CN1545206A

CN1545206A - 数字式变阻装置

Info

Publication number: CN1545206A
Application number: CNA2003101134700A
Authority: CN
Inventors: 江竹轩; 金建祥; 吴忠; 钟鸣泉; 魏英歌
Original assignee: Zhejiang Supcon Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Supcon Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: CN100362741C

Abstract

本发明提供一种数字式变阻装置，包括：第一端口和第二端口，以及串接在所述第一端口和所述第二端口之间的电流调节电路；所述电流调节电路包括比例控制单元，通过调节所述比例控制单元的系数控制所述电流调节电路的电流值以得到所需电阻。本发明用电子线路模拟电阻的外特性，形成了数字式变阻装置，完全取代了现有变阻装置的电阻箱和电动机，体积小巧，而且成本低、重量轻、使用方便，由于本发明采用的比例控制单元控制调节电流模块的电流值，通过调节系数即可得到所需的电阻值，即输出的电阻数字化可编程，使得利用本发明开发制造的各种仪器仪表，如数字式直流电阻箱、手持式过程信号校准仪、数字式直流负载器，能满足小型化数字化的要求。

Description

数字式变阻装置

技术领域

本发明涉及一种电子技术领域中的变阻装置。

背景技术

随着电子技术的不断发展，各种各样的仪器仪表越来越广泛地应用于各行各业，同时对这些仪器设备提出了数字化、小型化的要求，尤其是许多工业自动化的校准设备、如各种校验仪，更朝着这方面快速发展。目前用在这些仪器仪表中的变阻装置主要是手动变阻装置和自动变阻装置。其中，手动变阻装置包括电阻箱，其内部由许多固定电阻组成，通过手动调节电阻箱得到不同电阻值。自动变阻装置包括电动机和多圈电位器，通过电动机带动多圈电位器旋转，在电阻测量反馈电路的控制下使马达到达多圈电位器上的特定位置，得到不同电阻值。由于上述两种变阻装置采用笨重的电阻箱或电动机，构成组件较多，使得变阻装置本身的体积、重量、成本都较大，难以做到微型化，使用不方便。并且上述两种变阻装置是通过手动或机械方式变阻，自动化程度低，造成采用这两种变阻装置的仪器仪表设备无法达到小型化、数字化的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、成本低、重量轻、使用方便的数字式变阻装置，使得采用本发明的变阻装置制造的数字直流电阻箱、手持式过程信号校准仪、数字式直流负载器以及其他需要自动化程度高、微型化变阻装置的仪器仪表设备能做到小型化、数字化的要求。

为解决上述问题，本发明公开了一种数字式变阻装置，包括：第一端口和第二端口，以及串接在所述第一端口和所述第二端口之间的电流调节电路，通过调节所述电流调节电路的电流值以得到所需电阻。

相应地，本发明中所述电流调节电路包括用于控制所述电流调节电路电流值的比例控制单元以及增益互为倒数的第一放大电路和第二放大电路，所述第一放大电路的输入端设置第一电阻R_stand，通过所述第一电阻R_stand串接第一端口，第一放大电路连接比例控制单元，所述比例控制单元连接第二放大电路，所述第二放大电路串接所述第二端口。所述比例控制单元包括数模转换器，所述第一放大电路还包括第一运算放大器和反馈电阻，其中，第一运算放大器的正相端接地，负相端连接第一电阻R_stand，第二电阻连接第一运算放大器的负相端和输出端，并且第二电阻的电阻值和第一电阻R_stand相等，输出的电压作为数模转换器的参考电压，所述第二放大电路包括第二放大器、第三电阻、第四电阻，所述第二放大器的正相端接地，负相端连接第三电阻，第四电阻连接在第二放大器的负相端和输出端，则第一端口和第二端口的输出电阻值R_AB＝(1-K)*R_stand，K为数模转换器的转换系数，0＜K＜1。

所述电流调节电路包括用于控制所述电流调节电路电流值的比例控制单元和增益为1的第三放大电路，第三放大电路设置第一电阻R_stand，所述第三放大电路的输入端连接第一端口，其输出端连接比例控制单元，所述比例控制单元的输出端连接第二端口。所述比例控制单元包括数模转换器，所述第三放大电路还包括第三运算放大器，其中第三运算放大器的负相端和输出端连接，正相端连接第一电阻R_stand后接地，输出的电压为数模转换器的参考电压，，则从输出的电阻值R_AB＝(1-K)*R_stand，K为数模转换器的转换系数且0＜K＜1。

