基于I2C总线的新型可编程增益放大电路的设计

图1 可编程增益放大器硬件原理图

按照功能，硬件可分为五个部分：（1）增益可变放大器；（2）微控制器；（3）数字电位器；（4）多路开关选择。
电路特点及功能
该电路以单片机89C2051为组成微处理系统，用软件实现放大器增益的智能控制。该电路先对输入信号的大小进行判断，以一定算法得到相应放大倍数，然后转化为增益码再通过I2C总线传递给数字电位器，选择相应的反馈电阻输出，从而改变放大器的放大倍数。
微控制器及A/D转换电路
在模拟输入信号进入微控制器前，首先要将模拟信号转换成数字信号，本文微控制器部分选用单片机AT89C2051，充分利用AT89C2051在对单输入信号的A/D转换方面的优势。该芯片利用P1.0、P1.1两个I/O口，再配以简单的外围电路，通过软件编程即可实现单输入的A/D转换，不需要专门的外部A/D芯片，该方法降低了开发成本、减少了电路体积和器件。
数字电位器
AT89C2051对转换后的数字信号进行处理，得到相应的放大倍数，转化为增益码输出到数字电位器，由增益码控制数字电位器的阻值输出，从而改变增益可变放大器的放大倍数。
本文数字电位器采用Xicor公司的X9241芯片，该芯片是把四个非易失性数控电位器集成在一个单片的CMOS微电路。单个数控电位器包含63个电阻单元，可实现64级增益控制，四个电位器串联则可以提供256级的增益控制。若256级增益设置仍然不能满足大动态范围信号的要求，那么可以采用多片X9241串联的方法解决。
在每个电阻单元之间和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽头点，滑动单元在阵列中的位置由用户通过I2C串行总线传递增益码来控制，X9241自带I2C二线接口，接法简单，使用方便，可灵活控制滑臂位置，改变阻值大小。
增益可变放大器及多路选择开关
X9241芯片的四数控电位器集成特性提供了足够大的阻值范围，可满足大动态范围信号放大的增益要求。
因此根据模拟输入信号的大小，通过单片机获得相应的增益控制码，同时控制多路选择开关，选择X9241相应的档位输出，即可获得不同的阻值大小，控制增益可变放大器的放大倍数。
本文选用的增益可变放大器为ADI公司的AD623，具有低噪声、高共模抑制比和低漂移等优点。AD623可产生的增益范围，性能极限主要决定于外部电阻。其中由X9241提供，具体设计时采用X9241W芯片，其内部四个数控电位器的阻值均为，因此其增益范围为，增益误差小于0.05%，且呈现极好的交流特性，具有25MHz的增益带宽积、的转换速率和的响应时间。
可编程增益放大器的软件设计

设计过程当中，数字电位器滑臂位置的控制起着非常重要的作用，对它的控制是通过总线实现的。总线是目前常用的一种双向串行总线，其二线制的结构非常简单，可靠性和抗干扰性较好，同时具有接法简单、使用灵活等优点。
单片机AT89C2051没有专用的总线接口，要用普通I/O口来模拟实现，所以对该可编程增益放大器的设计来说，其软件模拟总线的实现在软件设计中就显得相当重要。
在单片机中使用I/O口模拟总线时，只需将单片机的两个I/O口，在软件中分别定义成SCL（串行时钟信号）与SDA（串行数据信号），与X9241的两个接口连接，再加上上拉电阻即可。其连接图为：

图2 单片机与X9241之间的I2C连接

普通口模拟I2C总线的硬件连接非常简单，主要是软件模拟I2C总线的数据传送。完整的数据传送包括开始、数据发送、应答以及停止等典型信号。此外，在软件模拟过程中，还需注意的一点，即对标准I2C总线的数据传送，规定了严格的时序要求，以保证数据传送的可靠性。I2C总线上时钟信号的低电平周期为，高电平周期为，总线时钟频率为，根据这些要求，具体实现时，我们采用时钟信号的、周期均定为。
图3为软件模拟I2C总线控制数字电位器的流程图。对X9241的控制主要由三个字节实现，字节为器件地址，即X9241的地址；第二字节为命令内容和电位器的选择，即选择读/写四个电位器中的哪一个；第三字节为滑臂位置控制，即选择具体的阻值大小。

图3 软件模拟I2C总线控制数字电位器的流程图