CN110837070A - 便携式数控电阻信号源及信号产生方法 - Google Patents

便携式数控电阻信号源及信号产生方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式数控电阻信号源，它的人机交互界面的输入单元用于设定电阻值的输入，输入单元的输出端连接MCU，输入单元用于将设定电阻值传输给MCU，MCU用于将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列，并将继电器组驱动序列传送给继电器驱动单元，继电器驱动单元用于根据继电器组驱动序列驱动继电器电阻网络，使继电器电阻网络中被接通的电阻接入电路，对外输出电阻值。该电阻信号源较传统的电阻源具有体积小、精度高、适用范围广、操作方便等优点。

Description

便携式数控电阻信号源及信号产生方法
技术领域
本发明涉及自动测试系统和信号源技术领域，具体地指一种便携式数控电阻信号源及信号产生方法。
背景技术
电阻箱是常用的信号源，高精度电阻信号源常用于万用表和电阻类传感器的校准中。目前，电阻信号源主要有3类，传统旋钮式电阻箱、电子合成电阻以及传统继电器切换电阻网络电阻信号源。传统旋钮式电阻箱体积大，仅支持手动调节，无法实现数控，不能集成到自动测试领域中。电子合成电阻使用有源二端口网络对电阻的欧姆特性进行模拟，可以实现可变电阻的输出，精度高，但有源二端口网络不适合在使用了交流激励或者间断激励，或者与二次仪表的激励电路不匹配等场合。传统继电器切换电阻网络的方式，能够实现与传感器阻抗完全等效的电阻，可解决有源二端口不匹配等问题，但由于继电器接触电阻达到100mΩ，并且接触电阻阻值具有随机特性，使得传统继电器切换电阻网络无法实现高精度阻值的输出。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种便携式数控电阻信号源及信号产生方法，该电阻信号源较传统的电阻源具有体积小、精度高、适用范围广、操作方便等优点。
为实现此目的，本发明所设计的一种便携式数控电阻信号源，其特征在于：它包括人机交互界面、MCU(Microcontroller Unit；MCU)、继电器驱动单元和继电器电阻网络，其中，人机交互界面的输入单元用于设定电阻值的输入，输入单元的输出端连接MCU，输入单元用于将设定电阻值传输给MCU，MCU用于将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列，并将继电器组驱动序列传送给继电器驱动单元，继电器驱动单元用于根据继电器组驱动序列驱动继电器电阻网络，使继电器电阻网络中被接通的电阻接入电路，对外输出电阻值。
本发明的优点在于：
本发明设计的上述的便携式高精度数控电阻信号源，继电器驱动单元，将实现高精度阻值的输出；良好的人机交互界面，使得操作更为方便；继电器电阻网络输出，使得便携式高精度数控电阻信号源与实体电阻等效，不需要考虑与二次仪表匹配的问题，适用范围广。本数控电阻信号源采用小体积的双光耦MOSFET作为继电器，较之传统继电器体积小、导通电阻小，这是实现本数控电阻信号源的重要基础。本发明相比较传统旋钮式电阻箱、电子合成电阻，具有体积小、精度高、适用范围广、操作方便等优点。
附图说明
图1为本发明的结构原理框图；
图2为本发明中继电器驱动单元和继电器电阻网络的电路图。
其中，1—人机交互界面、1.1—输入单元、1.2—显示单元、2—MCU、3—继电器驱动单元、4—继电器电阻网络、5—电源模块、6—继电器开关、7—光耦隔离器、8—I/O扩展芯片、9—基准电阻。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1和2所示的一种便携式数控电阻信号源，它包括人机交互界面1、MCU2、继电器驱动单元3和继电器电阻网络4，其中，人机交互界面1的输入单元1.1用于设定电阻值的输入，输入单元1.1的输出端连接MCU2，输入单元1.1用于将设定电阻值传输给MCU2，MCU2用于将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列，并将继电器组驱动序列传送给继电器驱动单元3，继电器驱动单元3用于根据继电器组驱动序列驱动继电器电阻网络4，使继电器电阻网络4中被接通的电阻接入电路，对外输出电阻值。
