CN1098799A

CN1098799A - 范围可变的位置显示器

Info

Publication number: CN1098799A
Application number: CN94106798.XA
Authority: CN
Inventors: 徐子宇
Original assignee: STD Electronic International Ltd
Current assignee: STD Electronic International Ltd
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1995-02-15
Also published as: EP0629971A3; US5345214A; EP0629971A2

Abstract

阻值可变的位置显示器，用来显示被控元沿一轴的位移大小，包括：一可变电阻；一与可变电阻连接的移位器；一连接于晶体管第一极、第二极间的第一固定电阻，晶体管与可变电阻串联，形成第一串联电路；一第二固定电阻、一有固定阻值并带有滑动触点的电位器、一第三固定电阻串联形成第二串联电路，并与第一串联电路并联；一运算放大器，其第一反相输入端和第二同相输入端分别与可变电阻和滑动触点连接，其输出端与晶体管的控制极连接。

Description

本发明涉及一种范围可变的位置显示器及相关的电路图，用于为计算机提供显示器受控元位移大小的可变信号。在本发明的具体实施例中，位置显示器为操纵杆、跟踪球、鼠标或其它类似的信号输入设备。

许多个人计算机都设有操纵杆、跟踪球、鼠标输入端口。这些输入设备用来控制显示着某受控元的位置或位移的可变信号。这些输入设备可用于游戏机，也可为计算机输入信息。

图1是IBM及IBM兼容计算机中使用的现有操纵杆的透视图。操纵杆1包括构成其底座的外壳2和万向接头的轴3。使操纵杆的轴可绕两互相垂直的轴旋转。一般来说，操纵杆的轴有一初始位置，以提供表示轴3相对初始位置的位移的信号。许多操纵杆中有机械松脱装置，使轴“浮动”起来，从而不必回到初始位置即可在任何方向上移动。

图2是底座2的内部结构示意图，表示操纵杆1的机械组件。图2没示出电路。操纵杆包括X和Y电位器10及11，即带有滑动触点的电阻。每个电位器都有一旋转轴，带动触点在电位器输入端和输出端之间沿固定电阻移动。操纵杆轴装在万向球12上。U形构件13两支撑端可作枢轴转动，因此操纵杆在X方向上的移动引起构件13转动。构件13与电位器10机械连接，因此，操纵杆轴3在X方向上的移动引起X电位器10的轴的转动，并由此引起电位器10滑动触点的移动。同样，轴3在Y方向上的移动，引起旋转安装在U形构件13上的第二个支承构件14的转动。支承构件14与Y电位器11的轴机械连接，因此，操纵杆轴3的Y向移动引起Y电位器11的轴转动，并由此改变Y电位器11滑动触点的位置。

图3是操纵杆1的位置信号部分的电路原理示意图。电位器10、11即图中的可变电阻。电位器10、11都有一端与源电压Vcc连接，Vcc一般为5V。输出端15、16分别与各自电位器10、11的滑动触点17、18连接。输出端15、16连接到计算机上。计算机输入的电源电压Vcc的高低取决于触点17、18的位置。这些电压信号的模拟幅值在计算机内经过处理并作为X输入信号和Y输入信号提供给计算机程序，在计算机屏幕上显示器与操纵杆轴3的位移相应的图象。电位器10、11形成的可变电阻一般与计算机输入电路中各自的单稳多谐振荡器连接。可变电阻的阻值，也即操纵杆轴3的X、Y向位移，决定着各自多谐振荡器的时间常数。而时间数决定着多谐振荡器的输出信号的持续时间。计算机检测并使用输出信号的持续时间，以控制与计算机连接的阴极射线管或其它显示装置上的图象的移动和位置。

操纵杆1通常还有X向、Y向手轮19、20。这两个手轮用于调节电位器10、11的滑动触点17、18的初始位置，以便按需要建立起X或Y轴上的信号的零点或初始位置。手轮19、20一般分别与电位器10、11机械连接，使整个电位器转动（此时轴是不动的），从而调节电位器10、11滑动触点的初始位置。

