
典型
最大
单位
RTOTAL
总电阻值
-20
+20
%
每个电位器耗电
50
50
mW
IW
滑动端电流
-1
+1
mA
RW
滑动端串联电阻
40
100
Ω
VTERM
端点电压
-5
+5
V
噪声
≤120
dB
分辨率
1.6
0.4
%
绝对线性率
-1
+1
%
相对线性率
-0.2
+0.2
%
温度系数
±300
ppm/℃
改写次数
100000
次
数据保存时间
100
年
表5 直流参数
符 号
参数
最小
典型
最大
单位
ICC
工作电源电流
3
mA
ISB
备用电源电流
200
500
μA
ILI
输入漏电流
10
μA
ILO
输出漏电流
10
μA
VIH
输入高电平
2
Vcc+1
V
VIL
输入低电平
-1
0.8
V
VOL
输出低电平
0.4
V
表6 交流参数
符号
参 数
最小
最大
单位
CI/O
SDA输入/输出电容
8
pF
CIN
SCL输入电容
6
pF
tPUR
上电至读操作开始
1
ms
tPUW
上电至写操作开始
5
ms
fscl
SCL时钟频率
0
100
kHz
tlow
时钟低电平宽度
4700
ns
tHIGH
时钟高电平宽度
400
ns
tR
SDA和SCL上升时间
1000
ns
tF
SDA和SCL下降时间
300
ns
tSU:
STA
开始条件建立时间
4700
ns
tHD:
STA
开始条件保持时间
400
ns
tSU:
DAT
数据建立时间
250
ns
tHD:
DAT
数据保持时间
0
ns
tAA
SCL变低至SDA输出有效
300
3500
ns
tDH
数据输出保持时间
300
ns
tSU:
STO
停止条件建立时间
4700
ns
tBUF
总线释放至再次传输
4700
ns
tWR
烧写周期
10
ms
tSTPWV
停止条件滑动端响应时间
500
μs
tCLWV
SCL变低滑动端响应时间
1000
μs
tRVCC
Vcc电源爬升率
0.2
50
mV/μs
升级会员 