数字电位器MAX5481的结构、功能及应用分析
1、引言
夫兰克一赫兹实验是近代物理中一个重要实验，它通过直接测量电子碰撞中传递的能量来证实原子能级的存在。夫兰克一赫兹实验仪是要产生一个变化的电压ug2k，并测出电流ip及ug2k的大小。然而在早期仪器中均采用机械电位器来调节ug2k。在此采用数字电位器调节ug2k。
2、仪器的整体设计
图l示出仪器的基本原理及ip一ug2k曲线。设计中，采用单片机stc89c54它具有16 k flash rom、l 280b ram、16k e2prom、标准mcs一51单片机，支持isp下载。a／d转换器采用具有12位11个输入通道、串口接口的tlc2543。可对经过三级放大了的10-9～10-7a电流in和经过电阻分压的ug2k进行测量，其测量结果分别采用4位7段led显示，同时保存在单片机的e2prom中。在单片机的p1．o~pl.3引脚控制下，数字电位器max5481通过电路产生一个电压约为0~100 v，分辨率约为o．1 v变化的ug2k。rs232串口用于isp下载。仪器整体框图如图2所示。
3、 数字电位器max5481
max548l是10位（即1 024抽头）非易失、线性变化、可编程分压器和可变电阻器，其两个固定端电阻为10 kω，实现机械电位器的功能，可配置成3线串行spi兼容接口或增/减（up／down）数字接口。在其内部有非易失、电可擦除可编程只读存储器（e2prom），用于存储上电时滑动端的初始位置。可采用+2．7～+5．25 v单电源供电或±2．5 v双电源供电。
3．1 内部结构
图3示出max548l的内部功能框图。max5481主要包括电源、上电复位、非易失存储器、锁存器、解码电路、spi接口电路、up/down接口电路、接口选择电路、可变电阻器等。
3．2 引脚功能
max548有16引脚tqfn和14引脚tssop两种封装。其引脚功能：h为可变电阻高电平端；w为可变电阻滑动端；l为可变电阻低电平端；vdd为电源正极；gnd为电源地。vss为电源负极，当单极性电源供电时，与gnd短接；cs为片选信号，低电平有效；spi／ud用于接口方式的选择。高电平时选择spi接口方式，低电平时选择up／down方式；sclk（inc）用于两种方式的切换，在spi方式下，为时钟信号输入端；在up／down方式，每个下降沿均使w端增加或减小j lsb；din（u／d）用于两种方式的切换，在spi方式下，din为数据信号输入端；在up／down方式下，决定w端的变化方向。
3．3 单片机对max5481的控制
上电后，max548l复位工作，先读取非易失存储器中的数据，经锁存器、解码电路，使w端移至预先没定的位置。接口选择电路根据spi／ud引脚电平选择接口方式，由spi接口或up／down接口改写锁存器的数据，经解码后来改变w端的位置，从而改变分压比和上下电阻值。
3．3．1 spi接口方式
当spi／ud=l时，max548l进入spl接口方式；当cs=0时，在时钟引脚sclk（inc）的上升沿，将数据输入引脚din（u/d）的数据写入max548l。要把数据写到锁存器时，需要24个时钟才能把命令和数据写入max548l中；要在锁存器和nv存储器之间复制数据时，可以采用8个时钟来写命令，也可以采用24个时钟把命令和数据写入max548l中，其中后面16位数据将被忽略。表l示出其数据格式。w端的位置由10位锁存器中的数据决定，其分压比可按下式计算：
3．3．2 up／down接口方式
当spi／ud=0时，max548l进入up／down接口方式，该方式操作较简单。当cs=0器件被选中，若引脚din（u/d）=l时，则引脚sclk（inc）的每个下降沿均使w端增加1 lsb（向h端移动）；若引脚din（u/d）=0时，则引脚sclk（inc）的每个下降沿均使w端减小1 lsb（向l端移动）。在sclk（inc）=1状态，引脚cs电平为上升沿时，max5481将把锁存器数据复制到nv存储器予以保存。
3．3．3 ug2k电压产生电路
在硬件上，单片机通过p1．0～p1．3口与引脚cs、sclk（inc）、din（u／d）、spi／ud相连。在软件上，采用spi方式对max548l进行操作。由于max548l是10位（1 024抽头）的数字电位器，因此在没置按键时，还设有十进位、百进位加速键，以方便调整。
由于max5481的负载能力有限．一般需要采用放大电路对其负载能力进行扩展。设计中vtl、vt3接成共集放大电路，vt2接成共基放大电路，这样即可提高带负载能力，输m约0~100v，分辨率约为0．1 v变化的ug2k。该电压经过r7、r8电阻分压，供测量使用。
4 、结束语
数字电位器能在各种应用中为模拟电路提供便利的电阻、电压和电流数字控制与调节。特别是许多模拟电路经过几十年的发展，技术成熟，因此只需较小的改进，甚至可以直接用数字电位器替代机械电位器，而使操作数字化，既方便蒯节控制，又提高系统性能，简化设计。
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2、仪器的整体设计
图l示出仪器的基本原理及ip一ug2k曲线。设计中，采用单片机stc89c54它具有16 k flash rom、l 280b ram、16k e2prom、标准mcs一51单片机，支持isp下载。a／d转换器采用具有12位11个输入通道、串口接口的tlc2543。可对经过三级放大了的10-9～10-7a电流in和经过电阻分压的ug2k进行测量，其测量结果分别采用4位7段led显示，同时保存在单片机的e2prom中。在单片机的p1．o~pl.3引脚控制下，数字电位器max5481通过电路产生一个电压约为0~100 v，分辨率约为o．1 v变化的ug2k。rs232串口用于isp下载。仪器整体框图如图2所示。
3、 数字电位器max5481
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3．1 内部结构
图3示出max548l的内部功能框图。max5481主要包括电源、上电复位、非易失存储器、锁存器、解码电路、spi接口电路、up/down接口电路、接口选择电路、可变电阻器等。
3．2 引脚功能
max548有16引脚tqfn和14引脚tssop两种封装。其引脚功能：h为可变电阻高电平端；w为可变电阻滑动端；l为可变电阻低电平端；vdd为电源正极；gnd为电源地。vss为电源负极，当单极性电源供电时，与gnd短接；cs为片选信号，低电平有效；spi／ud用于接口方式的选择。高电平时选择spi接口方式，低电平时选择up／down方式；sclk（inc）用于两种方式的切换，在spi方式下，为时钟信号输入端；在up／down方式，每个下降沿均使w端增加或减小j lsb；din（u／d）用于两种方式的切换，在spi方式下，din为数据信号输入端；在up／down方式下，决定w端的变化方向。
3．3 单片机对max5481的控制
上电后，max548l复位工作，先读取非易失存储器中的数据，经锁存器、解码电路，使w端移至预先没定的位置。接口选择电路根据spi／ud引脚电平选择接口方式，由spi接口或up／down接口改写锁存器的数据，经解码后来改变w端的位置，从而改变分压比和上下电阻值。
3．3．1 spi接口方式
当spi／ud=l时，max548l进入spl接口方式；当cs=0时，在时钟引脚sclk（inc）的上升沿，将数据输入引脚din（u/d）的数据写入max548l。要把数据写到锁存器时，需要24个时钟才能把命令和数据写入max548l中；要在锁存器和nv存储器之间复制数据时，可以采用8个时钟来写命令，也可以采用24个时钟把命令和数据写入max548l中，其中后面16位数据将被忽略。表l示出其数据格式。w端的位置由10位锁存器中的数据决定，其分压比可按下式计算：
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