專利名稱：數(shù)字式變阻裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子技術領域中的變阻裝置。
背景技術：
隨著電子技術的不斷發(fā)展，各種各樣的儀器儀表越來越廣泛地應用于各行各業(yè)，同時對這些儀器設備提出了數(shù)字化、小型化的要求，尤其是許多工業(yè)自動化的校準設備、如各種校驗儀，更朝著這方面快速發(fā)展。目前用在這些儀器儀表中的變阻裝置主要是手動變阻裝置和自動變阻裝置。其中，手動變阻裝置包括電阻箱，其內(nèi)部由許多固定電阻組成，通過手動調(diào)節(jié)電阻箱得到不同電阻值。自動變阻裝置包括電動機和多圈電位器，通過電動機帶動多圈電位器旋轉，在電阻測量反饋電路的控制下使馬達到達多圈電位器上的特定位置，得到不同電阻值。由于上述兩種變阻裝置采用笨重的電阻箱或電動機，構成組件較多，使得變阻裝置本身的體積、重量、成本都較大，難以做到微型化，使用不方便。并且上述兩種變阻裝置是通過手動或機械方式變阻，自動化程度低，造成采用這兩種變阻裝置的儀器儀表設備無法達到小型化、數(shù)字化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小、成本低、重量輕、使用方便的數(shù)字式變阻裝置，使得采用本發(fā)明的變阻裝置制造的數(shù)字直流電阻箱、手持式過程信號校準儀、數(shù)字式直流負載器以及其他需要自動化程度高、微型化變阻裝置的儀器儀表設備能做到小型化、數(shù)字化的要求。
為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種數(shù)字式變阻裝置，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間的電流調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)所述電流調(diào)節(jié)電路的電流值以得到所需電阻。
相應地，本發(fā)明中所述電流調(diào)節(jié)電路包括用于控制所述電流調(diào)節(jié)電路電流值的比例控制單元以及增益互為倒數(shù)的第一放大電路和第二放大電路，所述第一放大電路的輸入端設置第一電阻Rstand，通過所述第一電阻Rstand串接第一端口，第一放大電路連接比例控制單元，所述比例控制單元連接第二放大電路，所述第二放大電路串接所述第二端口。所述比例控制單元包括數(shù)模轉換器，所述第一放大電路還包括第一運算放大器和反饋電阻，其中，第一運算放大器的正相端接地，負相端連接第一電阻Rstand，第二電阻連接第一運算放大器的負相端和輸出端，并且第二電阻的電阻值和第一電阻Rstand相等，輸出的電壓作為數(shù)模轉換器的參考電壓，所述第二放大電路包括第二放大器、第三電阻、第四電阻，所述第二放大器的正相端接地，負相端連接第三電阻，第四電阻連接在第二放大器的負相端和輸出端，則第一端口和第二端口的輸出電阻值RAB＝(1-K)*Rstand，K為數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)，0＜K＜1。
所述電流調(diào)節(jié)電路包括用于控制所述電流調(diào)節(jié)電路電流值的比例控制單元和增益為1的第三放大電路，第三放大電路設置第一電阻Rstand，所述第三放大電路的輸入端連接第一端口，其輸出端連接比例控制單元，所述比例控制單元的輸出端連接第二端口。所述比例控制單元包括數(shù)模轉換器，所述第三放大電路還包括第三運算放大器，其中第三運算放大器的負相端和輸出端連接，正相端連接第一電阻Rstand后接地，輸出的電壓為數(shù)模轉換器的參考電壓，，則從輸出的電阻值RAB＝(1-K)*Rstand，K為數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)且0＜K＜1。
