專利名稱：具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明全部用電子元器件組成完整的電子電位器單元，可作為多功能的精密電子 電位器直接用于各種電子和機電等領域，實現和擴展傳統(tǒng)的機械電位器、刻度電位器、多圈 電位器、雙聯或多聯同軸電位器、功率電位器、撥碼開關等機械器件和數字電位器集成芯片 的使用功能，本技術屬電子元器件領域。
背景技術：
電位器在電子技術領域是極其重要而不可缺少的電子元器件，機械電位器使用至 今已近百年，人類電子技術在這漫長的發(fā)展進程中，賦予電位器很多電子學重要功能特性， 致使機械電位器品種繁多并成為在電子技術領域應用廣泛和使用量巨大的、唯一必不可少 的機械電子元器件(例如僅在中國，每年制造50億支以上的機械電位器)，而機械電位器存 在機械磨損、怕震動、頻繁動作很容易損壞、調整困難、精確度低、功能單調等很多弊病已遠 遠滿足不了現代電子技術的發(fā)展需要。撥碼開關和電阻網絡也能構成電位器，但體積龐大，幾乎沒有其它功能可言，而且 存在機械斷點，在很多對電阻的改變有連續(xù)要求的情況下不能使用，實質上是數字機械器 件。相對而言，數字電位器集成芯片在性能方面較機械電位器提高了很多，但在實際 應用中存在一系列缺陷，例如需要大量的外圍電路和二次設計才能實現完整的電位器使 用功能，所以這種器件實際上只是電位器的一個部分。另外，由于輸出電阻網絡集成在一 起，功能擴展有很大的局限性，所以該器件主要用于裝在電路板上和別的電路接口，這樣就 增大了數字電位器在使用過程中的設計負擔，因為在絕大多數情況下、尤其是在工業(yè)領域 的電位器實際應用中，都習慣和必須數字電位器能象機械電位器那樣使用簡單而又功能齊 全。

發(fā)明內容
本發(fā)明將一些電子元器件用電路組合一起，構成完整的電子電位器模塊器件，該 器件具備機械電位器所有特性，在實際應用和操作上和機械電位器一樣簡便，而其強大而 豐富的性能特點和擴展功能，將電位器推向全新的理念和高度，幾乎可以在需要電位器的 任何場合直接使用并提高相關產品的性能指標。下面先簡單說明電子電位器模塊的基本結 構、工作原理和豐富的功能配備。一、電子電位器模塊的構成(參見附圖1)附圖1為電子電位器模塊的結構和功能總成的原理框圖，虛線框內為模塊的基本 組成部分，粗線框內為可選的工作方式和模式，需電源的部分為控制電路。則電子電位器模 塊主要由三部分組成1.按鍵；2.控制電路；3.電阻網絡。模塊的基本工作原理是設置兩 個按鍵，加鍵和減鍵，當按下某一鍵時，即啟動控制電路，控制電路識別是哪個鍵按下而正 確控制和改變電阻網絡輸出值的大小，每按一下鍵，輸出即改變一個數，此為精調，當連續(xù)
3按鍵時，輸出值將快速變化，此為粗調，反應的快慢可以由使用習慣和使用要求確定，模塊 的分辨率由計數器的位數確定，精度由網絡電阻精度和電阻值的正確選取確定。二、控制電路的三種實現方法(參見附圖2)由于電位器的使用環(huán)境和使用條件差別很大，對電位器的功能和成本要求也有很 大不同，所以電子電位器模塊的核心部分《控制電路》采用三種不同的實現方法很有必要， 當然，不管采用哪一種方法，其工作原理構造都是一樣的，下面以方法1)為主說明。1)分立器件和中小規(guī)模集成電路圖中虛線框內為控制電路，工作原理過程是設置兩個按鍵(1)，分別作為加鍵和 減鍵，當有一個按鍵按下，即啟動方波發(fā)生器(2)振蕩，輸出的方波送到可預置數的可逆計 數器(5)計數，同時按鍵辨別電路(4)可控制計數器作相應的加或減計數，計數器的位數 可根琚所需要的精度決定，計數器的輸出端接電子開關(6)的控制端，電子開關控制電阻 網絡(7)的接通和斷開，以此調整輸出電阻的大小。