图4是与操纵杆1功能基本相同的跟踪球的视图。但是跟踪球不使用围绕枢轴转动的轴3，而是用滚动球21来调节各电位器滑动触点的位置。同样，鼠标除了其滚球做成凹形、位于底座下部外，其结构与跟踪球相同。不管哪种情况，可变电阻是由滚动件和电位器之间的摩擦连结获得的，从而为计算机输入端提供变化的Vcc分量。

IBM及IBM兼容个人计算机中常用的模拟操纵杆及类似位置显示输入设备在操作中存在很多困难。操纵杆的中心或零位经常不稳定，使受控图象在计算机屏幕上上下左右地向右上、右下角或左上、左下角漂移动。有时操纵杆无法使屏幕上的图象移到最下方、最右边或右下角。对这些问题可以有许多解释。操纵杆产生的模拟信号是提供给包括计算机的游戏端口在内的接口卡的。有时，接口卡上的某些电器件的参数不在容许界限内，因此接口卡为计算机中央处理器（CPU）提供的信号是不准确的，另外，操纵杆中所使用的电位器的最大阻值的容许偏差和电位器的电阻分布特性即阻值和滑动触点的函数关系，也会给操纵杆的操作带来偏差。

常用操纵杆中的电位器最大阻值一般为100到150KΩ。有时，某些游戏机软件需要比一般操纵杆中的电阻值更高或更低的阻值。为不同阻值电位器所设计、从而提供不同幅值范围模拟信号的软件，若使用通常的IBM兼容操纵杆，将得不出正确结果。而特殊结构的操纵杆价格昂贵，从而增加了必须使用此种操纵杆的游戏机成本。

可以有几种方法来解决现有IBM兼容操纵杆的问题。为提高对操纵杆响应的精度，可以为计算机加装专门设计的游戏端口接口卡。但是，这种方法费用比较高。考虑到某特定操纵杆的偏差、变化或极限，可以修改游戏软件。但是，一种软件只适用于一种操纵杆的特性。此外，这种适应性只对单一计算机程序有效。

本发明的目的是提供一种电位器最大阻值可变的位置显示器，它对游戏软件做出响应，并能有效地应用于游戏软件。这类位置显示器可以是操纵杆、跟踪球或鼠标，它还能补偿游戏端口接口卡中的偏差。由本发明改进的最大阻值可变位置显示器用在IBM兼容个人计算机上时，可以在诸如4倍的很宽范围内任意选择电位器的最大有效阻值，例如在60KΩ到240KΩ的范围。

一种位置显示器，用来产生可变最大阻值和可变阻值，从而为计算机提供可变信号，以显示受控元沿某一轴的位移，它包括：一阻值可变且具有第一、第二接线端的可变电阻;一与可变电阻连接的移位件，随着该移位件沿某一轴的位移大小的改变而可改变可变电阻的阻值;一第一固定电阻和具有第一极、第二极和控制极的晶体管，第一固定电阻连接在晶体管第一极、第二极之间，晶体管第一极与可变电阻第二端连接，形成第一串联电路;一第二固定电阻，一有固定阻值和滑动触点的电位器，一第三固定电阻，第二固定电阻、电位器、第三固定电阻串联形成第二串联电路;第一串联电路、第二串联电路在下列两点连接起来：（ⅰ）可变电阻第一端与第二固定电阻的接点，（ⅱ）晶体管第二极与第三固定电阻的接点，即二者并联，第三固定电阻和晶体管第二极的接点为显示器的输出端;一有第一反相输入端、第二同相输入端和输出端的运算放大器，运算放大器的第一反相输入端和第二同相输入端分别与可变电阻第二端和电位器滑动触点连接，运算放大器的输出端与晶体管控制极连接，因此，显示器输出端的最大阻值由电位器滑动触点决定。

