CN104808563B - 一种高精度可编程电阻合成电路设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高精度可编程电阻合成电路及其设定方法，通过数控电位器与高精度固定电阻并联的方式产生可编程电阻，通过对数控电位器的输出电阻阻值的分层设置，实现可编程电阻的高精度控制，经过大量实验验证，输出误差小于5mΩ，电路设计简单，灵敏度高且电路面积非常小，可以大量集成，在工业测试及仪器仪表的使用有广泛的应用前景。

Description

一种高精度可编程电阻合成电路设定方法

技术领域

本发明涉及可编程电阻器设计领域，具体涉及一种高精度可编程电阻合成电路设定方法。

背景技术

在电路系统中一个电阻值的改变往往可以使电路的特性发生很大的改变，而在一些电阻型传感器中，其表征被测量的输出就是可变的电阻。所以不论是从控制电路特性的角度还是模拟一些特殊的传感器的角度我们都希望实现电阻的可编程控制，最近几年，可程控的精密电阻已经广泛应用工业设计、武器、宇航等各种领域。

对于可编程电阻的设计，目前较常用的做法有：

1、通过继电器或电子开关切换不同电阻的组合得到可变的阻值，该方法实现原理简单，但是电路体积庞大，精度难以掌控，且继电器开关瞬间会产生强大的电磁干扰，影响后端采集电路；

2、通过伺服电机驱动电位器得到可变的阻值，该方法设备复杂，为了得到精密的电阻值必须采用高分辨率的编码器、A/D转换器、高精度步进电机，并需要复杂的电机控制电路，因此系统成本昂贵且体积较大，实现困难；

3、采用运放等构成单口网络，通过编程得到输入电压及电流的比值，获得可编程的线性电阻，系统中运放的本地噪声、非线性误差都会对实现电阻的精度产生较大影响，电路设计比较复杂且一致性较差；

4、通过数字电位器实现可变电阻，但目前的数字电位器的分辨率不高.在10KΩ的范围内最多只能做到1024个抽头，单分层控制精度达到10Ω左右，精度不能满足要求。

为此，亟待解决的问题是提出一种电路设计简单、成本低、实现灵敏度高，电路面积小、控制灵活且可以大量集成可编程电阻合成电路。

发明内容

本发明的目的是针对上述对可编程电阻的设计结构复杂，体积大、精度低难以实现等技术问题提出的一种高精度可编程电阻合成电路设定方法，电路设计简单、实现灵敏度度高，控制灵活，电路面积小，可以大量集成。

为了达到上述目的，本发明提出一种高精度可编程电阻合成电路设定方法，主要包括以下步骤：A、在数控电位器两端并联高精密固定电阻，根据设计输出电阻的最大值和数控电位器的满量程范围确定固定电阻阻值；B、对数控电位器的输出电阻进行设置，所述数控电位器的输出电阻包括并联连接的第一输出电阻和第二输出电阻；C、将对数控电位器输出电阻的设置值数据发送给FPGA，FPGA进而通过SPI总线控制数控电位器电阻的输出；D、通过数控电位器输出电阻的实际电阻值与固定电阻得到最终输出电阻值。

作为优选，所述步骤B包括：步骤B1、设定数控电位器第二输出电阻的预设值；步骤B2、通过固定电阻、第二输出电阻的预设值以及设计输出电阻确定数控电位器第一输出电阻的理想值；步骤B3、通过第一输出电阻的理想值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到数控电位器第一输出电阻的设置值，所述数控电位器的零值电阻及设置步进通过查表得到；步骤B4、根据第一输出电阻的设置值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到第一输出电阻的实际值，由第一输出电阻的实际值、固定电阻及设计输出电阻得到数控电位器第二输出电阻的理想阻值；步骤B5、根据数控电位器第二输出电阻的理想值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到数控电位器第二输出电阻的设置值，由第二输出电阻的设置值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到第二输出电阻的实际值。

作为优选，所述固定电阻选用0.1％精度的高精密固定电阻，其阻值由公式M/N确定，其中M为设计输出电阻的最大值与数控电位器满量程的一半的乘积，N为数控电位器满量程的一半与设计输出电阻最大值的差值。

作为优选，所述数控电位器第二输出电阻的预设值取数控电位器满量程的80％，所述第一输出电阻的理想值根据P/(X-Y-Z)确定，其中P为固定电阻、第二输出电阻的预设值和设计输出电阻值的乘积，X为固定电阻和第二输出电阻预设值的乘积，Y为设计输出电阻与固定电阻的乘积，Z为设计输出电阻与第二输出电阻预设值的乘积。

作为优选，所述第一输出电阻的预设值由S/Q的整数部分确定，其中S为第一输出电阻的理想值与数控电位器零值电阻的差值，Q为数控电位器的设置步进。

本发明另外还提出一种高精度可编程电阻合成电路，主要包括FPGA、数控电位器和固定电阻，所述固定电阻与数控电位器并联连接，所述FPGA接收对数控电位器的输出电阻的步进设置值数据，并将设置值数据通过SPI总线控制数控电位器的输出电阻的阻值，所述数控电位器输出电阻包括并联连接的第一输出电阻和第二输出电阻。