當連續(xù)按鍵時間約2秒，啟動加速電路 (3)，網絡電阻的電阻值將快速變化。這種方法對性能和功能設計比較靈活，例如可以很容 易做到輸出分辨率從16到100000的設計，但通電時電阻網絡的輸出的數值需要預先設置 而不能更改。2)AT89C2051等單片機為核心電子電位器模塊控制電路采用此類器件后很多功能可以用程序完成，還可以實現 輸出值的記憶，但功能拓展和應用環(huán)境受到一定的限制。3)可集成的器件全部集成化這種方法將是未來電子電位器模塊的發(fā)展方向，圖3)中虛線框內為本發(fā)明可集 成的原理電路，虛線框外為必需外接的所需元器件和處理功能。該圖為輸出十進制3位、二 進制12位的集成化原理框圖，外引腳數為24腳，芯片可采用DIP雙列直插或SOP貼片封裝， 如果輸出的位數為十進制2位、二進制8位和十進制4位、二進制16位，則外引腳數可為 20腳和28腳。圖中外引腳13-24為外接網絡電阻(不將網絡電阻集成的原由另有專述)， 示例描述為控制兩線制的可調電阻輸出模式，如果采用電位器輸出模式或使用不同的分辨 率，引腳數也會有所改變。三、電阻網絡的安排和輸出模式(參見附圖3)從附圖3可以看到，電阻網絡所有的權電阻和輸出采用并聯的方法，這樣安排有 三個重要優(yōu)點1)電子電位器模塊輸出值的改變是絕對連續(xù)的，這一點非常重要，原因基于雖 然電子開關的開關速度很高，但在有些電位器的重要應用場合如工業(yè)、軍工、醫(yī)療儀器、科 研、航空航天等，不允許電位器出現瞬間的中斷；2)電子開關無論采用何種材料，都存在一定的導通電阻，電阻網絡采用并聯的方 法可以將導通電阻降到最小并可以避免導通數不同產生的誤差；3)電阻網絡不集成而采取分立或電阻排的方式單獨構成也是電子電位器模塊的 一大特點，理由是現今或若干年內人類的電子技術可以使電位器的使用可承受功率達到 0. 5W以內，但還不能做到全部微功率使用，另外還有電阻的精度和品種繁多所決定的成本因素。電子電位器模塊有三種輸出模式可調電阻輸出模式；電位器輸出模式和電壓輸出模式；由于電位器是使用量巨大、行業(yè)應用面極寬的電子器件，在滿足其可靠地使用的技 術前提下，盡可能簡化電路，降低成本以利更好地節(jié)約資源和成本顯得尤其重要。在很多電 位器的實際應用中，電位器的功能主要是單端調整模擬量電壓、電流，因此，可調電阻輸出 模式比電位器輸出模式使用要更多一些，機械電位器可以很容易實現這兩種輸出模式，幾 乎感覺不到這種差異，而采用電子的方法實現，電位器輸出模式比可調電阻輸出模式難度 要大很多，區(qū)別很大。因此，電子電位器模塊具有可調電阻輸出模式是很有必要的，比較圖 3的1)和2)可以明顯看到電位器輸出模式要比可調電阻輸出模式復雜。另外，因為電子 電位器模塊需要在任何復雜的條件下都能使用，故電子開關的技術處理電位器輸出模式也 要困難一些。在電位器的使用中，還有相當一部分是調整電壓(例如可調式直流穩(wěn)壓電源)，而 采用電壓輸出通過調配可以很容易使輸出精度高于前兩種輸出模式一到兩個數量級，模塊 輸出端可承受的電壓還可以做到很高(參見附圖12，詳細說明參閱《具體實施方式