一种双轴位置显示器，用于产生可变最大阻值和可变阻值，从而为计算机提供幅值可变信号，以显示被控元沿两轴中每个轴的位移，它包括：一阻值可变且具有第一、第二接线端的第一可变电阻;一第一固定阻值电阻和具有第一极、第二极和控制极的第一晶体管，第一固定电阻连接于第一晶体管第一极、第二极之间，第一晶体管第一极与第一可变电阻第二端连接，形成第一串联电路;一第二固定阻值电阻，一有一定阻值和可动触点的第一电位器，一第三固定阻值电阻，第二固定电阻、第一电位器、第三固定电阻串联成为第二串联电路，第一、第二串联电路在以下两点连接起来：（ⅰ）第一可变电阻第一端与第二固定电阻的接点，（ⅱ）第一晶体管第二极和第三固定电阻的接点，即二者并联，第三固定电阻和第一晶体管的第二极的接点为显示器的第一输出端;一具有第一反相输入端、第二同相输入端和输出端的第一运算放大器，第一运算放大器的第一反相输入端和第二同相输入端分别与第一可变电阻的第二端和第一电位器的滑动触点连接，输出端与第一晶体管的控制极连接，因此，显示器第一输出端最大阻值由第一电位器的滑动触点决定;一阻值可变且具有第一、第二接线端的第二可变电阻;一与第一、第二可变电阻连接的移位件，随着该移位件沿第一、第二轴的位移大小的改变而分别改变第一、第二可变电阻的阻值;一第四固定阻值电阻和有第一极、第二极、控制极的第二晶体管，第四固定电阻连接于第二晶体管第一极、第二极之间，第二晶体管第一极与第二可变电阻第二端连接，形成第三串联电路;一第五固定阻值电阻，一具有一定阻值和滑动触点的第二电位器，一第六固定阻值电阻，第五固定电阻、第二电位器、第六固定电阻串联成为第四串联电路，第三、第四串联电路在下面接点连接起来：（ⅰ）第二可变电阻第一端与第五固定电阻的接点，（ⅱ）第二晶体管第二极与第六固定电阻的接点，即二者并联，第六固定电阻和第二晶体管第二极接点为显示器第二输出端;一具有第一反相输入端、第二同相输入端和输出端的第二运算放大器，第二运算放大器的反相输入端和同相输入分别与第二可电阻第二端和第二电位器滑动触点连接，其输出端与第二晶体管控制极连接，因此，显示器第二输出端最大阻值由第二电位器滑动点决定。

一种产生可变最大阻值和可变阻值的电路，从而提供可变信号来显示可变电阻滑动触点的位移大小，它包括：一阻值可变且有第一、第二接线端的可变电阻;一第一固定阻值电阻和具有第一极、第二极、控制极的晶体管，第一固定电阻连接于晶体管第一、第二极之间，晶体管第一极与可变电阻第二端连接，形成第一串联电路;一第二固定阻值电阻，一有一定阻值和滑动触点的电位器，一第三固定阻值电阻，第二固定电阻、电位器和第三固定电阻串联成为第二串联电路，第一、第二串联电路在以下接点处连接起来：（ⅰ）第一可变电阻第一端与第二固定电阻的接点，（ⅱ）第一晶体管的第二极和第三固定电阻的接点，即二者并联，第三固定电阻和第一晶体管的第二极的接点为电路输出端;一具有第一反相输入端、第二同相输入端、输入端的运算放大器，运算放大器的反相输入端和同相输入端分别与可变电阻第二端和电位器滑动触点连接，其输出端与晶体管控制极连接，因此，电路输出端最大阻值由电位器滑动触点决定。

下面参照附图对优选实施例作详细说明。附图中：

图1是IBM兼容计算机现有操纵杆的透视图;

图2是图1操纵杆的内部视图;

图3是图1操纵杆的电路示意图;

图4是现有跟踪球或鼠标的透视图;