所述電流調(diào)節(jié)電路包括用于控制所述電流調(diào)節(jié)電路電流值的比例控制單元和增益為1的第四放大電路，第四放大電路設置第一電阻Rstand，其輸入端連接第一端口，其輸出端連接比例控制單元，比例控制單元的輸出端連接第四放大電路，第二端口接地。比例控制單元包括數(shù)模轉換器，第四放大電路包括第四運算放大器，其中第四運算放大器的負相端連接其輸出端，其輸出的電壓為數(shù)模轉換器的參考電壓，正相端連接第一電阻Rstand后連接到數(shù)模轉換器的輸出端，第一端口連接正相端，則從輸入的電阻值RAB＝Rstand/(1-K)，K為數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)且0＜K＜1。
所述比例控制單元還包括和數(shù)模轉換器連接的微處理器，通過控制數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)調(diào)節(jié)輸出的電阻值。所述第一電阻為精密電阻。所述數(shù)模轉換器為四相限乘法型數(shù)模轉換器。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明用電子線路模擬電阻的外特性，形成了使用方便的數(shù)字式變阻裝置，完全取代了現(xiàn)有變阻裝置的電阻箱和電動機，體積小巧，而且成本低、重量輕、使用方便，由于本發(fā)明采用的比例控制單元控制調(diào)節(jié)電流模塊的電流值，通過調(diào)節(jié)系數(shù)即可得到所需的電阻值，即輸出的電阻數(shù)字化可編程，使得利用本發(fā)明開發(fā)制造的各種儀器儀表，如數(shù)字式直流電阻箱、手持式過程信號校準儀、數(shù)字式直流負載器，能滿足小型化數(shù)字化的要求。


圖1是本發(fā)明數(shù)字式變阻裝置的實現(xiàn)原理圖。
圖2為本發(fā)明數(shù)字式變阻裝置的具體實現(xiàn)原理框圖。
圖3為本發(fā)明數(shù)字式變阻裝置的第一實施例的電路圖。
圖4為本發(fā)明數(shù)字式變阻裝置的第二實施例的電路圖。
圖5為本發(fā)明數(shù)字式變阻裝置的第三實施例的電路圖。
具體實施例方式
請參閱圖1，本發(fā)明公開的數(shù)字式變阻裝置包括第一端口A、第二端口B、以及串接在第一端口A和第二端口B之間的電流調(diào)節(jié)電路1，根據(jù)RAB＝U/I，通過調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)電路1的電流I以得到所需電阻。
該變阻裝置還可包括比例控制單元2，通過調(diào)節(jié)比例控制單元2的系數(shù)控制電流調(diào)節(jié)電路1的電流值以得到所需電阻。請參閱圖2，比例控制單元2設置在電流調(diào)節(jié)電路1內(nèi)。該變阻裝置包括第一端口A、第二端口B、調(diào)節(jié)電流模塊1和比例控制單元2。調(diào)節(jié)電流模塊1串接在第一端口A和第二端口B中，比例控制單元2用于調(diào)節(jié)電流模塊1的電流大小是輸入電壓U的系數(shù)M分之一倍，比例控制單元2能調(diào)節(jié)其系數(shù)得到所需的電阻值。
RAB＝U/I，I＝U/M，調(diào)節(jié)M，I的值也發(fā)生變化，同時RAB也隨之發(fā)生變化。即RAB＝U/I＝U/(U/M)＝M，該系數(shù)M即為所需生成的電阻，并由比例控制單元2控制系數(shù)M。
實施例1請參閱圖3，為本發(fā)明變阻裝置的實施例電路圖。該變阻裝置包括兩個增益互為倒數(shù)的第一放大電路3、第二放大電路4、一個數(shù)模轉換器5和微處理器(CPU)6。本實施例中采用增益都為-1的兩個放大電路3、4。第一放大電路3的輸入端連接第一端口A，其輸出端連接數(shù)模轉換器5，輸出的電壓作為數(shù)模轉換器5的參考電壓。第二放大電路4的輸入端連接數(shù)模轉換器5的輸出端，其輸出端連接第二端口B。第一放大電路3包括第一運算放大器、第一電阻Rstand和第二電阻R2，第一運算放大器3的正相端接地，反相端連接第一電阻Rstand，第一電阻Rstand連接第一端口A。第二電阻R2分別連接第一運算放大器3的正相端和輸出端。并且第二電阻R2的阻值和第一電阻Rstand的阻值相同。當?shù)谝浑娮鑂stand發(fā)生變化時，第二電阻R2的阻值相應的變化，保持第一放大電路2的增益為-1。第二放大電路4包括第二運算放大器，電阻R3和R4，第二運算放大器的正相端接地，負相端串接電阻R3后和數(shù)模轉換器5的輸出端連接，電阻R4連接在第二運算放大器的負相端和輸出端，并且電阻R3和電阻R4的電阻值相等。
