電位器在電力和電子學的最早期就已經是一個重要的無源電路組件。電位器是一種三端子設備，帶有一個可訪問的電阻元件，可通過旋轉軸上用戶可設置的滑動臂實現(xiàn)分壓功能。電位器已用于無數(shù)的模擬和混合信號電路，能滿足各種各樣的應用要求。全電子數(shù)字電位器仿真了機電式電位器的功能，但這是通過一個沒有活動部件的集成電路來實現(xiàn)的。數(shù)字電位器可接受多種格式的數(shù)字代碼，并確立一個相應的電阻值。因此，這種器件有時被稱為電阻式數(shù)模轉換器(RDAC)。在傳統(tǒng)電位器中，可以用手(有時甚至是小型電機)來設定滑臂位置，以此設置分壓比。然而，在數(shù)字電位器中，計算機控制器通過數(shù)字接口與數(shù)字電位器IC連接，并建立一個與滑臂位置等效的數(shù)值。
數(shù)字電位器可代替機械式電位器，具有使用靈活、調節(jié)精度高、無觸點、低噪聲等顯著優(yōu)點。由于某型檢測系統(tǒng)是用于某有線通信線路的在線檢測，這類線路通過二線差分方式可傳輸多類通信信號，其標稱電平峰值范圍為0.8～9V，頻率范圍為50～2.5MHz，匹配阻抗為120Ω、600Ω，其在檢測過程中無法預先知道傳輸信號類型；因而本文運用數(shù)字電位器可編程控制阻值功能，設計了增益可自適應調整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以較好地解決了這一問題。
1.系統(tǒng)整體設計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常由信號調理電路﹑模數(shù)轉換器(ADC)電路和信號傳輸電路3部分組成。信號調理電路主要完成阻抗匹配﹑信號幅度調節(jié)和濾波;ADC主要完成模擬信號到數(shù)字信號的轉換;信號傳輸電路主要用于將ADC輸出的數(shù)字信號傳送到上位機，并從上位機獲取控制信號完成采集系統(tǒng)的功能控制。
依據(jù)前文所述，為完成對信號的采集，采集系統(tǒng)的設計指標應略有富余：輸入阻抗大于6MΩ，輸入信號幅值范圍大于0.5～10V，電路頻率范圍大于30～3MHz。
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC芯片是核心，整個電路設計應當圍繞ADC芯片展開，所以首先要完成ADC芯片的選型工作。根據(jù)采樣定理，為得到完整的信號信息，采樣頻率只需大于信號最大頻率的2倍即可，而在工程實踐中，通常選擇采樣頻率為信號最大頻率的5～10倍，這就要求系統(tǒng)中數(shù)模轉換電路的采樣頻率應大于20MHz。按照功能性和經濟性的原則，ADC芯片選擇ADS822，其主要參數(shù)為：分辨率為10位;采樣速率為40MSPS;動態(tài)輸人范圍為2V;信噪比(SNR)為60dB;無動態(tài)失真范圍(SFDR)為72dBFS;微分非線性誤差(DNL)為0.5LSB;可選擇單端或差分輸入;+5V單電源供電。
2.硬件電路設計
圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖，信號調理電路由儀表放大器、增益調節(jié)放大器、ADC輸入緩沖放大器組成。儀表放大器的主要功能是提供高輸入阻抗(通常可以達到109～1012Ω)，用于提高電路共模抑制比和完成差分輸入到單端輸出的轉換。增益調節(jié)放大器用于完成信號增益控制，以匹配ADC的輸人范圍。ADC輸入緩沖器配合ADC使用，用于隔絕前后級電路的干擾，同時完成ADC單端信號的輸入調整。模數(shù)轉換器(ADC)電路以ADC芯片為核心組成，用于完成模擬信號到數(shù)字信號的轉換。信息傳輸電路以FPGA芯片為核心組成，用于為ADC提供采樣時鐘，讀取ADC輸出數(shù)字信號，進行初步信號處理，將數(shù)據(jù)傳送到上位機，并通過SPI控制線對增益調節(jié)放大器進行控制。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖
2.1儀表放大器電路