所述电流调节电路包括用于控制所述电流调节电路电流值的比例控制单元和增益为1的第四放大电路，第四放大电路设置第一电阻R_stand，其输入端连接第一端口，其输出端连接比例控制单元，比例控制单元的输出端连接第四放大电路，第二端口接地。比例控制单元包括数模转换器，第四放大电路包括第四运算放大器，其中第四运算放大器的负相端连接其输出端，其输出的电压为数模转换器的参考电压，正相端连接第一电阻R_stand后连接到数模转换器的输出端，第一端口连接正相端，则从输入的电阻值R_AB＝R_stand/(1-K)，K为数模转换器的转换系数且0＜K＜1。

所述比例控制单元还包括和数模转换器连接的微处理器，通过控制数模转换器的转换系数调节输出的电阻值。所述第一电阻为精密电阻。所述数模转换器为四相限乘法型数模转换器。

与现有技术相比，本发明用电子线路模拟电阻的外特性，形成了使用方便的数字式变阻装置，完全取代了现有变阻装置的电阻箱和电动机，体积小巧，而且成本低、重量轻、使用方便，由于本发明采用的比例控制单元控制调节电流模块的电流值，通过调节系数即可得到所需的电阻值，即输出的电阻数字化可编程，使得利用本发明开发制造的各种仪器仪表，如数字式直流电阻箱、手持式过程信号校准仪、数字式直流负载器，能满足小型化数字化的要求。

附图说明

图1是本发明数字式变阻装置的实现原理图。

图2为本发明数字式变阻装置的具体实现原理框图。

图3为本发明数字式变阻装置的第一实施例的电路图。

图4为本发明数字式变阻装置的第二实施例的电路图。

图5为本发明数字式变阻装置的第三实施例的电路图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明公开的数字式变阻装置包括：第一端口A、第二端口B、以及串接在第一端口A和第二端口B之间的电流调节电路1，根据R_AB＝U/I，通过调节电流调节电路1的电流I以得到所需电阻。

该变阻装置还可包括比例控制单元2，通过调节比例控制单元2的系数控制电流调节电路1的电流值以得到所需电阻。请参阅图2，比例控制单元2设置在电流调节电路1内。该变阻装置包括第一端口A、第二端口B、调节电流模块1和比例控制单元2。调节电流模块1串接在第一端口A和第二端口B中，比例控制单元2用于调节电流模块1的电流大小是输入电压U的系数M分之一倍，比例控制单元2能调节其系数得到所需的电阻值。

R_AB＝U/I，I＝U/M，调节M，I的值也发生变化，同时R_AB也随之发生变化。即R_AB＝U/I＝U/(U/M)＝M，该系数M即为所需生成的电阻，并由比例控制单元2控制系数M。

实施例1

请参阅图3，为本发明变阻装置的实施例电路图。该变阻装置包括两个增益互为倒数的第一放大电路3、第二放大电路4、一个数模转换器5和微处理器(CPU)6。本实施例中采用增益都为-1的两个放大电路3、4。第一放大电路3的输入端连接第一端口A，其输出端连接数模转换器5，输出的电压作为数模转换器5的参考电压。第二放大电路4的输入端连接数模转换器5的输出端，其输出端连接第二端口B。第一放大电路3包括第一运算放大器、第一电阻R_stand和第二电阻R2，第一运算放大器3的正相端接地，反相端连接第一电阻R_stand，第一电阻R_stand连接第一端口A。第二电阻R2分别连接第一运算放大器3的正相端和输出端。并且第二电阻R2的阻值和第一电阻R_stand的阻值相同。当第一电阻R_stand发生变化时，第二电阻R2的阻值相应的变化，保持第一放大电路2的增益为-1。第二放大电路4包括第二运算放大器，电阻R3和R4，第二运算放大器的正相端接地，负相端串接电阻R3后和数模转换器5的输出端连接，电阻R4连接在第二运算放大器的负相端和输出端，并且电阻R3和电阻R4的电阻值相等。

假定为测量在A、B两端电阻而施加的电压为E，D/A的转换系数为k(0＜K＜1)，则电路有如下关系式

V2＝-V1 (1)

V3＝K*V2 (2)

V4＝-V3＝K*V2＝-K*(-V1)＝K*V1 (3)