图5是本发明实施例位置显示器的示意电路图;

图6是本发明实施例位置显示器的示意电路图。

图5是提供可变最大阻值和可变阻值、从而为计算机提供可变信号来显示受控元位移大小的电路示意图。这个电路包括第一和第二串联电路，这两个串联电路并联在一起，而且中间由一运算放大器连接起来。

在第一串联电路中，可变电阻31是一电位器。也就是说，电位器位置可变的触点在电位器固定电阻的一端，形成可变电阻31。可变电阻31一端与电源Vcc连接，Vcc一般为5V。可变电阻31第二端与晶体管33连接。晶体管33包括第一极34，第二极35和控制极36。可变电阻31的第二端与晶体管33的第一极34连接。固定电阻37跨接在晶体管33的第一极34和第二极35之间。因此，晶体管33和电阻37并联连接。其并联的最大阻值为电阻37的阻值，最小阻值基本为零，此时，晶体管33随着加于控制极的信号而把第一极34和第二极35间的阻值近似降为零。并联的晶体管33和电阻37与可变电阻31串联作为第一串联电路。图5的示意图中的晶体管33是双极晶体管，但双极晶体管33也可用场效应晶体管代替。

第二串联电路包括固定电阻40，具有滑动触点42的电位器41，以及固定电阻43。电阻40的一端连接电源Vcc，第二串联电路与第一串联电路并联。并联的接点之一在电源Vcc处。另一接点为输出端44，限固定电阻43、电阻37和晶体管33的接点，输出端44与计算机输入端口连接。电阻40、43的阻值最好远低于电位器41的阻值。

运算放大器50跨接在第一和第二串联电路之间。运算放大器50有反相输入端51、同相输入端52及输出端53。反相输入端51与可变电阻31、电阻37、晶体管33的接点连接。同相输入端52与电位器41的可动触点42连接。运算放大器50的输出端53与晶体管33的控制极36连接。图中未示出运算放大器50的常用电源。运算放大器50的电源可以是装在与图5电路一起工作的操纵杆或其它指示器内的电池，也可以是外电源。

将可变电阻31的第二端和运算放大器50的反相输入端51连接，形成控制晶体管33的34、35两极间电阻值的反馈信号路径。控制的强弱取决于加在运算放大器50输入端52的信号强度。这个信号强度由电位器41的可动触点42的位置决定。

电路的连接关系确定了电路的阻值关系。设可变电阻31的阻值为Rv，可变电阻31第二端和输出端44间阻值为Rop。这两个阻值都是可变的。Rv取决于操纵杆电阻31滑动触点的位置。Rop取决于电阻37的阻值和晶体管33第一极与第二极间的阻值，该阻值由电位器41的滑动触点41的位置所控制。

在图5电路的第二串联电路中，设电源Vcc端和滑动触点42间电阻值为R₁，串联电路剩余段电阻值为R₂。R₁包括固定电阻40的阻值和电位器41的部分电阻。同样，阻值R₂包括固定电阻43的阻值和电位器41的其余部分电阻。在此电路中，比值R₁∶R₂等于比值Rv∶Rop。这个关系意味着，在使用与图5电路一起工作的操纵杆前，可变电阻31的最大有效阻值可通过调整电位器41可动触点42的位置加以改变。

若可动触点42准确处于第二串联电路的中点处，则R₁＝R₂。其结果是输出端44测得的操纵杆最大有效阻值增加一倍。这个最大有效阻值可以是可变电阻31的最大阻值分别和以下两个数字相乘所得之积之间的任何数值：（ⅰ）1加上电位器41阻值与电阻40阻值之和除以电阻43的阻值的商，以及（ⅱ）1加上电阻40阻值除以电阻43与电位器41阻值之和的商。例如，若电阻40、43的阻值分别为330KΩ、270KΩ，电位器41的阻值为1MΩ，那么可变电阻31在输出端44测得的最大有效阻值就可以从可变电阻31最大阻值的5倍到可变电阻31最大阻值的1.2倍间变化。