假定為測量在A、B兩端電阻而施加的電壓為E，D/A的轉換系數(shù)為k(0＜K＜1)，則電路有如下關系式V2＝-V1 (1)V3＝K*V2(2)V4＝-V3＝K*V2＝-K*(-V1)＝K*V1 (3)V1＝V4+E，則V1-V4＝E，將(3)代入V1-K*V1＝E，V1＝E/(1-K) (4)從A端流入的電流I＝V1/Rstand＝E/((1-K)*Rstand) (5)則從A，B兩端看進去的電阻RAB＝E/I＝(1-K)*Rstand(6)(6)式即是AB兩端模擬電阻的計算式。系數(shù)M為(1-K)*Rstand即為所需模擬電阻值。數(shù)模轉換器5和微處理器6連接，通過調(diào)節(jié)轉換系數(shù)K即可改變輸出的電阻值。
以下以高精度多功能校驗儀為例說明利用本發(fā)明如何得到精度高的模擬電阻。一種高精度多功能校驗儀要求輸出的電阻的范圍是0-400Ω、分辨率0.01Ω，誤差小于0.01％FS(即0.04Ω)。具體輸出的電阻值為100Ω。
a選擇Rstand，根據(jù)RAB＝E/I＝(1-K)*Rstand，RAB的范圍是0-400Ω，則Rstand需大于等于400Ω，又考慮到實際電路中存在的誤差，所以選擇Rstand應略大于400Ω。本實施例中選擇450Ω的精密電阻，也可選擇其他阻值的標準電阻。
b根據(jù)選擇好的Rstand和電阻分辨率確定數(shù)模轉換器5，由于電阻的分辨率要達到0.01Ω，即K的最小的變化量必須達到0.01/450＝1/45000，所以選擇16位分辨率的數(shù)模轉換器5，本實施例中選用四相限乘法型數(shù)模轉換器，如LTC1595(16bit)。
c將數(shù)模轉換器5和微處理器6連接，確定微處理器6給數(shù)模轉換器5輸入的二進制碼。根據(jù)RAB＝E/I＝(1-K)*Rstand，現(xiàn)RAB＝100Ω、Rstand＝450Ω，計算出K＝1-100/450＝0.777778，則微處理器6給數(shù)模轉換器5發(fā)出的二進制碼為216*K＝50972，即0XC71C。它是根據(jù)n位數(shù)模轉換器的輸出電壓比于輸入的數(shù)字量V。＝(VREF/2n)*DX，V。為輸出的模擬電壓，DX為輸入的數(shù)字，VREF為參考電壓得到。將相應的二進制數(shù)碼變成模擬電壓，其幅度由輸入數(shù)模轉換器的參考電壓控制。這樣，當用萬用表或其他電阻測量儀器在AB兩端測量電阻時得到的讀數(shù)即為100Ω。
但是，考慮到應用時會受到運算放大器失調(diào)誤差和其他干擾因素影響，在AB端得到的實際電阻離100Ω有較小的誤差。為達到高精度輸出，還可加上反饋調(diào)節(jié)步驟，測量RAB，如有誤差，則由微處理器調(diào)節(jié)數(shù)模轉換器的數(shù)值K，最終達到高精度輸出。RAB的測量也很簡單，因為流過Rstand和AB兩端的電流是一樣的，利用串聯(lián)電路的特性只要分別測量Rstand兩端電壓Vstand和AB兩端的電壓VAB，利用RAB＝(VAB/Vstand)*Rstand，即可求出RAB。
實施例2請參閱圖4，為本發(fā)明第二實施例的電路圖。該電流調(diào)節(jié)電路1包括第三放大電路7、數(shù)模轉換器5和微處理器6。比例控制單元2包括數(shù)模轉換器5和微處理器6。第三放大電路7包括第三運算放大器和第一電阻Rstand，其中第三運算放大器的負相端和輸出端連接，正相端連接第一電阻Rstand后接地，第一端口A也連接正相端，第三運算放大器的輸出端連接數(shù)模轉換器5，其輸出電壓作為數(shù)模轉換器5的參考電壓，數(shù)模轉換器5連接第二端口B。