作为优选，所述FPGA的3个I/O接口分别连接数控电位器的片选端、时钟端和数据端，形成SPI总线。

作为优选，所述固定电阻选用0.1％精度的高精密电阻。

作为优选，所述数控电位器采用MAX549x系列电位器。

作为优选，所述数控电位器电源端与地端之间跨接0.1uF的去耦电容。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明通过采用数字电位器结合高精度固定电阻的方式产生可编程电阻，经过大量实验验证，对电路中各电阻的层层设置，确定最佳设置过程及计算方式，电路设计简单、实现灵敏度很高，电路面积非常小且控制灵活，可以大量集成，同时实现多路电阻的产生。

附图说明

图1为本发明所述的一种高精度可编程电阻合成电路设定方法的流程图；

图2为本发明所述的一种高精度可编程电阻合成电路原理框图；

图3为本发明所述的一种高精度可编程电阻合成电路原理图。

具体实施方式

本发明提供一种高精度可编程电阻合成电路及其设定方法，下面结合不同实施例对本发明做进一步地说明。

实施例一，本实施例提出一种高精度可编程电阻合成电路的设定方法。

参考图1，主要包括以下步骤：

步骤001、为提高输出电阻R_x的精度，在数控电位器两端并联高精密固定电阻R₁，所述固定电阻选用0.1％精度的高精密固定电阻，根据所需设计输出电阻的最大值R_{X_MAX}和数控电位器的满量程R_D1范围确定固定电阻R₁的阻值，即

步骤002、确定固定电阻R₁的阻值后，对数控电位器的输出电阻进行设置，所述输出电阻包括第一输出电阻R₂和第二输出电阻R₃，对数控电位器的输出电阻的设置值是在PC机或处理器上完成，主要包括以下步骤：

1)、设定数控电位器的第二输出电阻R₃的预设值R_ant，经过实验论证，R_ant为数控电位器满量程阻值的80％时，输出精度更准确；

2)、对电路中个电阻进行层层设置，根据固定电阻R₁、第二输出电阻R₃的预设值R_ant以及设计输出电阻R_x确定数控电位器的第一输出电阻R₂的理想阻值R_{2_ant}，即

3)、由于数控电位器是按整数步进设置，在得到第一输出电阻R₂的理想阻值R_{2_ant}后，需通过数控电位器的零值电阻R_{D1_0}及数控电位器的设置步进R_tap得到数控电位器的第一输出电阻R₂的最终设置数值n₂，n₂取整数部分，其中，数控电位器的零值电阻R_{D1_0}及数控电位器的设置步进R_tap通过数控电位器手册查得。在实际使用中，为提高输出精度，可对数控电位器进行标定，减小数控电位器设置步进和零值电阻带来的输出误差；

4)、确定第一输出电阻的设置值后，由公式R₂＝R_{D1_0}+R_tap×n₂确定第一输出电阻的实际输出阻值R₂，结合输出电阻R_x和固定电阻R₁计算出数控电位器第二输出电阻R₃的理想阻值R_{3_nct}，

5)、由第二输出电阻R₃的理想阻值R_{3_nct}、数控电位器的零值电R_{D1_0}及数控电位器的设置步进R_tap确定数控电位器的第二输出电阻R₃的最终设置数值n₃，即则R₃的实际输出

步骤003、得到第一输出电阻R₂和第二输出电阻R₃设置值n₂和n₃，通过PC机或处理器将设置值数据发送给FPGA，FPGA通过SPI总线进而控制数控电位器电阻的输出；

步骤004、由数控电位器第一输出电阻和第二输出电阻的实际电阻值与固定电阻R₁并联，得出最终的电阻输出值R_x，R_x＝1/(1/R₁+1/R₂+1/R₃)。

上述步骤中，大量实验结果表明数控电位器的满量程越大，输出信号精度越高，数控电位器选择步进分层多的型号，本实施例中优选MAX549x系列电位器。

为了更清楚的说明本实施例，以设计模拟350Ω典型压力传感器为例，设计传感器动态范围为±5Ω。在设计中，选用1024分层的50K数控电位器MAX5497构成电路。

根据上述所述的电路中各电阻的设置过程及方法描述，可计算高精度固定电阻根据工程可选精密电阻的种类，选择R₁为0.1％精度的360Ω电阻，则第二输出电阻的预设值R_ant＝50K×80％＝40KΩ；以输出最小电阻R_x＝345Ω为例，R₂的理想值为：

通过查表得知，该数控电位器的设置步进R_tap为48.8Ω，零值电阻R_{D1_0}为110Ω，则可计算R₂的设置数值R₂的实际输出值R₂＝110+48.8×212＝10455.6Ω；同时可计算R₃的理想值为：R₃的设置数值R₃的实际输出值R₃＝110+48.8×813＝39784.4Ω；