图5电路所能达到的最大有效阻值范围除了与可变电阻31的最大阻值有关外，还取决于电阻40、43与电位器41的相对阻值。按照上述电阻值，及常用的LM358N运算放大器，可以很方便地选用50KΩ电位器作为可变电阻31，360KΩ的固定电阻作为电阻37，9015C双极晶体管33。若选用以上电路元件，显示器的最大有效阻值可以从约240KΩ变化到约60KΩ，也就是既可高于也可低于现有IBM兼容操纵杆的最大有效阻值150KΩ。

在图5电路应用于图1和图2所示那类操纵杆时，现有操纵杆的X电位器10为可变电阻31所代替。如果和现有操纵杆一样，需要生成X、Y两个信号时，可将两个图5电路组成图6所示电路。图6中左半部分电路用于产生X轴信号，右半部分用于产生Y轴信号，其相应元件的标号带有“′”符号。不管采用图5电路还是图6电路，在使用操纵杆前，先调节电位器41（以及电位器41′，如果有41′的话），以得到使用特定游戏软件和特定计算机所需的最大有效阻值，以便根据X轴、Y轴信号，使计算机屏幕上的光标能获得预期的运动范围。电位器的位置从而决定了操纵杆控制的屏幕上图象的“图形变比”效果。

虽然以上讨论主要集中于操纵杆，但图5和图6电路也同样适用于象跟踪球和鼠标的其它模拟位置显示输入装置。在这些应用中，可变电阻31的阻值由跟踪球或鼠标的球或滚动件的运动加以改变。

虽然本发明的说明对象是位置显示装置，但本发明可用于需要调节可变电阻最大有效阻值的任何场合。

以上就优选实施例对本发明作了说明。根据本发明的精神，本领域的技术人员可对上述说明和附图作种种改动和补充。

Claims

1、一种位置显示器，用于产生一可变最大阻值和可变阻值，从而为计算机提供可变信号，以显示受控元沿某一轴的位移大小，它包括：

一具有可变阻值和第一、第二接线端的可变电阻；

一与可变电阻连接的移位器，随着该移位器沿某一轴的位移的改变而可改变该可变电阻阻值；

一第一固定电阻和具有第一极、第二极和控制极的晶体管，第一固定电阻连接于晶体管第一极、第二极间，晶体管以可变电阻第二端与晶体管第一极的连接而与可变电阻串联，成为第一串联电路；

一第二固定电阻，一具有固定阻值和可动触点的电位器，一第三固定电阻，第二固定电阻、电位器、第三固定电阻串联形成第二串联电路，第一、第二串联电路在以下两点连接起来：(i)可变电阻第一端与第二固定电阻的接点，(ii)晶体管第二极和第三固定电阻的接点，即二串联电路并联，第三固定电阻和晶体管第二极的接点即为显示器的输出端；

一具有第一反相输入端、第二同相输入端和输出端的运算放大器，运算放大器的第一反相输入端和第二同相输入端分别与可变电阻第二端和电位器可动触点连接，运算放大器输出端与晶体管控制极连接，这样，显示器输出端最大阻值由电位器可动触点控制。

2、如权利要求1所述的位置显示器，其中，所述的移位器包括与第一可变电阻机械连接的操纵杆。

3、如权利要求1所述的位置显示器，其中，所述的移位器包括与第一可变电阻机械连接的滚动球。

4、如权利要求1所述的位置显示器，其中，所述的晶体管为双极晶体管。

5、一种双轴位置显示器，用于产生一可变最大阻值和可变阻值，从而为计算机提供可变信号，以显示受控元分别沿两轴的位移大小，它包括：

一阻值可变且具有第一、第二接线端的第一可变电阻;