》)，所 以電子電位器模塊具備電壓輸出模式很有好處，電壓輸出模式還可以很容易使電子電位器 模塊具備“正向調節(jié)”和“反向調節(jié)”功能(該功能說明見后節(jié))，這在有些調控場合是需要 的。四、輸出值的正向調節(jié)和反向調節(jié)(參見附圖4)眾所周知，電位器在絕大多數使用場合都是間接調整和控制其它的一些模擬量， 例如電壓、電流、流量、溫度等等，而這些調控有的是正向(輸出值增大，被調量增大)，有的 是反向(輸出值增大，被調量減小)。為了形象而直觀了解和掌握這些變化，需要電位器具 備正反向調控能力。使電子電位器模塊的三種輸出模式都具備正向調節(jié)和反向調節(jié)功能的 原理框圖見附圖4，具體實施方案參見附圖10、圖11、圖12。五、輸出控制方式(參見附圖5)電位器的應用極其廣泛，使用的環(huán)境和條件差異很大，這就需要電子電位器模塊 的輸出具有很強的適應能力。電位器的這種差異主要體現在三個方面輸出兩端所能承受 的電壓和電子開關的導通電阻以及輸出有無極性，而解決這幾個問題需要由所選擇的電子 開關的特性決定。以人類現今技術可用于電子電位器模塊作電子開關來解決以上問題的方 法主要有三種1)雙向模擬開關；2)雙極型三極管；3)雙極型三極管倒置。1)雙向模擬開關特點是沒有極性，但開關兩端的電壓不能超過電子電位器模塊 的供電電壓，雖然可以增加升壓電路，但又使模塊電路復雜而增高成本，此外還有一定的導 通電阻，所以這種電子開關主要可用于對模塊的輸出極性有要求而需要承受的電壓不高的 場合，作電子開關對可調電阻輸出模式、電位器輸出模式、電壓輸出模式都適用；2)雙極型三極管主要特點是耐壓可根據需要達到很高，無論有多少只導通其導 通電阻對模塊的輸出電阻影響不大，但電子電位器模塊輸出電阻是有極性的，而且只適用 于可調電阻輸出模式和電壓輸出模式，控制電路集成后可以用于電位器輸出模式；3)雙極型三極管倒置最大的特點是導通電阻非常小，如果要求導通電阻一致且 很小時采用，但必須保證三極管的集電極和發(fā)射極兩端電壓低于6V且按極性聯接，采用電 位器輸出模式還須保證輸出兩端的電壓不能超過電子電位器模塊的供電或升壓后的電壓。結論電子電位器模塊根據需要合理選擇以上三種器件作電子開關基本上可以滿 足實際使用的所有條件，如果還有特殊情況可以綜合以上器件特性用集成電路解決。例如，輸出兩端既需要承受很高電壓又要沒有極性，則可以將雙極型三極管做成雙向高反壓管等。六、模塊的輸出特性(參見附圖6)在電子技術的研究、教學和應用中，對電子電路模擬量的變化，希望具備線性變 化、指數(反對數)變化和對數變化等各種特性(例如人耳對聲音大小的識別，如果電路 的增益采用對數變化，聽覺就象線性變化一樣)，而這些變化，很多都需要人工調整完成，電 位器具備這種功能，是電位器的重要特征之一。電子電位器模塊作為未來電位器的發(fā)展方向，其輸出具備上述各種變化特性是很 有必要的。本發(fā)明對電子電位器模塊輸出電阻網絡的各權電阻值用數學的方法確定，從而 使其具備精確的線性變化、指數(反對數)變化和對數變化的輸出特性，而且以此類推，電 子電位器模塊可以輸出任意變化規(guī)律的輸出值。下面以12位二進制組成的電阻網絡說明這三種輸出特性的實現方法，也即根據 其數學特點確定電阻網絡各權電阻的電阻值。參見附圖13的具體可實施例首先設定該三種輸出特性的幾個參數，1.最小分辨率為Rmin;2.最大電阻為 Rmax ；3.各權電阻為Rx ；權數為bx。因為Rmax和bx是已知的，故有對于線性變化的輸出特性Rx = bxXRmin, Rmin = Rmax/12 ；對于指數(反對數)變化的輸出特性Rx = Rminbx, Rmin = 12 V Rmax ；對于對數變化的輸出特性Rx = log (Rmin) bx, Rmin = 1/12 V Rmax ；為便于計算 Rx，換成以10為底的對數，則有l(wèi)og (Rmin) bx = logbx/logRmin以此推廣到一般，通過數學的方法改變各權電阻的電阻值，電子電位器模塊可以 實現任意有規(guī)律的輸出特性。