上述技术方案中，将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列的具体过程为：
MCU2需要根据设定电阻阻值Rinput，计算出继电器组驱动序列B＝{b1,b2,···,bn}，其中，b1,b2,···,bn分别表示继电器电阻网络4中各个继电器开关的接通或断开状态，设定权值向量W＝{w1,w2,···,wn}，其中w1＞w2＞...＞wn；
继电器开关阵列求解算法基于逐次逼近思想，将设定电阻阻值Rinput与权值w1进行比较，若设定电阻阻值Rinput大于权值w1，则继电器电阻网络4中第一个继电器开关b1将置0，即第一个继电器开关b1中相应的基准电阻9接入电路中，并将设定电阻阻值Rinput与权值w1的差值RD1作为新的设定阻值，与权值w2进行比较；若设定电阻阻值Rinput小于权值w1，则将第一个继电器开关b1置1，即第一个继电器开关b1中相应的基准电阻9不接入电路中，将设定电阻阻值Rinput直接与权值w2进行比较，按照此方法，依次将差值与权值进行比较，得到最逼近设定电阻阻值Rinput的输出阻值Rout及对应的继电器组驱动序列B，输出阻值Rout等于接入电路的基准电阻9的串联阻值之和，当只有一个基准电阻9接入电路时，输出阻值Rout即为基准电阻9的阻值。
上述技术方案中，所述权值向量W＝{w1,w2,···,wn}的确定方法为阻值逼近算法确定，具体方法为：
设继电器开关6的开关变量为bi，bi取1为继电器开关闭合，bi取0为继电器开关6断开，则继电器电阻网络4的总电阻可以表示为：
Figure BDA0002252470790000041
其中，nR为继电器开关(6)数量，Ri,1为继电器开关(6)闭合时对应的电阻值，Ri,0为继电器开关(6)断开时对应的电阻值；
阻值逼近算法用于从电阻集合Ω＝{Ra,i}中选择电阻逼近需求阻值Rt，以求解出的基准电阻阻值作为权值W，Ra,i表示第i个可选择的阻值Ra，其中i＝1,2,3···,n；
需要输出的阻值Rt∈[Rmin,Rmax]，可选电阻集合Ω＝{Ra,i}，Rmin,Rmax分别表示数控电阻信号源的最小值和最大值；
设定初值Rt,k|k＝0＝Rt，Rt,k表示第k个需要输出的阻值，计算δRi＝Rt,k-Ra,i，δRi表示第k个需要输出的阻值与第i个可选电阻的差值，选取δRi最小且δRi≥0的对应Ra,i作为用于逼近Rt的电阻，记为Ra,i,k，并将Ra,i,k加入第k个需要输出的阻值对应的权值集合Wk，并更新Rt,k+1
Rt,k+1＝Rt,k-Ra,i,k
直到Rt,k＜min{Ra,i}，得到的更新后的权值集合Wk，作为逼近Rt的所有电阻；
Rt在[Rmin,Rmax]中取值，最终以[Rmin,Rmax]范围内所有Rt对应的权值集合的最小公倍数，作为最终的权值向量W，W＝{w1,w2,···,wn}中的w1,w2,···,wn对应电阻集合Ω＝{Ra,i}中各个被选中的电阻。
上述继电器开关阵列求解算法能快速的配置出设定电阻阻值Rinput对应的开关阵列，具有求解速度快、使用继电器数量少等优点，能覆盖量程范围内所有阻值。
上述技术方案中，所述继电器驱动单元3包括I/O扩展芯片8，继电器电阻网络4包括多个继电器开关6和多个不同基准电阻9，每个继电器开关6的输出端均连接有对应的基准电阻9，I/O扩展芯片8用于接收继电器组驱动序列，并根据继电器组驱动序列接通对应的信号输出引脚，从而驱动接通的信号输出引脚对应的继电器开关6断开，进而使断开的继电器开关6的输出端上的基准电阻9接入电路；
所述每个继电器开关6输出端上的基准电阻9的阻值均不同。基准电阻9的阻值与权值向量W中的权值一一对应。
上述技术方案中，所述继电器驱动单元3还包括光耦隔离器7，光耦隔离器7的作用是驱动继电器开关6，其工作过程为I/O扩展芯片8信号输出引脚输出低电平时，光耦隔离器7的引脚1和引脚2之间的光电二极管导通，使得光耦隔离器7的引脚8和引脚7之间输出电压，驱动第一N-MOSFET管Q1和第二N-MOSFET管Q2导通，即继电器开关闭合。