假定為測量A、B兩端電阻而施加的電壓為E，D/A的轉換系數(shù)為K(0＜k＜1)，則電路有如下關系式V2＝V1 (1)V3＝K*V2 (2)又因為V1＝V3+E，故V1＝E/(1-K)(3)從A端流入的電流I＝V1/Rstand＝E/(1-K)/Rstand(4)則從A，B兩端看進去的電阻RAB＝E/I＝(1-K)*Rstand(5)(5)式即是模擬電阻的計算式。從(5)式看，A端流入的電流I是受E控制的，其系數(shù)(1-K)*Rstand即為所需模擬的電阻。
實施例3請參照圖5，為本發(fā)明第3實施例的電路圖。它包括第四放大電路8、數(shù)模轉換器5和微處理器6，其中比例控制單元為數(shù)模轉換器5和微處理器6，第四放大電路8包括第四運算放大器和第一電阻Rstand，其中第四運算放大器的負相端連接其輸出端，正相端連接第一電阻Rstand后連接到數(shù)模轉換器5的輸出端，第一端口A連接正相端，其輸出端連接數(shù)模轉換器5，其輸出電壓作為數(shù)模轉換器5的參考電壓。
假定為測量A、B兩端電阻而施加的電壓為E，D/A的轉換系數(shù)為K(0＜k＜1)，則電路有如下關系式V2＝V1＝E(1)V3＝K*V2＝K*V1＝K*E (2)從A端流入的電流I＝(V1-V3)/Rstand＝(E-K*E)/Rstand(4)則從A，B兩端看進去的電阻RAB＝E/I＝Rstand/(1-K) (5)(5)式即是模擬電阻的計算式。從(5)式看，A端流入的電流I是受E控制的，其系數(shù)W為Rstand/(1-K)即為所需模擬的電阻。
數(shù)模轉換器5連接微處理器6，通過在微處理器6中輸入相應的二進制碼得到對應的電阻值，為了提高輸出的電阻的精度更好，可以采用反饋調(diào)節(jié)。這些已在實施例1中公開，不再贅述。數(shù)模轉換器5也可選用四相限乘法型數(shù)模轉換器。并且，數(shù)模轉換器5也并非局限于和微處理器6連接，來達到控制數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)。如數(shù)模轉換器5的數(shù)字接口連接開關矩陣，通過控制開關矩陣的開關的開和關，向數(shù)模轉換器5輸入不同的二進制值，同樣也能達到改變其轉換系數(shù)的效果。
權利要求
1.一種數(shù)字式變阻裝置，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間的電流調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)所述電流調(diào)節(jié)電路的電流值以得到所需電阻。
2.如權利要求1所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于所述電流調(diào)節(jié)電路包括用于控制所述電流調(diào)節(jié)電路電流值的比例控制單元以及增益互為倒數(shù)的第一放大電路和第二放大電路，所述第一放大電路的輸入端設置第一電阻Rstand，通過所述第一電阻Rstand串接第一端口，第一放大電路連接比例控制單元，所述比例控制單元連接第二放大電路，所述第二放大電路串接所述第二端口。
3.如權利要求2所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于，所述比例控制單元包括數(shù)模轉換器，所述第一放大電路還包括第一運算放大器和反饋電阻，其中，第一運算放大器的正相端接地，負相端連接第一電阻Rstand，第二電阻連接第一運算放大器的負相端和輸出端，并且第二電阻的電阻值和第一電阻Rstand相等，輸出的電壓作為數(shù)模轉換器的參考電壓，所述第二放大電路包括第二放大器、第三電阻、第四電阻，所述第二放大器的正相端接地，負相端連接第三電阻，第四電阻連接在第二放大器的負相端和輸出端，則第一端口和第二端口的輸出電阻值RAB＝(1-K)*Rstand，K為數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)，0＜K＜1。
