CN113985335B - 一种用于程控电阻的阻值校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于程控电阻的阻值校准方法，包括：根据万用表量程将电阻串对应的所有电阻值分为若干段，每段电阻值均在万用表同一量程档；分别计算每段电阻值中的所有电阻增量，所述电阻增量为仅有一个比特位不同的两个控制字对应的电阻值之差；获取基准值序列，分别将基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；从所述基准值序列中选取一个对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的控制字作为基准值；根据所述电阻增量和基准值，利用以下公式计算给定控制字时电阻串的总电阻值：

本发明的校准方法具有测试次数少、校准速度快等优点。

Description

一种用于程控电阻的阻值校准方法

技术领域

本发明涉及阻值校准方法，特别是涉及一种用于程控电阻的阻值校准方法。

背景技术

程控电阻通道由N颗精密电阻和N颗继电器串联组成，如图1所示，一颗电阻加一颗继电器构成一个电阻位(节)，每个电阻位通过继电器在0Ω(继电器常开触点接触电阻)和电阻之间切换；当控制字中控制位置1时，继电器切换至常开触点，短路本电阻位(节)的电阻；当控制字中控制位清零时，继电器切换至常闭触点，接通本电阻位(节)的电阻。

基于“精密电阻+切换继电器”构成的串式程控电阻，由于电阻本体和继电器触点接触电阻的实际阻值和标称值之间存在偏差，所以此类程控电阻产品在生产、制造时必须对成品进行阻值校准；同时，由于精密电阻本体的阻值和继电器接触电阻会随着使用时间、环境的变化而缓慢变化，所以此类程控电阻产品在使用过程中需要定期进行阻值校准。

针对“精密电阻+切换继电器构成的串式程控电阻”的传统校准方法：从全0到全1(0～2^N-1)扫描每一个控制字，输出每个控制字时，通过万用表测试RES_A、RES_B之间的电阻值R_AB，将测试结果以查找表的形式存储于设备内置的非易失性存储器中，在使用时，根据输入的目标阻值，从校准查找表(LUT)中搜寻最接近的控制字输出。

传统校准方法有以下几个明显的缺陷：

(1)测试点位多，测试时间长。而且随着电阻串位数的增加，将导致测试点位呈几何级数增长；以16位电阻为例，从控制输出到万用表采集耗时按1秒计算，完成校准耗时2^16秒＝65536秒≈18.2小时；

(2)校准结果所需存储空间大。

综上，传统校准方法在电阻串位数低于16位时，还具备一定的实际操作性，当电阻串位数达到20位甚至更高时，基本不具备实际操作性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种用于程控电阻的阻值校准方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于程控电阻的阻值校准方法，包括：

根据万用表量程将电阻串对应的所有电阻值分为若干段，每段电阻值均在万用表同一量程档；

分别计算每段电阻值中的所有电阻增量，所述电阻增量为仅有一个比特位不同的两个控制字对应的电阻值之差；

获取基准值序列，分别将基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；

从所述基准值序列中选取一个对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的控制字作为基准值；

根据所述电阻增量和基准值，利用以下公式计算给定控制字时电阻串的总电阻值：

式中，R_AB为总电阻值；ΔR_i为电阻增量；XD表示基准值与所有电阻值对应的控制字的按位异或结果；XD.B[i]＝0或1，0≤i≤n，表示按位异或结果XD的每位取值；D.B[i]＝0或1，0≤i≤n，表示给定控制字的每位取值；D表示控制字。

优选的，所述获取基准值序列，包括：

从所有电阻值对应的控制字中筛选出一组基准值序列。

优选的，所述获取基准值序列，包括：

将所有电阻值对应的控制字作为初始基准值序列；

分别将初始基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；

从所述初始基准值序列中选取对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的若干个控制字构成基准值序列。

优选的，所述获取基准值序列，包括：

将所有电阻值对应的控制字作为初始基准值序列；

分别将初始基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；

从所述初始基准值序列中选取对应的异或计算结果中比特位为1数量小于设定值的控制字构成基准值序列。

本发明的有益效果是：本发明的校准方法因不需要所有比特位累加测量，具有测试次数少、校准速度快、存储容量低等优点，至多进行2N次测试即可完成电阻增量ΔR_i的测试，剩余测试次数则由基准序列容量大小决定。基准值序列仅需要校准之前通过计算机运算即可得出，具有一次运算、始终可用的特点，可以根据总校准时间、存储空间等灵活取舍。