上述技术方案中，所述每个继电器开关6包括两个N-MOSFET(N-Metal OxideSemiconductor Field-Effect Transistor,N-沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管)管，用于实现对继电器开关6输出端上的基准电阻9的通断控制。两个N-MOSFET的方式实现双向导通，即保证本数控精密电阻源与实体电阻等效。双MOSFET开关6导通阻值典型值为1.2mΩ，并且为双向导通，双向导通的应用范围更广。电子合成电阻使用有源二端口网络对电阻的欧姆特性进行模拟，可以实现可变电阻的输出，精度高，目前研究较多。但是，有源二端口网络不适合在使用了交流激励或者间断激励，或者与二次仪表的激励电路不匹配等场合。本方案，能够实现与传感器阻抗完全等效的电阻，可解决有源二端口不匹配等问题。
上述技术方案中，所述继电器开关6有两个，第一个继电器开关6包括第一N-MOSFET管Q1和第二N-MOSFET管Q2，第二个继电器开关6包括第三N-MOSFET管Q3和第四N-MOSFET管Q4，所述I/O扩展芯片8的IIC总线通信端用于接收继电器组驱动序列，I/O扩展芯片8的第一信号输出引脚连接光耦隔离器7的第一光电隔离单元输入端，光耦隔离器7的第一光电隔离单元输出端的正极连接第一个继电器开关6中第一N-MOSFET管Q1的栅极；
第一N-MOSFET管Q1源极连接第二N-MOSFET管Q2的源极，第二N-MOSFET管Q2的栅极连接光耦隔离器7的第一光电隔离单元输出端的正极，第一N-MOSFET管Q1源极还连接光耦隔离器7的第一光电隔离单元输出端的负极，第一N-MOSFET管Q1的漏极通过对应的基准电阻9连接第二N-MOSFET管Q2的漏极；
I/O扩展芯片8的第二信号输出引脚连接光耦隔离器7的第二光电隔离单元输入端，光耦隔离器7的第二光电隔离单元输出端的正极连接第二个继电器开关6中第三N-MOSFET管Q3的栅极；
第三N-MOSFET管Q3源极连接第四N-MOSFET管Q4的源极，第四N-MOSFET管Q4的栅极连接光耦隔离器7的第二光电隔离单元输出端的正极，第三N-MOSFET管Q3源极还连接光耦隔离器7的第二光电隔离单元输出端的负极，第三N-MOSFET管Q3的漏极通过对应的基准电阻9连接第四N-MOSFET管Q4的漏极；
第二N-MOSFET管Q2的漏极直接连接第三N-MOSFET管Q3的漏极。使用时，第四N-MOSFET管Q4的漏极连接后续N-MOSFET管的漏极，形成继电器电阻网络4；当继电器电阻网络4中只有两个继电器开关6时，第四N-MOSFET管Q4的漏极连接电路的另一极(负极或正极)。
上述技术方案中，I/O扩展芯片8将相应的输出引脚电平拉低，光耦隔离器7输入端导通，光耦隔离器7输出端将输出电压，继电器开关6接收光耦隔离器7输出电压而闭合。
上述技术方案中，它还包括电源模块5，电源模块5用于分别向人机交互界面1、MCU2、I/O扩展芯片8和光耦隔离器7，其中，继电器驱动单元3中的第一光电隔离单元通过电阻R01连接电源模块5，继电器驱动单元3中的第二光电隔离单元通过电阻R02连接电源模块5。所述电源模块5将220V、50Hz的工频交流电转换为5V和3.3V。直流5V传输给第一光电隔离单元和第二光电隔离单元，将直流3.3V传输给显示单元1.2、输入单元1.1、MCU2以及I/O扩展芯片8。
上述技术方案中，人机交互界面1的显示单元1.2用于显示当前设定电阻值。输入单元1.1采用按键、数字编码开关、触摸屏等，显示单元1.2采用LCD液晶屏、OLED屏、触摸屏等。
一种便携式数控电阻信号产生方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将设定电阻值输入到人机交互界面1的输入单元1.1，并将设定电阻值传输给MCU2；
步骤2：MCU2将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列，并将继电器组驱动序列传送给继电器驱动单元3；
步骤3：继电器驱动单元3根据继电器组驱动序列驱动继电器电阻网络4，使继电器电阻网络4中被接通的电阻接入电路，对外输出电阻值。
本发明中，继电器电阻网络4在导通的继电器组合下，共同实现了阻值输出，可实现阻值90Ω～250Ω之间的输出，分辨率为1mΩ。