需注意的是電子電位器模塊的網絡電阻是并聯輸出，故實際輸出的電阻值是Rx 和Rmax并聯的阻值。七、非易失和自供電(參見附圖7)在有些場合，或由于機械電位器的使用習慣，需要電子電位器模塊斷電后能記 憶和保持斷電時的輸出位置，這就要求電子電位器模塊能夠具備非易失能力。在采用 AT89C2051等單片機為核心的電子電位器模塊中，最簡單的方法是增加一個非易失存儲器， 一般為EEPR0M，例如24C02。而在將控制電路集成化的方案中，可以將非易失存儲器包含在 集成芯片里。機械電位器最重要的特性之一是不需要供電電源，直接接在電路上就可以實現電 位器功能，而電子電位器模塊則需要工作電源才能具備電位器功能，否則就喪失電位器作 用。在有些特殊的電位器使用場合，系統(tǒng)可能無法給電子電位器模塊提供工作電源，這種缺 陷可以在控制電路集成化的方案中得到解決。電子電位器模塊只有控制電路需要電能，而 該部分集成化后，消耗的電能是非常微弱的，另外還可以采用微功耗設計和待機時絕大部 分電路停止工作等措施。這樣處理后，電子電位器模塊整個器件的耗電可以降到100UA以 下，使用一個鈕扣電池即可保證電子電位器模塊長時間工作，該圖3)為預期中的控制電路 集成化后DIP封裝的集成芯片。八、多聯同步輸出(參見附圖8)
在多聲道音頻放大器和多路輸出的直流穩(wěn)壓電源以及很多工業(yè)或民用電子產品 中，都需要電位器能用簡捷的方法同時調整兩個或多個電位器并分別得到相同的數值，機 械電位器可以采用雙聯或多聯同軸電位器來實現，電子電位器模塊同樣也可以具備這一功 能。方法是僅用兩個按鍵，同時控制兩個或多個電子電位器模塊，使每個模塊精確地輸出同 樣的數值，每個電子電位器模塊既可以是單獨的電位器，又可以組合一起，成為相互獨立的 多聯同步輸出的電子電位器模塊，各個模塊之間完全隔離。下面用控制電路的實現方法1)簡單描述該技術方案(見附圖8)設置兩個按鍵， 分別作為加鍵和減鍵，當有一個按鍵按下，即啟動電位器模塊1時鐘，輸出的方波開始同時 對兩個電位器模塊計數，其中電位器模塊2采用光電耦合器在電氣上隔離。由于兩個電位 器模塊使用的是同一個時鐘，故輸出的數值完全一樣。以此類推，該方法可擴展到多個電子 電位器模塊，從而達到多個電子電位器模塊同步輸出的目的。九、自帶顯示屏(參見附圖9)在電子電位器模塊的可調電阻輸出模式中，有時需要直觀了解和掌握電阻所調到 的位置，在電壓輸出模式中，有時需要確切地知道輸出電壓的數值，在可調電阻輸出模式、 電位器輸出模式和電壓輸出模式中，有時還需要迅速了解和掌握在電位器調整中，被控量 或影響量的變化情況。因此，電子電位器模塊自帶刻度顯示器來顯示輸出量的百分比和數 字顯示器來顯示輸出和影響模擬量的數值是很有必要的。1)刻度顯示屏 配置方法是直接在電子電位器模塊裝上電子顯示器件，用兩行不同大小的顯示點 將電子電位器模塊的輸出值分成100等份并直觀地表示出來(附圖9、1)為256等份)。該圖中，低位十六個數用小點，高位十六個數用大點，以此來清晰反映出電子電位 器模塊輸出值所處的百分比位置。例如如果電子電位器模塊的輸出電阻調到中間值，則低 位的0點和高位的8點點亮，這是點顯示方法，如果用條顯示，則低位依然是0點點亮，而高 位將是1、2、3、4、5、6、7、8點同時點亮，其它數字也不難理解。顯示材料有兩種LED發(fā)光二極管和IXD液晶顯示屏。顯示方法也可分為兩種點 顯示和條顯示。基于節(jié)約能源考慮，點顯示可采用LED，條顯示采用IXD。如果需要更精確顯示電子電位器模塊的輸出電阻，可將顯示的位數擴充至三位 (見圖1)右三行刻度顯示屏)或者更高。