CN105575570A - 大量程数字快速无级调节电阻器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大量程数字快速无级调节电阻器，包括n个电阻等，其中，所述n个电阻串联，所述n个电子开关依次分别与所述n个电阻并联，所述控制模块分别与所述n个电子开关相电路连接，电阻器第一接线端和第一个电阻与第二个电阻相连接端的另一端相连接，电阻器第二接线端和第n个电阻与第n-1个电阻相连接端的另一端相连接，所述n个电阻的电阻值组成的电阻值数列为等比数列。本发明大量程数字快速无级调节电阻器具有量程大、精度高、准无级数字调节、动态响应快、结构简单、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调电阻器技术，具体地，涉及一种大量程数字快速无级调节电阻器。
背景技术
电位器已在各种电路中广泛应用。其中，各种滑动电位器或变阻器虽可实现对电阻的无级调节，但其滑动触头易磨损从而严重影响电阻调节的精度、使用寿命，而且动态调节时的响应慢导致动态快速调节受限。为此，数字电位器在各种电路中得到了大量应用。但现有的数字电位器仍存在诸多不足：电路复杂，例如，有1024个电阻档的数字电位器就需要有1023个电阻；无法实现无级调节，即使现有电阻档达1024个的数字电位器，名义分辨率仅0.098％，导致如其电阻调节的量程大则相邻档之间的电阻差过大，例如，如量程为0～2MΩ,即使对具有1024个电阻档的数字电位器，其相邻档之间的电阻差也达约200KΩ，不能满足对电位器电阻的高精度要求，因此，现有数字电位器的电阻量程一般较小。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大量程数字快速无级调节电阻器，其具有量程大、精度高、准无级数字调节、动态响应快、结构简单、成本低的特点。
根据本发明的一个方面，提供一种大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，包括n个电阻、n个电子开关、一个控制模块、电阻器第一接线端、电阻器第二接线端，其中，所述n个电阻串联，所述n个电子开关依次分别与所述n个电阻并联，所述控制模块分别与所述n个电子开关相电路连接，电阻器第一接线端和第一个电阻与第二个电阻相连接端的另一端相连接，电阻器第二接线端和第n个电阻与第n-1个电阻相连接端的另一端相连接，所述n个电阻的电阻值组成的电阻值数列为等比数列，设θ为该电阻值数列的公比、Rmax为欲实现的所述大量程数字快速无级调节电阻器的最大量程，所述n个电阻的电阻值依次为1Ω、θ1Ω、θ2Ω、…、θn-1Ω，则n为对满足关系式θn1＝Rmax(θ-1)+1的n1取整后的自然数，控制模块通过控制所述n个电子开关中的一部分处于接通状态，另一部分处于断开状态来高分辨率大量程地无级调节实现所需的电阻器电阻值。
优选地，所述n个电阻的电阻值数列的公比θ＝2，则控制模块通过控制所述n个电子开关实现分辨率为1Ω、量程范围为0Ω～2n-1Ω的电阻器电阻值的无级调节。
优选地，所述控制模块通过CAN总线或其它通信接口接收对电阻器电阻值的数字控制指令，记该指令的电阻值按向下取整后的无符号整数的n位二进制表示为D。
优选地，所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有第n+1个电阻和第n+1个电子开关，其中，所述第n+1个电阻与所述的n个电阻串联，所述第n+1个电子开关与所述第n+1个电阻并联，所述控制模块1通过PWM信号控制所述第n+1个电子开关，将所述第n+1个电阻和所述第n+1个电子开关的并联电路的等效电阻动态调节在所述电子开关的导通电阻和所述第n+1个电阻的电阻值之间，实现毫欧级的电阻器电阻值或分辨率为毫欧级的电阻器电阻值的无级调节；将所述电阻器第一接线端、第二接线端分别连接到这n+1个电阻的串联电路的两端。
优选地，所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有一个电流传感器，所述控制模块通过采样所述电流传感器输出的电流信号与电阻器第一接线端和电阻器第二接线端之间的电压并进而据此计算的该电阻器的实际电阻值，采用PWM信号控制所述第n+1个电子开关，实现对所述第n+1个电阻和所述第n+1个电子开关的并联电路的等效电阻进行闭环调节。
优选地，所述各电子开关为光电继电器或其它隔离型电子开关，以实现所述电阻器所连接的电路与所述控制模块间的电气隔离。
优选地，所述电阻器第一接线端或电阻器第二接线端还串联一个限流电阻。
优选地，所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有一个外壳，用于安装所述的大量程数字快速无级调节电阻器的电路和其对外的接口。
优选地，所述控制模块还具有记忆存储和自动恢复功能。