附图说明

图1为程控电阻的一种组成示意图；

图2为本发明中阻值校准方法的一种流程图；

图3为电阻串第i位继电器常闭状态示意图；

图4为电阻串第i位继电器常开状态示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图2-4，本实施例提供了一种用于程控电阻的阻值校准方法：

一种用于程控电阻的阻值校准方法，包括：

S1.根据万用表量程将电阻串对应的所有电阻值分为若干段，每段电阻值均在万用表同一量程档。

例如，型号为KEYSIGHT 34461A的万用表具有如下量程：100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ、10MΩ、100MΩ。以16为串联程控电阻为例，取R＝0.125Ω，则最大电阻值为8191.875Ω，则将所有电阻值按照100Ω、1KΩ、10KΩ分为三段。

S2.分别计算每段电阻值中的所有电阻增量，所述电阻增量为仅有一个比特位不同的两个控制字对应的电阻值之差。

电阻增量的计算公式为：

ΔR_i＝R_AB|_Dy-R_AB|_Dx (3)

式中，Dx和Dy为仅有一个比特位不同的两个控制字；D.B[i]＝0或1，0≤i≤n，表示给定控制字的每位取值；R_i表示电阻串第i位继电器常闭状态阻值(电阻+常闭触点接触电阻,D.B[i]＝0，0≤i≤n)，0≤i≤n，n＝N-1，如图3所示；R_Ki表示电阻串第i位继电器常开状态阻值(常开触点接触电阻,D.B[i]＝1，0≤i≤n)，0≤i≤n，n＝N-1，如图4所示；ΔR_i表示电阻增量，即电阻串第i位继电器由常开状态转换至常闭状态的电阻变化量。

S3.获取基准值序列，分别将基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算。

在一些实施例中，所述获取基准值序列，包括：从所有电阻值对应的控制字中筛选出一组基准值序列。

在一些实施例中，所述获取基准值序列，包括：将所有电阻值对应的控制字作为初始基准值序列；分别将初始基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；从所述初始基准值序列中选取对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的若干个控制字构成基准值序列。

在一些实施例中，所述获取基准值序列，包括：将所有电阻值对应的控制字作为初始基准值序列；分别将初始基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；从所述初始基准值序列中选取对应的异或计算结果中比特位为1数量小于设定值的控制字构成基准值序列。

所述基准值序列只需在第一次使用时计算一次即可，后续再使用直接使用第一次的计算结果即可，无需再计算基准值序列。

S4.从所述基准值序列中选取一个对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的控制字作为基准值。

S5.根据所述电阻增量和基准值，利用公式(4)计算给定控制字时电阻串的总电阻值：

式中，R_AB为总电阻值；ΔR_i为电阻增量；XD表示基准值与所有电阻值对应的控制字的按位异或结果；XD.B[i]＝0或1，0≤i≤n，表示按位异或结果XD的每位取值；D.B[i]＝0或1，0≤i≤n，表示给定控制字的每位取值；D表示控制字。

需要说明的是，每一步前的标号(如S1、S2、……、S5等)并不限定其执行先后顺序，例如，S3和S4可以先于S1和S2执行。

下面举例对本实施例的方案进行说明：

以16位串联程控电阻为例，取R＝0.125Ω，N＝16，n＝N-1＝15：

①最大电阻值R_MAX＝0.125Ω×(2¹⁶-1)＝8191.875Ω，将电阻串对应的所有电阻值按照100Ω、1KΩ、10KΩ分为三段；

②控制字分三段的取值范围为：0xFCDF～0xFFFF、0xE0BF～0xFCDF、0～0xE0BF。控制字在0xFF08、0xFF06、0xFF05、0xFF04、0xFF00时R_AB的理论值为：

R_{AB|D＝0xFF08}＝R₀+R₁+R₂+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝30.875Ω

R_{AB|D＝0xFF06}＝R₀+R_K1+R_K2+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝31.125Ω

R_{AB|D＝0xFF05}＝R_K0+R₁+R_K2+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝31.25Ω

R_{AB|D＝0xFF05}＝R₀+R₁+R_K2+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝31.375Ω

R_{AB|D＝0xFF05}＝R₀+R₁+R₂+R₃+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝31.875Ω