在可調電阻輸出模式和電位器輸出模式中，為了用最少的電阻獲得最大分辨率， 通常采用16進制，如果需要形象化表示，可每行使用16個點，而在電壓輸出模式中，則習慣 用10進制，這些都可以根據具體需要選取。2)數字顯示屏在電子電位器模塊上配置數字顯示器件，通過數字轉換或模數轉換器，將電子電 位器所需要表達和完成的工作信息真實而精確地顯示出來，則構成了帶數字顯示的電子電 位器模塊。見附圖9所示的原理框圖。圖中，電子電位器模塊可輸出兩種信號1.從計數器輸出BCD碼或二進制碼的數 字信號；2.從TL431輸出模擬電壓信號和從電阻網絡輸出模擬電阻信號。數字信號通過 《BOT碼一七段譯碼器》譯碼后在《數字顯示屏》上將需要表示的內容顯示出來，模擬信號則 通過模數轉換器的比值設置后，將需要的模擬量顯示出來。
顯示材料有兩種LED數碼管和IXD液晶顯示屏?；诠?jié)約能源考慮，盡可能用IXD 顯示。顯示精度可根據要求選擇，最高可達到五位，低可以做到二位或三位。十、輸入輸出接口為了實現遠程控制、自動控制和程序控制，電子電位器模塊設置了多個輸入輸出接口。1)按鍵接口按鍵接口可以實現遠程控制和多點控制，接口上能并聯很多無源控制開關，也可 以根據電子電位器模塊的按鍵工作條件外接有源開關實現自動控制和程序控制。2)數字輸出接口電子電位器模塊可以從數字輸出端引出數字信號，供自動控制和程序控制時的參 考數據，但需注意的是，因為采集的數據不是直接的輸出值，可能與需要的輸出值會有一定 的誤差，所以在重要場合應用時應考慮這種因素的存在。本發(fā)明的特點和有益效果是1.電位器使用至今已有百年，是電子技術領域重要而必不可少、使用量巨大的電 子元器件，而機械電位器存在機械磨損、怕震動、頻繁動作很容易損壞、調整困難、精確度 低、功能單調等很多弊病已嚴重顯現出來。用電子取代機械是人類科技發(fā)展的必然趨勢，而 電子電位器模塊具備以上強大的功能性能實力使淘汰機械電位器成為可能；2.在現今電子技術高速發(fā)展的情況下，機械電位器越來越顯得功能單薄，作為使 用面很大的電子元器件，滿足不了很多電子產品的功能需要。而電子電位器模塊除完全具 備機械電位器所有功能外，還具有很多機械電位器沒有也不可能做到的性能和實用功能， 采用電子電位器模塊可以間接提高相關產品的技術性能指標。3.機械電位器消耗大量有色金屬材料，極易損壞造成巨大浪費，采用電子電位器 模塊可以為人類節(jié)約大量的有限資源。4.電子電位器模塊是一個完整的電位器功能模塊，接口采用標準并具有寬范圍的 適應性，輸出是無源的，能方便地和其它外有源電路直接接口，僅基本功能就足以能夠當成 普通電位器在絕大多數情況下使用，簡化了其它電子產品的設計，提高了相關電子產品的 研發(fā)效率。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是電子電位器模塊的基本組成結構和具備的擴展功能原理框圖，虛線框內為 電子電位器模塊的基本構成特征，無論采用模塊的哪一種實現方法，軟件或硬件實現，其原 理構造都是一樣的。粗線框內為可選的方式和模式，一個電子電位器模塊必有每個粗線框 內三種中的一種。虛線框外為模塊的可擴展功能，各功能的特性表述如下DEEPR0M ；用于AT89C2051等單片機為核心和可集成的器件全部集成化的模塊構 成中作掉電數據保存；2)刻度顯示直接從計數器輸出端取出信號經譯碼后進行百分比刻度顯示；3)數字顯示主要從模塊的輸出端取出模擬信號經模數轉換后進行數字顯示；4)自備電源用于模塊控制電路集成化后模塊自供電，可使電子電位器模塊的使用和機械電位器一樣方便；5)按鍵接口和數字接口 模塊無論采用何種構成，都可以具備這兩種接口，以便 實現自動控制、遠程控制、程序控制；6)方向調節(jié)模塊的輸出可以正向調節(jié)也可以反向調節(jié)，其原理參見有關說明；7)電子電位器模塊2 用于多個電子電位器模塊同步輸出。