优选地，所述控制模块还设有自诊断功能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：(1)本发明提出了电子开关与电阻并联的方式和电阻的电阻值按等比数列设置的思想，改变了现有数字电位器中对电子开关的多选一控制模式而改用对各电子开关分别独立控制的模式，从而在简化了电路、降低了成本的同时实现了对电阻器电阻的毫欧级高分辨率和大量程的数字快速无级调节，解决了现有数字电位器存在的大量程时电位器电阻值分辨率不高或电路复杂、不能无级调节、不易实现大量程的问题，也同时解决了现有各种滑动电位器或变阻器滑动触头易磨损从而严重影响电阻调节的精度、使用寿命以及动态调节时的响应慢导致动态快速调节受限的问题，同时具有超大量程、高精度、准无级数字调节、动态响应快、结构简单、成本低等特点。(2)经测试，本发明可调电阻器的电阻调节分辨率达二百万分之一甚至更小，为现有数字电位器国际领先水平0.1％的2000倍以上且同时将电阻和电子开关的数量减少为其的五十分之一。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明大量程数字快速无级调节电阻器的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明大量程数字快速无级调节电阻器包括n个电阻R0～Rn-1、n个电子开关S0～Sn-1、一个控制模块1、电阻器第一接线端2、电阻器第二接线端3，其中，所述n个电阻R0～Rn-1串联，所述n个电子开关S0～Sn-1依次分别与所述n个电阻R0～Rn-1并联，所述控制模块分别与所述n个电子开关S0～Sn-1相电路连接，电阻器第一接线端2和第一个电阻R0与第二个电阻R1相连接端的另一端相连接，电阻器第二接线端3和第n个电阻Rn-1与第n-1个电阻Rn-2相连接端的另一端相连接，所述n个电阻R0～Rn-1的电阻值组成的电阻值数列为等比数列，设θ为该电阻值数列的公比、Rmax为欲实现的所述大量程数字快速无级调节电阻器的最大量程，所述n个电阻的电阻值依次为1Ω、θ1Ω、θ2Ω、…、θn-1Ω，则n为对满足关系式θn1＝Rmax(θ-1)+1的n1取整后的自然数，如θ＝2，欲实现Rmax＝2MΩ，满足该式的n1＝20.9,则n＝21，实际Rmax＝2.1MΩ，从而近似实现了Rmax，控制模块1通过控制所述n个电子开关S0～Sn-1中的一部分处于接通状态，另一部分处于断开状态来高分辨率大量程地无级调节实现所需的电阻器电阻值。
所述n个电阻的电阻值数列的公比θ＝2，则控制模块1通过控制所述n个电子开关S0～Sn-1实现分辨率为1Ω、量程范围为0Ω～(2n-1)Ω的电阻器电阻值的无级调节。所述电阻值数列的公比θ＝2、所述电阻及电子开关的个数为n＝31，控制模块1通过控制所述n个电子开关S0～Sn-1实现分辨率为1Ω、量程范围为0Ω～2147MΩ的电阻器电阻值的无级调节。当需设计为更大量程时，将所述电阻和电子开关的个数n增大即可，如n＝35时该量程范围即达0Ω～34359MΩ。
所述控制模块1通过CAN总线或其它通信接口接收对电阻器电阻值的数字控制指令，记该指令的电阻值按向下取整后的无符号整数的n位二进制表示为D，按如D的第i位Di(i＝1,2,…,n)为1时控制第i个电子开关Si-1接通、如Di为0时控制第i个电子开关Si-1断开的方式，分别独立控制所述n个电子开关来自动实现该数字控制指令相应的电阻器电阻值。
所述大量程数字快速无级调节电阻器还可以设有第n+1个电阻Rn(Rn≥1Ω)和第n+1个电子开关Sn，其中，所述第n+1个电阻Rn与所述的n个电阻(R0～Rn-1)串联，所述第n+1个电子开关Sn与所述第n+1个电阻Rn并联，所述控制模块1通过PWM信号控制所述第n+1个电子开关Sn，将所述第n+1个电阻Rn和所述第n+1个电子开关Sn的并联电路的等效电阻动态调节在所述电子开关Sn的导通电阻和所述第n+1个电阻Rn的电阻值之间，实现毫欧级的电阻器电阻值或分辨率为毫欧级的电阻器电阻值的无级调节；相应地，将所述电阻器第一接线端2、第二接线端3分别连接到这n+1个电阻的串联电路的两端。
所述大量程数字快速无级调节电阻器还可以设有一个电流传感器4，所述控制模块1通过采样所述电流传感器4输出的电流信号与电阻器第一接线端2和电阻器第二接线端3之间的电压并进而据此计算的该电阻器的实际电阻值，采用PWM信号控制所述第n+1个电子开关Sn，实现对所述第n+1个电阻Rn和所述第n+1个电子开关Sn的并联电路的等效电阻进行闭环调节，进一步提高电阻器电阻值的调节精度。
所述各电子开关(S0～Sn-1,Sn)为光电继电器或其它隔离型电子开关，以实现所述电阻器所连接的电路与所述控制模块1间的电气隔离，避免所述电阻器所连接的电路对所述控制模块1的影响。
所述电阻器第一接线端2或电阻器第二接线端还串联一个限流电阻5，以避免在指令的电阻器电阻值较小时损坏所述电子开关(S0～Sn-1,Sn)。
所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有一个外壳6，用于安装所述的大量程数字快速无级调节电阻器的电路和其对外的接口。