一第一固定电阻和具有第一极、第二极和控制极的第一晶体管，第一固定电阻连接于第一晶体管第一极、第二极间，第一晶体管以第一可变电阻第二端与第一晶体管的第一极的连接而与第一可变电阻串联，形成第一串联电路;

一第二固定电阻，一具有固定阻值和可动触点的第一电位器，一第三固定电阻，第二固定电阻、第一电位器、第三固定电阻串联成为第二串联电路，第一、第二串联电路在以下两点连接起来：（ⅰ）第一可变电阻第一端与第二固定电阻的接点，（ⅱ）第一晶体管第二极和第三固定电阻的接点，即二串联电路并联，第三固定电阻和第一晶体管第二极的接点为显示器的第一输出端;

一具有第一反相输入端、第二同相输入端和输入端的第一运算放大器，第一运算放大器的第一反相输入端和第二同相输入端分别与第一可变电阻第二端和第一电位器可动触点连接，第一运算放大器输出端与第一晶体管控制极连接，由此，显示器第一输出端最大阻值由第一电位器可动触点控制;

一阻值可变且具有第一、第二接线端的第二可变电阻;

一与第一和第二可变电阻连接的移位器，随着该移位器分别沿第一轴和第二轴的位移的改变而改变第一、第二可变电阻的阻值;

一第四固定电阻和具有第一极、第二极和控制极的第二晶体管，第四固定电阻连接于第二晶体管第一极、第二极间，第二晶体管以第二可变电阻第二端与第二晶体管的第一极的连接而与第二可变电阻串联，形成第三串联电路;

一第五固定电阻，一具有固定阻值和可动触点的第二电位器，一第六固定电阻，第五固定电阻、第二电位器和第六固定电阻串联成为第四串联电路，第三、第四串联电路在以下两点连接起来，（ⅰ）第二可变电阻第一端与第五固定电阻的接点，（ⅱ）第二晶体管第二极与第六固定电阻的接点，即二串联电路并联，第六固定电阻和第二晶体管的第二极的接点为指示器的第二输出端;

一具有第一反相输入端、第二同相输入端和输出端的第二运算放大器，第二运算放大器的第一反相输入端和第二同相输入端分别与第二可变电阻第二端和第二电位器可动触点连接，第二运算放大器输出端与第二晶体管控制极连接，由此，显示器第二输出端最大阻值由第二电位器可动触点控制。

6、如权利要求5所述的位置显示器，其中，所述的移位器包括与第一、第二可变电阻机械连接的操纵杆。

7、如权利要求5所述的位置显示器，其中，所述的移位器包括与第一、第二可变电阻机械连接的滚动球。

8、如权利要求5所述的位置显示器，其中，所述的第一、第二晶体管为双极晶体管。

9、一种最大值可变的可变电阻电路，用来提供可变信号，以显示可变电阻滑动触点的位移大小，它包括：

一阻值可变且有第一、第二接线端的可变电阻;

一第一固定电阻和具有第一极、第二极和控制极的晶体管，第一固定电阻连接于晶体管第一极、第二极间，晶体管以可变电阻第二端与晶体管第一极连接而与可变电阻串联，成为第一串联电路;

一第二固定电阻，一具有固定阻值和可动触点的电位器，一第三固定电阻，第二固定电阻、电位器、第三固定电阻串联形成第二串联电路，第一、第二串联电路在以下两点连接起来：（ⅰ）第一可变电阻第一端与第二固定电阻的接点，（ⅱ）第一晶体管第二极和第三固定电阻的接点，即二串联电路并联，第三固定电阻和第一晶体管的第二极的接点为电路的输出端;

一具有第一反相输入端、第二同相输入端和输出端的运算放大器，运算放大器的第一反相输入端和第二同相输入端分别与可变电阻第二端和电位器可动触点连接，运算放大器输出端与晶体管控制极连接，由此，电路输出端最大阻值由电位器可动触点控制。

10、如权利要求9所述的位置显示器，其中，所述的晶体管为双极晶体管。