圖2是電子電位器模塊的三種實現方法的原理框圖，三種方法的虛線內為控制電 路，該圖強調說明電子電位器模塊無論采用哪一種構成方式和實現方法，都是由按鍵、控制 電路、網絡電阻三部分組成，圖中3)虛線框內的黑點表示按鍵對該單元電路產生作用，并 不是真正意義上的聯接。圖3是電子電位器模塊三種輸出模式原理示意圖，其中前兩種模式用機械電位器 實現沒有什么區(qū)別，但用電子的方法實現差異很大，虛線框內為其左邊模塊輸出模式產生 的結果。第三種輸出模式是任何電位器都從來沒有的，因為電位器在很多應用中是調整電 壓，而電子電位器模塊具有電壓輸出模式并具備很好的靈活性將極大方便應用產品和電子 電位器模塊直接接口。各圖僅畫出電子電位器模塊計數器后的輸出部分。圖4是電子電位器模塊正向調節(jié)和反向調節(jié)原理式意圖，在1)所示的可調電阻 輸出模式中，當按加鍵時輸出兩端的電阻增大，按減鍵時輸出兩端的電阻減小，即為正向調 節(jié)，按加鍵時輸出兩端的電阻減小，按減鍵時輸出兩端的電阻增大，為反向調節(jié)；2)為電位 器輸出模式，按加鍵時電位器旋臂向上移動，按減鍵時電位器旋臂向下移動，為正向調節(jié)， 反之，按加鍵時電位器旋臂向下移動，按減鍵時電位器旋臂向上移動，為反向調節(jié)；3)為電 壓輸出模式，按加鍵時輸出電壓升高，按減鍵時輸出電壓降低，為正向調節(jié)，如果按加鍵時 輸出電壓降低，按減鍵時輸出電壓升高，則為反向調節(jié)。圖5是電子電位器模塊用于控制輸出值的各種特性材料構成的電子開關，在實際 應用中如果根據這些電子開關不同的性能特點合理選擇，基本上可以滿足所有不同的環(huán)境 和電路對電子電位器模塊的使用要求，如耐壓、分辨率、導通電阻的影響等問題。圖6是電子電位器模塊輸出的線性變化、指數(反對數)變化和對數變化特性曲 線圖，圖中縱座標表示電阻網絡各權電阻阻值，橫座標為電阻的變化趨勢，需注意的是，實 際輸出的電阻值是Rx和Rmax并聯的電阻值。線性變化特性就是一條均勻的直線，而指數 (反對數)特性和對數特性按數學規(guī)律改變各權電阻阻值，則可以產生無數種不同的變化 曲線。圖7是說明電子電位器模塊可以具有記憶功能，即斷電時保持電位器當時所調的 位置，在工業(yè)等很多方面的實際應用中，因為相關的儀器和設備是連續(xù)不斷電工作的，所以 并不需要電子電位器模塊記憶，而且在有些重要場合，還要求電位器在斷電必須回零，否則 系統(tǒng)會出現故障，而在民用產品和一些頻繁間歇使用的場合，為了減少工作量和因為機械 電位器使用習慣因素，則需要電子電位器模塊能夠記憶。圖中1)為采用AT89C2051等單片 機為核心的電子電位器模塊，其記憶可采用24C02等串行存儲芯片，2)為控制電路集成化 后的電子電位器模塊，記憶單元直接集成在芯片內。當模塊所有用電器件都集成和微功耗 后，只需在外接電源端裝一個鈕扣電池，該電池也裝在模塊上，則電子電位器模塊就是一個 完整的電位器，可以象機械電位器一樣使用。圖8是電子電位器模塊實現多聯同步輸出的原理框圖，各個模塊共用一個時鐘以確保這些模塊能精確地輸出相同的數值，其它模塊之間以及與主模塊之間用光電耦合器隔 離，這樣多聯同步電子電位器模塊可以在任何電路里直接使用，而不必考慮各模塊電位器 之間的電壓問題，如果已知各電位器使用電路和電平相近(例如多聲道音頻放大器在線路 輸出級調整各聲道音量)，為降低成本，光電耦合器也可以用無極性電容代替。