用万用表(Keysight 34461A)100Ω量程档依次测量以上R_AB的实际值，利用下式计算ΔR₀、ΔR₁、ΔR₂、ΔR₃：

ΔR₀＝R₀-R_K0＝R_{AB|D＝0xFF04}-R_{AB|D＝0xFF05}

ΔR₁＝R₁-R_K1＝R_{AB|D＝0xFF04}-R_{AB|D＝0xFF06}

ΔR₂＝R₂-R_K2＝R_{AB|D＝0xFF00}-R_{AB|D＝0xFF04}

ΔR₃＝R₃-R_K3＝R_{AB|D＝0xFF00}-R_{AB|D＝0xFF08}

控制字在0xFF8F、0xFF6F、0xFF5F、0xFF4F、0xFF0F时R_AB的理论值：

R_{AB|D＝0xFF8F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R_K7+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝14Ω

R_{AB|D＝0xFF6F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R_K5+R_K6+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝18Ω

R_{AB|D＝0xFF5F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R_K4+R₅+R_K6+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝20Ω

R_{AB|D＝0xFF4F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R_K6+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝22Ω

R_{AB|D＝0xFF0F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R_K9+R_K10+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝30Ω

用万用表(Keysight 34461A)100Ω量程档依次测量以上R_AB的实际值，利用下式计算ΔR₄、ΔR₅、ΔR₆、ΔR₇：

ΔR₄＝R₄-R_K4＝R_{AB|D＝0xFF4F}-R_{AB|D＝0xFF5F}

ΔR₅＝R₅-R_K5＝R_{AB|D＝0xFF4F}-R_{AB|D＝0xFF6F}

ΔR₆＝R₆-R_K6＝R_{AB|D＝0xFF0F}-R_{AB|D＝0xFF4F}

ΔR₇＝R₇-R_K7＝R_{AB|D＝0xFF0F}-R_{AB|D＝0xFF8F}

控制字在0xF80F、0xF60F、0xF50F、0xF40F时R_AB的理论值为：

R_{AB|D＝0xF80F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R_K11+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝254Ω

R_{AB|D＝0xF60F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R_K9+R_K10+R₁₁+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝318Ω

R_{AB|D＝0xF50F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R_K8+R₉+R_K10+R₁₁+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝350Ω

R_{AB|D＝0xF40F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R_K10+R₁₁+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝382Ω

R_{AB|D＝0xF00F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁+R_K12+R_K13+R_K14+R_K15＝510Ω

用万用表(Keysight 34461A)1000Ω量程档依次测量以上R_AB的实际值，利用下式计算ΔR₈、ΔR₉、ΔR₁₀、ΔR₁₁：

ΔR₈＝R₈-R_K8＝R_{AB|D＝0xF40F}-R_{AB|D＝0xF50F}

ΔR₉＝R₉-R_K9＝R_{AB|D＝0xF40F}-R_{AB|D＝0xF60F}

ΔR₁₀＝R₁₀-R_K10＝R_{AB|D＝0xF00F}-R_{AB|D＝0xF40F}

ΔR₁₁＝R₁₁-R_K11＝R_{AB|D＝0xF00F}-R_{AB|D＝0xF80F}

控制字在0x800F、0x600F、0x500F、0x400F、0x000F时R_AB的理论值为：

R_{AB|D＝0x800F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁+R₁₂+R₁₃+R₁₄+R_K15＝4094Ω

R_{AB|D＝0x600F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁+R₁₂+R_K13+R_K14+R₁₅＝5118Ω

R_{AB|D＝0x500F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁+R_K12+R₁₃+R_K14+R₁₅＝5630Ω

R_{AB|D＝0x400F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁+R₁₂+R₁₃+R_K14+R₁₅＝6142Ω

R_{AB|D＝0x000F}＝R_K0+R_K1+R_K2+R_K3+R₄+R₅+R₆+R₇+R₈+R₉+R₁₀+R₁₁+R₁₂+R₁₃+R₁₄+R₁₅＝8190Ω

用万用表(Keysight 34461A)10KΩ量程档依次测量以上R_AB的实际值，利用下式计算ΔR₁₂、ΔR₁₃、ΔR₁₄、ΔR₁₅：

ΔR₁₂＝R₁₂-R_K12＝R_{AB|D＝0x400F}-R_{AB|D＝0x500F}

ΔR₁₃＝R₁₃-R_K13＝R_{AB|D＝0x400F}-R_{AB|D＝0x600F}

ΔR₁₄＝R₁₄-R_K14＝R_{AB|D＝0x000F}-R_{AB|D＝0x400F}

ΔR₁₅＝R₁₅-R_K15＝R_{AB|D＝0x000F}-R_{AB|D＝0x800F}

③用万用表(Keysight 34461A)适合的量程档按下表测量基准值序列，结果如表1所示(仅取16个数用以举例说明，实际应用中基准0值序列中控制字的数量可以为其他值)：

