CN110488728A - 基于模拟电路的低阻值可变电阻器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器，由上位机、单片机、模数转换电路、运算放大电路和基准电阻组成，采用“虚短虚断”理论进行电路的理论计算和设计，基于基准电阻，根据上位机所发出的信号，按照控制协议和算法，改变的输出电阻值的阻值、范围和步长。该发明具有较高的精度，可控性好，成本低，能够用于低电阻等效电阻输出和控制的电子电路等相关领域。

Description

基于模拟电路的低阻值可变电阻器

技术领域

本发明涉及一种基于模拟电路的可变电阻的实现和控制方法，可实现变电阻的输出并控制，特别适用于低阻值范围固定电阻输出、等效电阻及变电阻控制。

背景技术

可变电阻在电路、控制及电学中有较为广泛的应用，目前实现变电阻的多为滑动变阻器或机械电阻箱，两者可满足输出变化的电阻值，需手动，不能满足自动变化及响应电阻值。

实现自动控制的可变电阻有模拟电阻箱和电位器等，目前均实现了较好的变化电阻效果，但由于低阻值条件下存在特殊性，目前实现的等效电阻值的变化范围较小，分辨率较低，并且与其他应用的关联性较差，尤其是在低阻值范围。

现有专利（201910061155，基于温差电效应的温度控制方法）提出一种变热阻模块实现控温的方法，通过外部负载电阻值的变化改变热阻，并应用于热控制。从需求看，要求实现较低的可变电阻值范围，阻值能低于1Ω；且有较高的分辨率，即步长小于1Ω；并可根据要求实现电阻值的自动化关联控制。但是现有技术主要是单量程、大阻值范围电阻需求的使用，未见有多量程、低阻值量程的变电阻的低成本实现和控制方式。

发明内容

为了克服现存技术缺陷，本发明专利的目的，在于提供一种基于模拟电路的可变电阻的实现和控制方法，可实现变电阻的输出并控制。

本发明涉及的变电阻的实现基于“虚短虚断”原理，通过数模转换器和运放电路对基准电阻的高电压位的电压值进行相应的比例控制和电路运算，使得基准电阻的低电压位的电压值依据需求实现相应的变化。由于基准电阻的阻值不发生变化，因此使得流过基准电阻的电流发生相应的变化。另外，数模转化器和运放电路在对基准电阻的高电压位的电压值作为基准进行获取并计算时，该点处只获得了电压值，并未有电流流过。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于模拟电路的低阻值可变电阻器，由上位机、单片机、模数转换电路、运算放大电路和基准电阻组成。所述上位机是发出交互操控命令的计算机，安装人机交互及功能处理程序，可选择变电阻阻值、范围及步长，按所对应的控制方法控制所述单片机运行并发送数字控制信号；所述单片机是包括了中央处理器、存储器、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成构成的微型计算机系统；所述模数转换电路是将数字量转换成模拟量，转换所述单片机的数字指令将基准电压转换为对应的电压或电流，并且与所述运算放大电路相连接可得到增益改变后的电压或电流，所述运算放大电路为闭环负反馈电路并有较大的功放器件增益，提供“虚短虚断”的工作条件；所述基准电阻为精密物理电阻器。

基于控制协议及物理特性，进一步的，基于模拟电路的低阻值可变电阻器实现和控制方法，用户在所述上位机选择可变电阻的阻值、范围及步长，所述上位机根据控制算法控制单片机输出的等效电阻值的数字控制信号，并通过所述数模转换电路转变为模拟信号，进而控制运算放大电路以及所述基准电阻的组合电路实现对应“虚短虚断”状态，获取设定电阻值并输出；进一步的，通过所述上位机对应的控制算法驱动单片机输出，并改变所述数模转换电路、所述运算放大电路以及所述基准电阻组合电路的输出电阻范围及动作步长。

可变电阻器等效电阻的计算公式为

上式中，R 表示可变电阻器的实际阻值，R₀ 表示基准电阻的阻值，n 表示所选用的数模转换器的数字输入量的位数。A_n表示数模转化器的数字输入量相应位置的值，为0或1，根据单片机的控制算法变化。R的理论变化范围是R₀Ω ~ R₀×2ⁿΩ。