該圖1)為電 子電位器模塊雙聯同步輸出，圖2)為三聯同步輸出，以此原理可以實現多聯同步輸出，從 圖中可以看到，無論是多少個電子電位器模塊，按鍵始終只有兩個。這和同軸機械電位器的 操作方法非常相似。圖9是具有顯示功能的電子電位器模塊原理框圖。其中1)為模塊帶刻度顯示器 的電原理框圖、形象示意圖和表面尺寸圖，圖中小方框表示刻度顯示點，顯示分辨率采用白 分比表示為0% -99%。在兩行顯示屏上每行有16個點，以此表示輸出數值的16進制比 值，從電子電位器模塊的數字輸出端引出的16進制數，經4線-16線譯碼器獲得16選通信 號點亮相應的點，也可以根據電子電位器模塊使用需要采用每行10個點，如果顯示精度需 要，還可以采用三行顯示，見三行刻度顯示屏形象示意圖，個位、十位、百位分別用不同大小 的點顯示，以便形象的區(qū)分，顯示分辨率為0%。-999%。。該圖左邊是帶刻度顯示器的電子電 位器模塊參考表面尺寸，實際產品可以根據電子電位器模塊主板寬度來確定顯示屏表面尺 寸，圖中的譯碼驅動部分也可以用軟件完成，顯示的點也可以用帶狀顯示。2)為模塊帶數字 顯示器的原理框圖、形象示意圖和表面尺寸圖，圖中，字母“A” “V”分別代表電阻、電 流、電壓，當數碼管需要顯示哪一種變量時，該字母則點亮。數字顯示位數可根據電子電位 器模塊的功能和使用需要采用二位、三位、四位、五位均可。該圖左邊是帶數字顯示器的電 子電位器模塊參考表面尺寸，實際產品可以根據電子電位器模塊主板寬度來確定顯示屏表 面尺寸。圖10是電子電位器模塊三種實現方法實例，圖中虛線框內為控制電路，三種實現 方法只畫出了必要的基本原理電路，各圖的電子開關和虛線框外的電阻網絡可以采用本說 明介紹的各種材料、模式、特性和方法，2)和3)主要靠軟件實現1)的各種功能，圖3)虛線 框內電路只是說明集成芯片需具備的基本結構，有些工作可以用軟件完成，有些根據芯片 的制作特點還要復雜一些，該圖并非真正的集成電路布圖。圖11是可調電阻輸出模式正向調節(jié)實例，圖十中的1)是分立元器件和中小規(guī)模 集成電路構成的反向調節(jié)方法，本圖則為可調電阻輸出模式的正向調節(jié)方法，該圖通電時 權電阻全部導通，因為是并聯連接，輸出電阻最小，此后按加鍵時，電子開關逐漸關斷，輸出 電阻逐漸增大，反之則反。圖12是電壓輸出模式的三種調節(jié)方式實例，因為TL431的Vref端和A端之間的 電壓固定為2. 5V，電子電位器模塊的輸出電阻分別接在Vref端和A端(圖1))，或Vref端 和K端(圖2))都能對TL431的輸出電壓進行調整。虛線框內為外接被控器件，可以是晶體 管、固定或可調三端穩(wěn)壓器和多端穩(wěn)壓器、或其它器件。圖3)是對輸出可調電壓超出單個 TL431所能承受的電壓的解決方案，光電耦合器最好采用線性光耦，理論上，根據需要，用本 圖方法TL431可以無限增加。圖13是電子電位器模塊分別實現線性輸出、指數(反對數)輸出、對數輸出三種 特性的具體可實施例，按圖中所標注的Rx阻值，輸出可產生其右圖所示的曲線特性規(guī)律， 各圖中未標注單位的電阻為歐姆。