通过PC机或处理器将n₂＝212和n₃＝813设置值发送给FPGA，FPGA进而通过SPI总线控制数控电位器电阻的输出，即完成电阻输出得到实际输出电阻值为

下一步进电阻输出为通过计算可以得出步进误差3.67mΩ，误差范围在3-4mΩ之间，完全符合设计需求。

实施例二，本实施例提出一种高精度可编程电阻合成电路。

如图2和图3所示，为高精度电阻合成电路的原理框图及电路原理图，主要包括FPGA(D2)、数控电位器D1和固定电阻R₁，为提高输出精度，固定电阻R₁选用0.1％精度的高精密电阻，所述固定电阻R₁与数控电位器D1并联连接，所述FPGA接收对数控电位器D1的输出电阻的设置值数据，并将设置值数据通过SPI总线控制数控电位器的输出电阻的阻值，所述数控电位器输出电阻包括第一输出电阻和第二输出电阻，第一输出电阻的正端(L1)与第二输出电阻的正端(L2)连接，第一输出电阻的滑动端(W1)与第二输出电阻的滑动端(W2)连接，构成两个数控电阻并联电路。

图3中，FPGA的3个普通I/O接口连接数控电位器的片选(CS)、时钟(SCLK)和数据(DIN)，形成SPI总线，数据传输更稳定有效，控制数控电位器D1的输出电阻值。数控电位器的电源端(VDD)接3.3V电源，参考端(VSS)、电源地(GND)和热焊盘(GND_EP)都接电源地，为降低电源干扰，电源与地之间跨接0.1uF的去耦电容C104。

本实施例中，电阻输出时，PC机或处理器根据设置输出的电阻值，计算数控电位器的第一输出电阻和第二输出电阻的设置值，通过PC机与FPGA之间的通信接口将设置值发送给FPGA，FPGA按照数控电位器D1的时序要求完成数控电位器两个输出电阻的设置。数控电位器输出设置阻值，3个电阻并联之后即是最终设置输出，这样，PC机或处理器可以根据需求，完成输出电阻的调整，实施例中电路设计简单，实现方便。固定电阻选用0.1％精度的高精密电阻，为提高输出精度，数控电位器采用MAX549x系列电位器。

综上，本发明提出一种高精度可编程电阻合成电路及其设定方法，通过采用数字电位器结合高精度固定电阻的方式产生可编程电阻，电路设计简单、实现灵敏度很高，电路面积非常小(2cm²)且控制灵活，可以大量集成，同时实现多路电阻的产生。电路经过设计验证，经测试，可编程电阻输出误差小于5mΩ，完全可以满足工业测试和仪器仪表的使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种高精度可编程电阻合成电路设定方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

A、在数控电位器两端并联高精密固定电阻，根据设计输出电阻的最大值和数控电位器的满量程范围确定固定电阻的阻值；

B、对数控电位器的输出电阻进行设置，所述数控电位器的输出电阻包括并联连接的第一输出电阻和第二输出电阻；具体包括：

步骤B1、设定数控电位器第二输出电阻的预设值；

步骤B2、通过固定电阻、第二输出电阻的预设值以及设计输出电阻确定数控电位器第一输出电阻的理想值；

步骤B3、通过第一输出电阻的理想值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到数控电位器第一输出电阻的设置值，所述数控电位器的零值电阻及设置步进通过查表得到；

步骤B4、根据第一输出电阻的设置值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到第一输出电阻的实际值，由第一输出电阻的实际值、固定电阻及设计输出电阻得到数控电位器第二输出电阻的理想阻值；

步骤B5、根据数控电位器第二输出电阻的理想值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到数控电位器第二输出电阻的设置值，由第二输出电阻的设置值、数控电位器的零值电阻及数控电位器的设置步进得到第二输出电阻的实际值；

C、将对数控电位器输出电阻的设置值数据发送给FPGA，FPGA进而通过SPI总线控制数控电位器电阻的输出；

D、通过数控电位器输出电阻的实际电阻值与固定电阻得到最终输出电阻值。

2.根据权利要求1所述的一种高精度可编程电阻合成电路的设定方法，其特征在于，所述固定电阻选用0.1％精度的高精密固定电阻，其阻值由公式M/N确定，其中M为设计输出电阻的最大值与数控电位器满量程的一半的乘积，N为数控电位器满量程的一半与设计输出电阻最大值的差值。

3.根据权利要求1所述的一种高精度可编程电阻合成电路的设定方法，其特征在于，所述数控电位器第二输出电阻的预设值为数控电位器满量程的80％，所述第一输出电阻的理想值根据P/(X－Y－Z)确定，其中P为固定电阻、第二输出电阻的预设值和设计输出电阻值的乘积，X为固定电阻和第二输出电阻预设值的乘积，Y为设计输出电阻与固定电阻的乘积，Z为设计输出电阻与第二输出电阻预设值的乘积。

4.根据权利要求1所述的一种高精度可编程电阻合成电路的设定方法，其特征在于，所述第一输出电阻的预设值由S/Q的整数部分确定，其中S为第一输出电阻的理想值与数控电位器零值电阻的差值，Q为数控电位器的设置步进。