对本发明进行测试，结果如下：
便携式高精度数控电阻信号源，可实现阻值90Ω～250Ω的输出，分辨率为1mΩ，精度为±2mΩ。符合高精度测试要求。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种便携式数控电阻信号源，其特征在于：它包括人机交互界面(1)、MCU(2)、继电器驱动单元(3)和继电器电阻网络(4)，其中，人机交互界面(1)的输入单元(1.1)用于设定电阻值的输入，输入单元(1.1)的输出端连接MCU(2)，输入单元(1.1)用于将设定电阻值传输给MCU(2)，MCU(2)用于将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列，并将继电器组驱动序列传送给继电器驱动单元(3)，继电器驱动单元(3)用于根据继电器组驱动序列驱动继电器电阻网络(4)，使继电器电阻网络(4)中被接通的电阻接入电路，对外输出电阻值。
2.根据权利要求1所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列的具体过程为：
MCU(2)需要根据设定电阻阻值Rinput，计算出继电器组驱动序列B＝{b1,b2,…,bn}，其中，b1,b2,…,bn分别表示继电器电阻网络(4)中各个继电器开关的接通或断开状态，设定权值向量W＝{w1,w2,…,wn}，其中w1＞w2＞...＞wn；
继电器开关阵列求解算法基于逐次逼近思想，将设定电阻阻值Rinput与权值w1进行比较，若设定电阻阻值Rinput大于权值w1，则继电器电阻网络(4)中第一个继电器开关b1将置0，即第一个继电器开关b1中相应的基准电阻(9)接入电路中，并将设定电阻阻值Rinput与权值w1的差值RD1作为新的设定阻值，与权值w2进行比较；若设定电阻阻值Rinput小于权值w1，则将第一个继电器开关b1置1，即第一个继电器开关b1中相应的基准电阻(9)不接入电路中，将设定电阻阻值Rinput直接与权值w2进行比较，按照此方法，依次将差值与权值进行比较，得到最逼近设定电阻阻值Rinput的输出阻值Rout及对应的继电器组驱动序列B，输出阻值Rout等于接入电路的基准电阻(9)的串联阻值之和，当只有一个基准电阻(9)接入电路时，输出阻值Rt即为基准电阻(9)的阻值。
3.根据权利要求1所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：所述权值向量W＝{w1,w2,…,wn}的确定方法为阻值逼近算法确定，具体方法为：
设继电器开关(6)的开关变量为bi，bi取1为继电器开关闭合，bi取0为继电器开关(6)断开，则继电器电阻网络(4)的总电阻可以表示为：
Figure FDA0002252470780000021
其中，nR为继电器开关(6)数量，Ri,1为继电器开关(6)闭合时对应的电阻值，Ri,0为继电器开关(6)断开时对应的电阻值；
阻值逼近算法用于从电阻集合Ω＝{Ra,i}中选择电阻逼近需求阻值Rt，以求解出的基准电阻阻值作为权值W，Ra,i表示第i个可选择的阻值Ra，其中i＝1,2,3…,n；
需要输出的阻值Rt∈[Rmin,Rmax]，可选电阻集合Ω＝{Ra,i}，Rmin,Rmax分别表示数控电阻信号源的最小值和最大值；
设定初值
Figure FDA0002252470780000022
Rt,k表示第k个需要输出的阻值，计算δRi＝Rt,k-Ra,i，δRi表示第k个需要输出的阻值与第i个可选电阻的差值，选取|δRi|最小且δRi≥0的对应Ra,i作为用于逼近Rt的电阻，记为Ra,i,k，并将Ra,i,k加入第k个需要输出的阻值对应的权值集合Wk，并更新Rt,k+1
Rt,k+1＝Rt,k-Ra,i,k
直到Rt,k＜min{Ra,i}，得到的更新后的权值集合Wk，作为逼近Rt的所有电阻；
Rt在[Rmin,Rmax]中取值，最终以[Rmin,Rmax]范围内所有Rt对应的权值集合的最小公倍数，作为最终的权值向量W，W＝{w1,w2,…,wn}中的w1,w2,…,wn对应电阻集合Ω＝{Ra,i}中各个被选中的电阻。
