CN110377087A - 一种基于数字电位器的幅度调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子技术领域，具体是一种基于数字电位器的幅度调节装置，包括两个数字电位器，每一个数字电位器与一个运算放大器和一个高精度低温漂电阻连接成调幅电路，两调幅电路并联，从运算放大器输入的输入电压经该两调幅电路时CPU控制两数字电位器的步进数，输入电压经该两调幅电路调节输出后再由运放电路输出，获得调幅后的输出电压。其中CPU采用DSP处理芯片，利用DSP控制数字电位器的步进数，与高精度低温漂电阻合理搭配达到更高分辨率数字电位器的幅度调节的结果。

Description

一种基于数字电位器的幅度调节装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种基于数字电位器的幅度调节装置。

背景技术

当前，随着电子技术的进步，各类仪器仪表越来越智能化数字化，数字自动化逐步取代人工操作。在电路设计过程中，为了得到需要的信号，往往需要对信号幅度进行调节，而幅度调节常用方法是通过改变电路中电阻阻值达到幅度调节的目的，目前在幅度控制技术方面常见有两种方式，人工调节和自动调节。其中：

人工手动档位调节，其增加了仪表操作的复杂性、影响了数据测量的实时性,同时档位调节通常采用机械旋钮增加了仪器的不可靠性和接触电阻对测量精度的影响。

数字自动调节简单，方便且实时性好，提高了仪器的可靠性。可分为连续型电阻阻值调节及数字型阻值调节，连续性电阻阻值调节将模拟信号无限数字化，目前技术几乎不可能实现；数字型调节可以分为数字开关型电阻调节和数字电位器调节等。数字开关型电阻调节存在以下缺点： (1)电阻阻值不连续，一般仅采用整数倍进行调节；(2)当需要切换的档数越多时，所需要的电阻数量也越多。例如，在量程切换时，量程数的多少决定了电阻的数量，当量程增加时，所需的电阻数量也会增加，实现也会越复杂。另外数字自动调节可利用数字电位器实现，通过程序控制数字电位器的步进数使输出电阻变化，从而改变幅度，实现自动调幅的效果。

目前行业内具有最高分辨率批量在产的数字电位器属ADI旗下，其总步进数为2¹⁰＝1024位。在更高精度应用场合，10位分辨率的数字电位器还不能满足要求。为得到更高分辨率的数字电位器，有以下两种猜想。

1、为了得到分辨率为2n的数字电位器，将两组分辨率为n数字电位器并联组合。

分辨率为2n的数字电位器其总步进数为2²ⁿ，分辨率为n的数字电位器其总步进数为2ⁿ，两组分辨率为n的数字电位器并联相当于求和，利用MATLAB计算后，发现有大量数据重复出现，其总步进数仅为2ⁿ⁺¹。如要实现总步进数为2²ⁿ，则需要2ⁿ个数字电位器并联，这样的系统是庞大且复杂的。

2、为了得到分辨率为2n的数字电位器，将两组分辨率为n数字电位器串联组合。

两组分辨率为n的数字电位器串联后相当于求乘积，利用MATLAB计算后，发现同样有大量数据重复出现，总步进数并未达到2²ⁿ。例如，取n为6，串联后想要得到2¹²＝4096位总步进数，但其不重复的总步进数仅为1263位，其中有2833位重复出现，总步进数一半都没达到，且步进不能连续。

综上可得，简单串并联方式并不能实现所需的结果。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于数字电位器的幅度调节装置，以实现更高分辨率数字电位器的幅度调节。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于数字电位器的幅度调节装置，包括两个数字电位器，每一个数字电位器与一个运算放大器和一个高精度低温漂电阻连接成调幅电路，两调幅电路并联，从运算放大器输入的输入电压经该两调幅电路时CPU控制两数字电位器的步进数，输入电压经该两调幅电路调节输出后再由运放电路输出，获得调幅后的输出电压。

作为优选，两个数字电位器输出电阻表达式均为：

其中D表示程控步进数，范围0～2ⁿ-1，n表示电位器分辨率，R_WB表示数字电位器的输出阻值，R_AB表示数字电位器的标称阻值。

作为优选，每一个数字电位器与其对应的运算放大器连接满足：

其中V_o表示输出电压，R_in表示运算放大器反向输入端输入电阻，V_in表示电路输入电压。

作为优选，所述运放电路由运算放大器U₃和电阻R₃、R₄组成。

作为优选，根据(1)(2)式，两调幅电路满足：

其中D₁、D₂分别表示二个数字电位器的步进数。

作为优选，V_o1与V_o2经运算放大器U₃后输出V_out，所述运放电路满足：

设

将(6)式代入(5)式，得

放大倍数为

将(3)(4)(7)式代入(8)式，得

取R_in1＝R_in2＝R_AB1＝R_AB2，n₁＝n₂，(9)式可简化成

作为优选，设k_D＝2^m，n≥m，将所有元素等分成2ⁿ个阶梯，每个阶梯里包含2^m个元素，在D₁+D₂2^m式中，D₂取值范围为0～2ⁿ-1，D₁取值范围为1～2^m。

从以上技术方案可知，本发明主要由CPU，数字电位器，高精度低温漂电阻及运算放大器组成，将两路包含数字电位器的调幅电路并联，利用CPU控制数字电位器的步进数，与高精度低温漂电阻合理搭配，通过控制电阻比值，间接提高数字电位器的总步进数，以实现更高分辨率数字电位器的幅度调节。其电路设计易于实现，且实用性强。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图。