4.如權利要求1所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于，所述電流調(diào)節(jié)電路包括用于控制所述電流調(diào)節(jié)電路電流值的比例控制單元和增益為1的第三放大電路，第三放大電路設置第一電阻Rstand，所述第三放大電路的輸入端連接第一端口，其輸出端連接比例控制單元，所述比例控制單元的輸出端連接第二端口。
5.如權利要求4所述數(shù)字式變阻裝置，其特征在于，所述比例控制單元包括數(shù)模轉換器，所述第三放大電路還包括第三運算放大器，其中第三運算放大器的負相端和輸出端連接，正相端連接第一電阻Rstand后接地，輸出的電壓為數(shù)模轉換器的參考電壓，，則從輸出的電阻值RAB＝(1-K)*Rstand，K為數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)且0＜K＜1。
6.如權利要求1所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于，所述電流調(diào)節(jié)電路包括用于控制所述電流調(diào)節(jié)電路電流值的比例控制單元和增益為1的第四放大電路，第四放大電路設置第一電阻Rstand，其輸入端連接第一端口，其輸出端連接比例控制單元，比例控制單元的輸出端連接第四放大電路，第二端口接地。
7.如權利要求6所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于，比例控制單元包括數(shù)模轉換器，第四放大電路包括第四運算放大器，其中第四運算放大器的負相端連接其輸出端，其輸出的電壓為數(shù)模轉換器的參考電壓，正相端連接第一電阻Rstand后連接到數(shù)模轉換器的輸出端，第一端口連接正相端，則從輸入的電阻值RAB＝Rstand/(1-K)，K為數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)且0＜K＜1。
8.如權利要求3、5和7中的任何一項所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于所述比例控制單元還包括和數(shù)模轉換器連接的微處理器，通過控制數(shù)模轉換器的轉換系數(shù)調(diào)節(jié)輸出的電阻值。
9.如權利要求2、4和6的任何一項所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于所述第一電阻為精密電阻。
10.如權利要求2、4或6所述的數(shù)字式變阻裝置，其特征在于所述數(shù)模轉換器為四相限乘法型數(shù)模轉換器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種數(shù)字式變阻裝置，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間的電流調(diào)節(jié)電路；所述電流調(diào)節(jié)電路包括比例控制單元，通過調(diào)節(jié)所述比例控制單元的系數(shù)控制所述電流調(diào)節(jié)電路的電流值以得到所需電阻。本發(fā)明用電子線路模擬電阻的外特性，形成了數(shù)字式變阻裝置，完全取代了現(xiàn)有變阻裝置的電阻箱和電動機，體積小巧，而且成本低、重量輕、使用方便，由于本發(fā)明采用的比例控制單元控制調(diào)節(jié)電流模塊的電流值，通過調(diào)節(jié)系數(shù)即可得到所需的電阻值，即輸出的電阻數(shù)字化可編程，使得利用本發(fā)明開發(fā)制造的各種儀器儀表，如數(shù)字式直流電阻箱、手持式過程信號校準儀、數(shù)字式直流負載器，能滿足小型化數(shù)字化的要求。
文檔編號H03H11/40GK1545206SQ200310113470
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權日2003年11月11日
發(fā)明者江竹軒, 金建祥, 吳忠, 鐘鳴泉, 魏英歌 申請人:浙江中控技術股份有限公司