所述控制模块1还具有记忆存储和自动恢复功能，即，控制模块掉电时自动记忆该电阻器的电阻值并保存到其非易失性存储器中，上电后自动读出其记忆的电阻器的电阻值并自动调节到该电阻值。
所述控制模块1还设有自诊断功能，当发生过热、过流、电路器件失效时所述控制模块1可自动利用其CAN总线接口输出故障信号。
本发明在简化了电路、降低了成本的同时实现了对电阻器电阻的毫欧级高分辨率和大量程的数字快速无级调节，解决了现有数字电位器存在的大量程时电位器电阻值分辨率不高或电路复杂、不能无级调节、不易实现大量程的问题，也同时解决了现有各种滑动电位器或变阻器滑动触头易磨损从而严重影响电阻调节的精度、使用寿命以及动态调节时的响应慢导致动态快速调节受限的问题，同时具有了超大量程、高精度、准无级数字调节、动态响应快、结构简单、成本低等特点；经测试，其电阻调节分辨率达二百万分之一甚至更小、为现有数字电位器国际领先水平0.1％的2000倍以上且同时将电阻和电子开关的数量减少为其的五十分之一，且动态调节响应与现有数字电位器国际领先水平相当。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，包括n个电阻、n个电子开关、一个控制模块、电阻器第一接线端、电阻器第二接线端，其中，所述n个电阻串联，所述n个电子开关依次分别与所述n个电阻并联，所述控制模块分别与所述n个电子开关相电路连接，电阻器第一接线端和第一个电阻与第二个电阻相连接端的另一端相连接，电阻器第二接线端和第n个电阻与第n-1个电阻相连接端的另一端相连接，所述n个电阻的电阻值组成的电阻值数列为等比数列，设θ为该电阻值数列的公比、Rmax为欲实现的所述大量程数字快速无级调节电阻器的最大量程，所述n个电阻的电阻值依次为1Ω、θ1Ω、θ2Ω、…、θn-1Ω，则n为对满足关系式θn1＝Rmax(θ-1)+1的n1取整后的自然数，控制模块通过控制所述n个电子开关中的一部分处于接通状态，另一部分处于断开状态来高分辨率大量程地无级调节实现所需的电阻器电阻值。
2.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述n个电阻的电阻值数列的公比θ＝2，则控制模块通过控制所述n个电子开关实现分辨率为1Ω、量程范围为0Ω～2n-1Ω的电阻器电阻值的无级调节。
3.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述控制模块通过CAN总线或其它通信接口接收对电阻器电阻值的数字控制指令，记该指令的电阻值按向下取整后的无符号整数的n位二进制表示为D。
4.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有第n+1个电阻和第n+1个电子开关，其中，所述第n+1个电阻与所述的n个电阻串联，所述第n+1个电子开关与所述第n+1个电阻并联，所述控制模块1通过PWM信号控制所述第n+1个电子开关，将所述第n+1个电阻和所述第n+1个电子开关的并联电路的等效电阻动态调节在所述电子开关的导通电阻和所述第n+1个电阻的电阻值之间，实现毫欧级的电阻器电阻值或分辨率为毫欧级的电阻器电阻值的无级调节；将所述电阻器第一接线端、第二接线端分别连接到这n+1个电阻的串联电路的两端。
5.根据权利要求4所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有一个电流传感器，所述控制模块通过采样所述电流传感器输出的电流信号与电阻器第一接线端和电阻器第二接线端之间的电压并进而据此计算的该电阻器的实际电阻值，采用PWM信号控制所述第n+1个电子开关，实现对所述第n+1个电阻和所述第n+1个电子开关的并联电路的等效电阻进行闭环调节。
6.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述各电子开关为光电继电器或其它隔离型电子开关，以实现所述电阻器所连接的电路与所述控制模块间的电气隔离。
7.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述电阻器第一接线端或电阻器第二接线端还串联一个限流电阻。
8.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述大量程数字快速无级调节电阻器还设有一个外壳，用于安装所述的大量程数字快速无级调节电阻器的电路和其对外的接口。
9.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述控制模块还具有记忆存储和自动恢复功能。
10.根据权利要求1所述的大量程数字快速无级调节电阻器，其特征在于，所述控制模块还设有自诊断功能。
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