图2为本发明的数字电位器输出接线示意图。

图3为本发明的数字电位器结合运放原理示意图。

图4为本发明的主体电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细介绍本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1，本发明提供了一种基于数字电位器的幅度调节装置，包括两个数字电位器1，每一个数字电位器与一个运算放大器2和一个高精度低温漂电阻4连接成调幅电路，两调幅电路并联，从运算放大器输入的输入电压经该两调幅电路时CPU3控制两数字电位器的步进数，输入电压经该两调幅电路调节输出后再由运放电路5输出，获得调幅后的输出电压。其中CPU采用DSP处理芯片，利用DSP控制数字电位器的步进数，与高精度低温漂电阻合理搭配达到更高分辨率数字电位器的幅度调节的结果。

本发明的数字电位器输出接线方式如图2，输出电阻表达式其中D表示程控步进数，范围0～2ⁿ-1。n表示电位器分辨率，R_WB表示数字电位器的输出阻值，R_AB表示数字电位器的标称阻值。将数字电位器与运算放大器结合后如图3，根据运算放大器功能可得其中V_o表示输出电压，R_in表示运算放大器反向输入端输入电阻，V_in表示电路输入电压。

图4为本发明所运放部分电路原理示意图，根据(1)(2)式，得 其中D₁、D₂分别表示二个数字电位器的步进数。V_o1与V_o2经U₃后输出V_out，根据运算放大器功能可得设将(6) 式代入(5)式，得整个电路放大倍数为将(3)(4)(7)式代入(8)式，得取R_in1＝R_in2＝R_AB1＝R_AB2， n₁＝n₂，(9)式可简化成则数字电位器总步进数提升至2ⁿk_D。可通过设置 R₁与R₂及R₃与R₄的比值来设置数字电位器总步进数。

本发明电路中满足k_D＝2^m，则D₁+D₂k_D＝D₁+D₂2^m，根据D的取值范围0～2ⁿ-1。可以得到D₁+D₂2^m＝{0,1······,2^n+m}。为实现所有元素的出现，同时避免元素的重复，本发明通过以下方案来完成：

首先需满足n≥m，将所有元素等分成2ⁿ个阶梯，每个阶梯里包含2^m个元素，在D₁+D₂2^m式中，D₂取值范围为0～2ⁿ-1，D₁取值范围为1～2^m。那么当D₂＝0，D₁+D₂2^m＝D₁，范围为0 ～2^m；当D₂＝1，D₁+D₂2^m＝D₁+2^m，范围为2^m+1～2×2^m；依此类推，当D₂＝2ⁿ-1， D₁+D₂2^m＝D₁+2ⁿ2^m-2^m，范围为2ⁿ2^m-2^m+1～2ⁿ2^m。可将其中所有元素按照顺序全部分配，且不重复出现。

反之，根据步进数Y，需要确定唯一的D₁与D₂。根据上面规则，很容易得到D₂取之比的整数值，而D₁取之比的余数值。再根据D₁与D₂的取值对相应数字电位器进行配置，从而完成对幅度的调节。需指出，实现以上结果可能包含其它的组合方式，在此不赘述。

实施例

如图4，输入电压V_in＝5V，选用分辨率n₁＝n₂＝10的两个数字电位器，且经过电路调理后，整个电路放大位数则相当于分辨率n＝18位。调幅后输出3 V电压，根据电路方案想得到3V电压，电路步进数需设置为那么D₂取之比的整数值，则D₂＝614。D₁取之比的整数值，则D₁＝4。通过CPU分别对两个数字电位器进行相关设置即可。

Claims (7)

1.一种基于数字电位器的幅度调节装置，包括两个数字电位器，其特征在于：每一个数字电位器与一个运算放大器和一个高精度低温漂电阻连接成调幅电路，两调幅电路并联，从运算放大器输入的输入电压经该两调幅电路时CPU控制两数字电位器的步进数，输入电压经该两调幅电路调节输出后再由运放电路输出，获得调幅后的输出电压。

2.根据权利要求1所述基于数字电位器的幅度调节装置，其特征在于：两个数字电位器输出电阻表达式均为：

其中D表示程控步进数，范围0～2ⁿ-1，n表示电位器分辨率，R_WB表示数字电位器的输出阻值，R_AB表示数字电位器的标称阻值。

3.根据权利要求2所述基于数字电位器的幅度调节装置，其特征在于：每一个数字电位器与其对应的运算放大器连接满足：

其中V_o表示输出电压，R_in表示运算放大器反向输入端输入电阻，V_in表示电路输入电压。

4.根据权利要求3所述基于数字电位器的幅度调节装置，其特征在于：所述运放电路由运算放大器U₃和电阻R₃、R₄组成。

5.根据权利要求4所述基于数字电位器的幅度调节装置，其特征在于：根据(1)(2)式，两调幅电路满足：

其中D₁、D₂分别表示二个数字电位器的步进数。

6.根据权利要求5所述基于数字电位器的幅度调节装置，其特征在于：V_o1与V_o2经运算放大器U₃后输出V_out，所述运放电路满足：

设

将(6)式代入(5)式，得

放大倍数为

将(3)(4)(7)式代入(8)式，得

取R_in1＝R_in2＝R_AB1＝R_AB2，n₁＝n₂，(9)式可简化成

7.根据权利要求5所述基于数字电位器的幅度调节装置，其特征在于：设k_D＝2^m，n≥m，将所有元素等分成2ⁿ个阶梯，每个阶梯里包含2^m个元素，在D₁+D₂2^m式中，D₂取值范围为0～2ⁿ-1，D₁取值范围为1～2^m。