V1＝V4+E，则V1-V4＝E，将(3)代入V1-K*V1＝E，V1＝E/(1-K) (4)

从A端流入的电流I＝V1/R_stand＝E/((1-K)*R_stand) (5)

则从A，B两端看进去的电阻R_AB＝E/I＝(1-K)*R_stand (6)

(6)式即是AB两端模拟电阻的计算式。系数M为(1-K)*Rstand即为所需模拟电阻值。数模转换器5和微处理器6连接，通过调节转换系数K即可改变输出的电阻值。

以下以高精度多功能校验仪为例说明利用本发明如何得到精度高的模拟电阻。一种高精度多功能校验仪要求输出的电阻的范围是0-400Ω、分辨率：0.01Ω，误差小于0.01％FS(即0.04Ω)。具体输出的电阻值为100Ω。

a：选择R_stand，根据R_AB＝E/I＝(1-K)*R_stand，R_AB的范围是0-400Ω，则R_stand需大于等于400Ω，又考虑到实际电路中存在的误差，所以选择R_stand应略大于400Ω。本实施例中选择450Ω的精密电阻，也可选择其他阻值的标准电阻。

b：根据选择好的R_stand和电阻分辨率确定数模转换器5，由于电阻的分辨率要达到0.01Ω，即K的最小的变化量必须达到0.01/450＝1/45000，所以选择16位分辨率的数模转换器5，本实施例中选用四相限乘法型数模转换器，如LTC1595(16bit)。

c：将数模转换器5和微处理器6连接，确定微处理器6给数模转换器5输入的二进制码。根据R_AB＝E/I＝(1-K)*Rstand，现R_AB＝100Ω、Rstand＝450Ω，计算出K＝1-100/450＝0.777778，则微处理器6给数模转换器5发出的二进制码为2¹⁶*K＝50972，即0XC71C。它是根据n位数模转换器的输出电压比于输入的数字量V。＝(V_REF/2ⁿ)*D_X，V。为输出的模拟电压，D_X为输入的数字，V_REF为参考电压得到。将相应的二进制数码变成模拟电压，其幅度由输入数模转换器的参考电压控制。这样，当用万用表或其他电阻测量仪器在AB两端测量电阻时得到的读数即为100Ω。

但是，考虑到应用时会受到运算放大器失调误差和其他干扰因素影响，在AB端得到的实际电阻离100Ω有较小的误差。为达到高精度输出，还可加上反馈调节步骤，测量R_AB，如有误差，则由微处理器调节数模转换器的数值K，最终达到高精度输出。R_AB的测量也很简单，因为流过R_stand和AB两端的电流是一样的，利用串联电路的特性只要分别测量R_stand两端电压V_stand和AB两端的电压V_AB，利用R_AB＝(V_AB/V_stand)*R_stand，即可求出R_AB。

实施例2

请参阅图4，为本发明第二实施例的电路图。该电流调节电路1包括第三放大电路7、数模转换器5和微处理器6。比例控制单元2包括数模转换器5和微处理器6。第三放大电路7包括第三运算放大器和第一电阻R_stand，其中第三运算放大器的负相端和输出端连接，正相端连接第一电阻R_stand后接地，第一端口A也连接正相端，第三运算放大器的输出端连接数模转换器5，其输出电压作为数模转换器5的参考电压，数模转换器5连接第二端口B。

假定为测量A、B两端电阻而施加的电压为E，D/A的转换系数为K(0＜k＜1)，则电路有如下关系式：

V2＝V1 (1)

V3＝K*V2 (2)

又因为V1＝V3+E，故V1＝E/(1-K) (3)

从A端流入的电流I＝V1/R_stand＝E/(1-K)/R_stand (4)

则从A，B两端看进去的电阻R_AB＝E/I＝(1-K)*R_stand (5)

(5)式即是模拟电阻的计算式。从(5)式看，A端流入的电流I是受E控制的，其系数(1-K)*R_stand即为所需模拟的电阻。

实施例3

请参照图5，为本发明第3实施例的电路图。它包括第四放大电路8、数模转换器5和微处理器6，其中比例控制单元为数模转换器5和微处理器6，第四放大电路8包括第四运算放大器和第一电阻R_stand，其中第四运算放大器的负相端连接其输出端，正相端连接第一电阻R_stand后连接到数模转换器5的输出端，第一端口A连接正相端，其输出端连接数模转换器5，其输出电压作为数模转换器5的参考电压。