本发明的有益效果是采用上述技术方案，具有如下优势：本发明通过“虚短虚断”理论实现了低阻值电阻的等效输出，通过调节基准电阻可以变化电阻的可控范围，并消除了附加电阻影响；本发明系统可通过上位机选择的可变电阻值和范围，也可关联应用根据要求控制改变等效电阻值的输出及分辨率，实现低阻值电阻等效输出的控制；本发明的运算放大电路，能有效实现增益，分辨率较高；本发明采用常规器件，系统硬件成本较低，方便规模应用和推广。该发明具有较高的精度，可控性好，成本低，能够用于低电阻等效电阻输出和控制的电子电路等相关领域。

附图说明

图1是本发明实施例一的系统原理图。

图2是本发明实施例二的系统原理图。

图3是本发明的控制算法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用以限定本发明。

实施例一

如图1所示，系统由上位机、单片机、模数转换电路、运算放大电路和基准电阻组成。上位机是直接发出交互操控命令的笔记本电脑，安装具有Labview编制的人机交互及处理功能程序，可选择变电阻阻值、范围及步长，控制单片机运行该变电阻范围所对应的控制方法及发送数字信号；单片机是包括了CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成构成的微型计算机系统。本实施例对单片机芯片的处理速度没有过高的要求，选用广泛应用的STC89C52，其接受上位机发送的数据，并且控制数模转换器的数字量输入，使得输出电压或电流根据基准电压产生相应比例的变化；模数转换电路是将数字量转换成模拟量，转换单片机的数字指令将基准电压转换为对应直流电压或直流电流，并且与运算放大器件件相连接可得到增益改变后的电压，本实施例选用AD7521，为了使12位数字信号同时发送给AD7521，在单片机的引脚接口和AD7521的数字接口之间添加数据锁存器，图中省略。AD7521的数字信号输入为12位，满足要求，其工作电源电压为+5V~+15V。功耗较低，约为200mW。可以与高低电平或者CMOS电平兼容；运算放大电路为闭环负反馈电路并有较大的功放器件增益，实现“虚短虚断”工作条件。本实施例选用LM741，其为单运放的运算放大器件件，IN+和IN-为运算放大器件件的信号输入端，OUT为输出端，V+和V-为运算放大器件件的正负电源端口，OA端为补偿零位，用于调零。 NC引脚为空引脚。额定电压为±22V，差模输入电压最大为±30V；基准电阻为精密物理电阻器，根据需求，选用1Ω的精密电阻。基于控制协议及物理特性，基于模拟电路的低阻值可变电阻器实现和控制方法，用户在上位机选择可变电阻的阻值、范围及步长，上位机根据控制算法，如图3所示，输出的等效电阻值的数字控制信号，并通过数模转换器转变为模拟信号，对应信号控制运算放大器件件以及基准电阻组合电路实现对应“虚短虚断”状态，获取设定电阻值并通过A+和A-输出。进一步的，通过上位机对应的控制算法并改变数模转换器、运算放大器件件以及基准电阻组合的输出电阻范围及动作步长。

可变电阻器等效电阻的计算公式为

上式中，R 表示可变电阻器的实际阻值，12表示所选用的数模转换器AD7521的数字输入量的位数。A₁₂表示数模转化器的数字输入量相应位置的值，为0或1，根据单片机的控制算法变化。R的理论变化范围是1Ω ~ 2¹²Ω。