表1

以D＝0x3355即R_AB＝6549.25Ω举例说明，将0x3355与基准序列逐一进行按位异或计算，结果如表2所示：

表2

16个异或结果均有8个“1”，即8个ΔR_i，任取一个基准值，如0xF00F，此基准值记为R_{AB|D＝0xF00F}，XD＝0xC35A，代入公式(4)，可得：

R_{AB|D＝0x3355}＝R_{AB|D＝0xF00F}+ΔR₁₅+ΔR₁₄-ΔR₉-ΔR₈-ΔR₆-ΔR₄+ΔR₃+ΔR₁

＝R_{AB|D＝0xF00F}+(R_{AB|D＝0x000F}-R_{AB|D＝0x800F})+(R_{AB|D＝0x000F}-R_{AB|D＝0x400F})-(R_{AB|D＝0xF40F}-R_{AB|D＝0xF60F})-(R_{AB|D＝0xF40F}-R_{AB|D＝0xF50F})-(R_{AB|D＝0xFF0F}-R_{AB|D＝0xFF4F})-(R_{AB|D＝0xFF4F}-R_{AB|D＝0xFF5F})+(R_{AB|D＝0xFF00}-R_{AB|D＝0xFF08})+(R_{AB|D＝0xFF04}-R_{AB|D＝0xFF06})

误差分析，以R_{AB|D＝0x3355}为例。万用表(Keysight 34461A)100Ω电阻量程档测量精度(校准后两年内)：±0.012％读数±0.004％量程；1kΩ、10kΩ电阻量程档测量精度(校准后两年内)：±0.012％读数±0.001％量程。并有合理假设：Keysight 34461A在短时间内(相同环境下)同一量程重复测量时的量程误差保持不变，故，计算时ΔR_i不包含量程误差。R_{AB|D＝0x3355}合成误差计算依据如下：

a)R_{AB|D＝0x3355}的表达式满足形如y＝x₁+x₂+…+x_N的简单函数关系；

b)R_{AB|D＝0x3355}表达式中各测量值是独立(不相关)的；

c)R_{AB|D＝0x3355}表达式中各测量值误差数值来源于Keysight 34461A数据手册；

d)综上，R_{AB|D＝0x3355}误差合成选用B类评定方法，采用公式：

e)计算可得，R_{AB|D＝0x3355}的合成误差为：±0.0495％读数±0.001％量程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于程控电阻的阻值校准方法，其特征在于，包括：

根据万用表量程将电阻串对应的所有电阻值分为若干段，每段电阻值均在万用表同一量程档；

分别计算每段电阻值中的所有电阻增量，所述电阻增量为仅有一个比特位不同的两个控制字对应的电阻值之差；

获取基准值序列，分别将基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；

从所述基准值序列中选取一个对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的控制字作为基准值；

根据所述电阻增量和基准值，利用以下公式计算给定控制字时电阻串的总电阻值：

式中，R_AB为总电阻值；∆R_i为电阻增量；XD表示基准值与所有电阻值对应的控制字的按位异或结果；XD.B[i]=0或1，0 ≤ i≤ n，表示按位异或结果XD的每位取值；D.B[i]=0或1，0≤ i≤ n，表示给定控制字的每位取值；D表示控制字；

所述获取基准值序列，包括：

从所有电阻值对应的控制字中筛选出一组基准值序列；

将所有电阻值对应的控制字作为初始基准值序列；

分别将初始基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；

从所述初始基准值序列中选取对应的异或计算结果中比特位为1数量最少的若干个控制字构成基准值序列。

2.根据权利要求1所述的一种用于程控电阻的阻值校准方法，其特征在于，所述获取基准值序列，包括：

将所有电阻值对应的控制字作为初始基准值序列；

分别将初始基准值序列中的每个控制字与所有电阻值对应的控制字逐一进行异或计算；

从所述初始基准值序列中选取对应的异或计算结果中比特位为1数量小于设定值的控制字构成基准值序列。

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