4.根据权利要求1所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：所述继电器驱动单元(3)包括I/O扩展芯片(8)，继电器电阻网络(4)包括多个继电器开关(6)和多个不同基准电阻(9)，每个继电器开关(6)的输出端均连接有对应的基准电阻(9)，I/O扩展芯片(8)用于接收继电器组驱动序列，并根据继电器组驱动序列接通对应的信号输出引脚，从而驱动接通的信号输出引脚对应的继电器开关(6)断开，进而使断开的继电器开关(6)的输出端上的基准电阻(9)接入电路；
所述每个继电器开关(6)输出端上的基准电阻(9)的阻值均不同。
5.根据权利要求4所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：所述继电器驱动单元(3)还包括光耦隔离器(7)，光耦隔离器(7)用于进行I/O扩展芯片(8)信号输出引脚与多个继电器开关(6)之间的光耦隔离。
6.根据权利要求4所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：所述每个继电器开关(6)包括两个N-MOSFET管，用于实现对继电器开关(6)输出端上的基准电阻(9)的通断控制。
7.根据权利要求4所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：所述继电器开关(6)有两个，第一个继电器开关(6)包括第一N-MOSFET管Q1和第二N-MOSFET管Q2，第二个继电器开关(6)包括第三N-MOSFET管Q3和第四N-MOSFET管Q4，所述I/O扩展芯片(8)的IIC总线通信端用于接收继电器组驱动序列，I/O扩展芯片(8)的第一信号输出引脚连接光耦隔离器(7)的第一光电隔离单元输入端，光耦隔离器(7)的第一光电隔离单元输出端的正极连接第一个继电器开关(6)中第一N-MOSFET管Q1的栅极；
第一N-MOSFET管Q1源极连接第二N-MOSFET管Q2的源极，第二N-MOSFET管Q2的栅极连接光耦隔离器(7)的第一光电隔离单元输出端的正极，第一N-MOSFET管Q1源极还连接光耦隔离器(7)的第一光电隔离单元输出端的负极，第一N-MOSFET管Q1的漏极通过对应的基准电阻(9)连接第二N-MOSFET管Q2的漏极；
I/O扩展芯片(8)的第二信号输出引脚连接光耦隔离器(7)的第二光电隔离单元输入端，光耦隔离器(7)的第二光电隔离单元输出端的正极连接第二个继电器开关(6)中第三N-MOSFET管Q3的栅极；
第三N-MOSFET管Q3源极连接第四N-MOSFET管Q4的源极，第四N-MOSFET管Q4的栅极连接光耦隔离器(7)的第二光电隔离单元输出端的正极，第三N-MOSFET管Q3源极还连接光耦隔离器(7)的第二光电隔离单元输出端的负极，第三N-MOSFET管Q3的漏极通过对应的基准电阻(9)连接第四N-MOSFET管Q4的漏极；
第二N-MOSFET管Q2的漏极直接连接第三N-MOSFET管Q3的漏极。
8.根据权利要求5所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：它还包括电源模块(5)，电源模块(5)用于分别向人机交互界面(1)、MCU(2)、I/O扩展芯片(8)和光耦隔离器(7)，其中，继电器驱动单元(3)中的第一光电隔离单元通过电阻R01连接电源模块(5)，继电器驱动单元(3)中的第二光电隔离单元通过电阻R02连接电源模块(5)。
9.根据权利要求5所述的便携式数控电阻信号源，其特征在于：人机交互界面(1)的显示单元(1.2)用于显示当前设定电阻值。
10.一种便携式数控电阻信号产生方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将设定电阻值输入到人机交互界面(1)的输入单元(1.1)，并将设定电阻值传输给MCU(2)；
步骤2：MCU(2)将设定电阻值根据继电器开关阵列求解算法进行计算得到继电器组驱动序列，并将继电器组驱动序列传送给继电器驱动单元(3)；
步骤3：继电器驱动单元(3)根据继电器组驱动序列驱动继电器电阻网络(4)，使继电器电阻网络(4)中被接通的电阻接入电路，对外输出电阻值。
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