实施例二

如图2所示，系统由上位机、单片机、模数转换电路、运算放大电路和基准电阻组成。上位机是直接发出交互操控命令的笔记本电脑，安装具有Labview编制的人机交互及处理功能程序，可选择变电阻阻值、范围及步长，控制单片机运行该变电阻范围所对应的控制方法及发送数字信号；单片机是包括了CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成构成的微型计算机系统。本实施例对单片机芯片的处理速度没有过高的要求，选用广泛应用的STC89C52，其接受上位机发送的数据，并且控制数模转换器的数字量输入，使得输出电压或电流根据基准电压产生相应比例的变化；模数转换电路是将数字量转换成模拟量，转换单片机的数字指令将基准电压转换为对应直流电压或直流电流，并且与运算放大器件件相连接可得到增益改变后的电压，本实施例选用AD7521，为了使12位数字信号同时发送给AD7521，在单片机的引脚接口和AD7521的数字接口之间添加数据锁存器，图中省略。AD7521的数字信号输入为12位，满足要求，其工作电源电压为+5V~+15V。功耗较低，约为200mW。可以与高低电平或者CMOS电平兼容；运算放大电路为闭环负反馈电路并有较大的功放器件增益，实现“虚短虚断”工作条件。本实施例选用LM358，因其输出端的限制电流值较小，故采用三极管S8550进行引流。LM358的直流电压增益高，约为100db，可在进行理论计算时采用虚短虚断理论；单位增益频带宽，约为1MHz；差模输入范围宽，允许输入电压变化的范围较大，其为双运放的运算放大器件件，相对于实施例一，简化了电路；基准电阻为精密物理电阻器，根据需求，选用1Ω的精密电阻。基于控制协议及物理特性，基于模拟电路的低阻值可变电阻器实现和控制方法，用户在上位机选择可变电阻的阻值、范围及步长，上位机根据控制算法，如图3所示，输出的等效电阻值的数字控制信号，并通过数模转换器转变为模拟信号，对应信号控制运算放大器件件以及基准电阻组合电路实现对应“虚短虚断”状态，获取设定电阻值并通过A+和A-输出。进一步的，通过上位机对应的控制算法并改变数模转换器、运算放大器件件以及基准电阻组合的输出电阻范围及动作步长。

可变电阻器等效电阻的计算公式为

上式中，R 表示可变电阻器的实际阻值，12表示所选用的数模转换器AD7521的数字输入量的位数。A₁₂表示数模转化器的数字输入量相应位置的值，为0或1，根据单片机的控制算法变化。R的理论变化范围是1Ω ~ 2¹²Ω。

本发明实施例中，为满足实际应用需求，经检验，忽略万用表（Keysight DAQ970）测量电阻的误差，所测量的实施例中输出的等效电阻值与设定电阻值之间的误差均小于设定电阻值的3%，精度较好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器，包括上位机、单片机、模数转换电路、运算放大电路和基准电阻，其特征在于，所述上位机是发出交互操控命令的计算机，安装人机交互及功能处理程序，可选择变电阻阻值、范围及步长，按所对应的控制方法控制所述单片机运行并发送数字控制信号；所述单片机是包括了中央处理器、存储器、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成构成的微型计算机系统；所述模数转换电路是将数字量转换成模拟量，转换所述单片机的数字指令将基准电压转换为对应的电压或电流，并且与所述运算放大电路相连接可得到增益改变后的电压或电流，所述运算放大电路为闭环负反馈电路并有较大的功放器件增益，提供“虚短虚断”的工作条件；所述基准电阻为精密物理电阻器。

2.根据权利要求1所述的一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器，其特征在于，所述单片机是STC89C52芯片及外围电路组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器，其特征在于，所述数模转换电路是数模转换器AD7521及外围电路组成。

4.根据权利要求1所述一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器，其特征在于，所述运算放大电路是运算放大器件LM741或LM358及外围电路组成。

5.根据权利要求1所述的一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器，一种基于模拟电路的低阻值可变电阻器实现和控制方法，其特征在于，用户在所述上位机选择可变电阻的阻值、范围及步长，所述上位机根据控制算法控制单片机输出的等效电阻值的数字控制信号，并通过所述数模转换电路转变为模拟信号，进而控制运算放大电路以及所述基准电阻的组合电路实现对应“虚短虚断”状态，获取设定电阻值并输出；通过所述上位机对应的控制算法驱动单片机输出，并改变所述数模转换电路、所述运算放大电路以及所述基准电阻组合电路的输出电阻范围及动作步长，可变电阻器等效电阻的计算公式为：

上式中，R 表示可变电阻器的实际阻值，R₀ 表示基准电阻的阻值，n 表示所选用的数模转换器的数字输入量的位数，A_n表示数模转化器的数字输入量相应位置的值，为0或1，根据单片机的控制算法变化，R的理论变化范围是R₀Ω ~ R₀×2ⁿΩ。