V2＝V1＝E (1)

V3＝K*V2＝K*V1＝K*E (2)

从A端流入的电流I＝(V1-V3)/R_stand＝(E-K*E)/R_stand (4)

则从A，B两端看进去的电阻R_AB＝E/I＝R_stand/(1-K) (5)

(5)式即是模拟电阻的计算式。从(5)式看，A端流入的电流I是受E控制的，其系数W为R_stand/(1-K)即为所需模拟的电阻。

数模转换器5连接微处理器6，通过在微处理器6中输入相应的二进制码得到对应的电阻值，为了提高输出的电阻的精度更好，可以采用反馈调节。这些已在实施例1中公开，不再赘述。数模转换器5也可选用四相限乘法型数模转换器。并且，数模转换器5也并非局限于和微处理器6连接，来达到控制数模转换器的转换系数。如数模转换器5的数字接口连接开关矩阵，通过控制开关矩阵的开关的开和关，向数模转换器5输入不同的二进制值，同样也能达到改变其转换系数的效果。

Claims

1、一种数字式变阻装置，其特征在于包括：

第一端口和第二端口，以及

串接在所述第一端口和所述第二端口之间的电流调节电路，通过调节所述电流调节电路的电流值以得到所需电阻。

2、如权利要求1所述的数字式变阻装置，其特征在于：所述电流调节电路包括用于控制所述电流调节电路电流值的比例控制单元以及增益互为倒数的第一放大电路和第二放大电路，所述第一放大电路的输入端设置第一电阻R_stand，通过所述第一电阻R_stand串接第一端口，第一放大电路连接比例控制单元，所述比例控制单元连接第二放大电路，所述第二放大电路串接所述第二端口。

3、如权利要求2所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述比例控制单元包括数模转换器，所述第一放大电路还包括第一运算放大器和反馈电阻，其中，第一运算放大器的正相端接地，负相端连接第一电阻R_stand，第二电阻连接第一运算放大器的负相端和输出端，并且第二电阻的电阻值和第一电阻R_stand相等，输出的电压作为数模转换器的参考电压，所述第二放大电路包括第二放大器、第三电阻、第四电阻，所述第二放大器的正相端接地，负相端连接第三电阻，第四电阻连接在第二放大器的负相端和输出端，则第一端口和第二端口的输出电阻值R_AB＝(1-K)*R_stand，K为数模转换器的转换系数，0＜K＜1。

4、如权利要求1所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述电流调节电路包括用于控制所述电流调节电路电流值的比例控制单元和增益为1的第三放大电路，第三放大电路设置第一电阻R_stand，所述第三放大电路的输入端连接第一端口，其输出端连接比例控制单元，所述比例控制单元的输出端连接第二端口。

5、如权利要求4所述数字式变阻装置，其特征在于，所述比例控制单元包括数模转换器，所述第三放大电路还包括第三运算放大器，其中第三运算放大器的负相端和输出端连接，正相端连接第一电阻R_stand后接地，输出的电压为数模转换器的参考电压，，则从输出的电阻值R_AB＝(1-K)*R_stand，K为数模转换器的转换系数且0＜K＜1。

6、如权利要求1所述的数字式变阻装置，其特征在于，所述电流调节电路包括用于控制所述电流调节电路电流值的比例控制单元和增益为1的第四放大电路，第四放大电路设置第一电阻R_stand，其输入端连接第一端口，其输出端连接比例控制单元，比例控制单元的输出端连接第四放大电路，第二端口接地。

7、如权利要求6所述的数字式变阻装置，其特征在于，比例控制单元包括数模转换器，第四放大电路包括第四运算放大器，其中第四运算放大器的负相端连接其输出端，其输出的电压为数模转换器的参考电压，正相端连接第一电阻R_stand后连接到数模转换器的输出端，第一端口连接正相端，则从输入的电阻值R_AB＝R_stand/(1-K)，K为数模转换器的转换系数且0＜K＜1。

8、如权利要求3、5和7中的任何一项所述的数字式变阻装置，其特征在于所述比例控制单元还包括和数模转换器连接的微处理器，通过控制数模转换器的转换系数调节输出的电阻值。

9、如权利要求2、4和6的任何一项所述的数字式变阻装置，其特征在于所述第一电阻为精密电阻。

10、如权利要求2、4或6所述的数字式变阻装置，其特征在于所述数模转换器为四相限乘法型数模转换器。