儀表放大器是一種具有差分輸入和相對參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。通常由3個運放組成，圖2是儀表放大器原理圖，U1A、U1B組成差分放大電路，為同相差分輸入方式，用于提高電路的輸入阻抗，減少電路對小信號的衰減，同時該電路只對差分信號進行放大，而共模信號只起跟隨作用，其對差分信號的增益G=1+(R1+R2)/R3。U2A為減法器電路，用于完成差分信號到單端信號的轉換，當R4=R5，R6=R7時，其增益G=R6/R4。圖2所示儀表放大器的總增益為2。R1與C1，R2與C2，R6與C3，R7與C4，分別組成一階低通濾波器，能夠抑制放大器噪聲，同時可防止電路產生高頻自激。
圖2 三運放組成儀表放大器
運放芯片選擇雙通道集成芯片AD8620，該芯片為高精度的JFET輸人放大器，其供電電源為±5V或±13V，使用±13V供電時其性能參數(shù)為：最大輸入失調電壓：150μV;最大輸入偏置電流：±10pA;最大輸入失調電流：±10pA;輸入電壓范圍：-10.5～+10.5V;最小共模抑制比(CMRR)：90dB;輸出電壓范圍典型值：-11.84～+11.84V;輸出短路電流：±65mA。
2.2增益調節(jié)放大器電路
增益調節(jié)放大器電路主要對輸入信號幅值進行衰減或放大，根據(jù)系統(tǒng)技術指標和ADC芯片的技術參數(shù)，信號調理電路的增益范圍應當大于0.2～4，由于儀表放大器的增益為2，所以該電路的增益調節(jié)范圍應當大于0.1～2。目前很多公司已經生產了可編程增益放大器(PGA)來完成增益調節(jié)的功能，已有的產品雖然使用方便，但是PGA大部分用于小信號放大電路中，其增益大于1。因而該電路選擇集成運放芯片和數(shù)字電位器來完成信號增益調節(jié)功能。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增益放大器用于輸入ADC信號的增益控制。如圖3所示，增益調節(jié)放大器電路由AD8620芯片的另一個運放和一個數(shù)字電位器芯片AD5141組成。AD5141芯片為單通道，10kΩ，100kΩ可選數(shù)字電位器，控制方式SPI、可選，256個游標位置，其主要性能參數(shù)為：最大電阻容差：8%，10kΩ帶寬：3MHz，A、B、W端允許通過電流值范圍：-6～+6mA。
圖3 增益放大器電路
數(shù)字電位器W端和B端的阻值為RBW，其調節(jié)范圍為40～10kΩ，步進值39.23Ω，運放芯片應用為反相放大器，其增益G=-RBW/R8，R8=5kΩ時，該電路增益調節(jié)范圍0.008～2。R9為匹配電阻，通常選擇R9=RBW/R8，在這里由于R,BW是可變，因此選擇R0=2kΩ。
儀表放大器輸出的信號經過增益調節(jié)放大器后，調整為2Vp-p信號，傳送到ADC輸入緩沖器中。圖4為ADC輸入緩沖器和ADC工作電路。ADS822工作在單端輸入狀態(tài)時，其輸入信號范圍為0～2V，因而從增益調節(jié)放大器過來的信號不能直接送到ADC的輸入端，需要增加一個輸入緩沖器，將信號范圍調節(jié)成0～2V，圖4中的U4組成電路即為ADC輸入緩沖器，該電路是依據(jù)ADS822的使用手冊提供參考電路設計。
圖4 輸入緩沖器與ADC電路
3.系統(tǒng)軟件設計形成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件主要是完成系統(tǒng)控制﹑數(shù)字信號處理和信號傳輸?shù)裙δ?，通過FPGA芯片XC3S400來完成。FPGA芯片為ADC電路提供時鐘，讀取ADC輸出數(shù)據(jù)，并對通過對數(shù)據(jù)大小的分析，判斷ADC的輸入信號幅值范圍，如果信號幅值過大或者過小，就通過輸出控制信號調節(jié)數(shù)字電位RBW器大小來改變增益調節(jié)放大器的增益，使輸入ADC的信號幅值保持在ADC工作的最佳范圍之內。FPGA同時可對接收到的數(shù)字信號進行處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳輸?shù)缴衔粰C。
圖5 軟件設計結構
系統(tǒng)軟件基于ISE環(huán)境開發(fā)，采用模塊化設計，其設計結構如圖5所示，依據(jù)功能不同整個軟件可以分為以下7個模塊：
(1)主控協(xié)調模塊，用于接收控制端輸入的工作模式和控制信息，完成整個系統(tǒng)功能的控制，并為數(shù)據(jù)在FPGA內部傳輸提供通道，同時向各個模塊提供時鐘和復位信號。
(2)數(shù)據(jù)采集模塊，用于控制ADC芯片工作，為ADC芯片提供采樣時鐘，讀取ADC芯片輸出的數(shù)字信號，采用FIFO方式對數(shù)據(jù)進行緩沖，并將數(shù)據(jù)傳送到主控協(xié)調模塊和數(shù)據(jù)判斷模塊。
(3)數(shù)據(jù)判斷模塊，主控單元通過JOE控制該模塊是否工作，該模塊工作時用于分析、判斷ADC的輸入信號幅值范圍，并將判斷結果轉換為增益控制信號傳送到電位器控制模塊。
(4)電位器控制模塊，接收主控協(xié)調單元的輸出的工作狀態(tài)控制信號，可工作于3種固定增益方式或增益自適應方式。3種固定增益方式應用于能夠確定信號類型得場合。工作在增益自適應方式時，通過接收數(shù)據(jù)判斷模塊輸出的控制信號，轉換成相應的數(shù)字電位器控制信號輸出，調節(jié)數(shù)字電位器RBW變化。
(5)信號處理模塊，用于補償因為采集系統(tǒng)增益造成的數(shù)據(jù)變化，將ADC采集到的數(shù)據(jù)還原成輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并可依據(jù)應用需要，進行部分運算量大、運算實時性要求高的數(shù)字信號處理，并將最終處理結果傳送到數(shù)據(jù)傳輸模塊和波形顯示模塊。
(6)數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于采集系統(tǒng)與上位機的通信，完成上位機控制信號的接收和采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送。該模塊分為兩部分，一部分是RS232接口，用于低速控制信號的接收，一部分是USB2.0接口，用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。
(7)波形顯示模塊，用于將信號處理模塊傳輸來的數(shù)據(jù)轉換為可以用顯示器顯示的波形信號，并輸出到顯示器顯示，可用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集狀態(tài)監(jiān)測，在主控協(xié)調單元的使能信號下工作。
4.關于數(shù)字電位器的常見問題
4.1數(shù)字電位器的用途是什么?
數(shù)字電位器(也稱為電阻式數(shù)模轉換器，或非正式的數(shù)字電位器)是一種模擬電位器模擬功能的數(shù)字控制電子元件。它通常用于微控制器微調和縮放模擬信號。
4.2數(shù)字電位器是如何工作的?
數(shù)字電位器(也稱為數(shù)字電阻器)具有與普通電位器相同的功能，但與普通電位器相比，數(shù)字電位器使用數(shù)字信號和開關代替機械動作。任何時候都只關閉一個開關，閉合的開關決定了“雨刷”的位置和電阻比。
4.3數(shù)字電位器的電阻容差是多少?
數(shù)字電位器往往具有大的的端到端公差。Maxim數(shù)字電位器通常具有20%至30%的電阻容差。當數(shù)字電位器用作與其他電阻器串聯(lián)的分壓器時，電阻容差可能會出現(xiàn)問題。
4.4如何將數(shù)字電位器連接到Arduino?
將數(shù)字電位器的時鐘引腳(SCL)的引腳4連接到Arduino上的模擬引腳5，將數(shù)據(jù)線(SDA)的引腳5連接到模擬引腳4。在SCL和SDA線上，添加4.7K歐姆拉上電阻，將兩條線連接到+5V。最后，將LED連接到引腳1，即AD5171的“雨刷器”，串聯(lián)一個680歐姆LED。
圖6 數(shù)字電位器連接到Arduino
結語
以上就是基于數(shù)字電位器的增益自適應數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計介紹了。數(shù)字電位器是一種數(shù)字設置的IC，在許多系統(tǒng)結構和電路設計中取代了經典的機電式電位器。數(shù)字電位器不僅減少了產品尺寸和因意外移動而出錯的可能性，而且還增加了與處理器的兼容性，從而增加了軟件的兼容性，還具有更高的精度和分辨率(如果需要)以及其它的有用功能。本文通過分析論證，給出了完整的硬件設計電路和軟件設計結構，經過仿真，系統(tǒng)符合設計要求，可為類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計提供參考借鑒。
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