圖14是電子電位器模塊實現雙聯同步輸出詳細的技術原理框圖，以此對雙聯同 步作進一步詳細描述，圖中的按鍵1和按鍵2、復位按鈕均為雙聯，或由單按鍵和雙路電子 開關組成，此圖原理可延伸到多聯同步電子電位器模塊。圖15是電子電位器模塊帶刻度顯示的具體可實施的電路原理圖，該圖虛線外為 電子電位器模塊的刻度顯示部分，圖中IC1和IC3為計數器⑶4510，IC2和IC4為B⑶碼一 十進制碼譯碼器⑶4028，如果顯示器每行顯示16個點，則IC1和IC3可以為16進制計數器 CD4516，IC2和IC4為4線一十六線譯碼器CD40154。圖16是電子電位器模塊帶數字顯示的具體可實施例，圖中1)為電子電位器模塊 數字量輸出接口的電原理圖，虛線內為電子電位器模塊在計數器后的原電路，虛線外為加 數字顯示器所需的接口電路，其中IC4、IC5、IC6均為B⑶碼一七段譯碼器⑶4511，也可根據 顯示器特性選擇其它芯片。圖中2)電子電位器模塊模擬量電壓輸出接口的電原理圖實例， 該圖虛線內為電子電位器模塊在計數器后的原電路，虛線外為加數字顯示器所需的接口電 路。圖中TL431為可調式精密穩(wěn)壓器，輸出電壓在2. 5V-36V連續(xù)可調，其輸出除供別的電 路使用外，還可以直接取出經電阻分壓器分壓后，作為模數轉換器的輸入模擬信號，模數轉 換器可以采用ICL7106驅動液晶顯示器，或采用ICL7107驅動LED數碼管，也可以用其它顯 示器驅動方法。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例作重說明電子電位器模塊的幾個主要而重要的特性功能。在圖10電子電位器模塊三種實現方法中，圖1)是電子電位器模塊由分立元件和 集成電路構成的電阻輸出模式、反向調節(jié)方式完整的電路原理圖。從圖中可以看到，接口只 需乂+^-、1+、1-四根線即可工作，實現功能^-和W-可以共用一根線，從按鍵S1、S2引出 線和外電路連接，可以實現遠程控制、自動控制和程序控制。下面簡述本實施例工作原理 S1和S2分別是加鍵和減鍵，當有一個鍵按下，即啟動由IC3B等元件組成的方波發(fā)生器，計 數器(IC)對脈沖計數，其輸出使三極管陣(BG)相應的三極管導通，從而使相應的網絡電阻 (RW)并聯輸出。當連續(xù)按鍵約2秒，由IC3A等元件組成的加速電路開始工作，使方波發(fā)生 器的振蕩頻率提高約十倍。IC1A，IC1B，IC1C，IC1D和IC2A，IC2B等元件組成按鍵辨別和按 鍵互鎖電路，可分辨是加鍵還是減鍵按下，從而提供計數器U/D引腳相應的工作電平。當兩 鍵都按下時，后按鍵無效。BG1等元件組成加禁止電路，當計數值達到設定的最大值時，按加 鍵無效。二極管陣(D)組成減禁止電路，當計數值為零時，按減鍵無效。圖2)是電子電位器模塊以單片機AT89C2051為核心構成簡潔型電子電位器模塊， 除具有圖1)所述的一般功能外，還有輸出值記憶功能，以滿足機械電位器使用習慣和具體 的使用需要，輸出最大值為11位8-4-2-1碼，十進制數為799，分辨率為1/1000，若需要更 高精度或采用電位器輸出模式可用二 _4線或三_8線譯碼器擴展輸出位數，模塊采用雙向 模擬開關，輸出可調電阻兩端是沒有極性的。圖3)是電子電位器模塊控制電路集成化的電路原理示意說明圖，圖中虛線框內 為可集成的全部器件，虛線框外為需外接的元器件和需外接控制的引腳功能。下面以集成 化后的集成芯片各引腳功能說明表達其構成特點。腳1 :V+，外接供電工作電壓正端，圖二表示為“VCC” ；
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腳2 :C0MP1，暫為空腳，可作為《按鍵辨向電路》的補償或《計數器》輸出B⑶碼與 二進制碼轉換選擇端；腳3 :v-，外接供電工作電壓負端，圖二表示為“VSS”；腳4 加鍵，按動該鍵，《計數器》作加計數，輸出控制《三極管陣》對應的三極管開 關；腳5 速率2，外接《加速電路》的定時電容，連續(xù)按鍵多長時間開始給計數加速，由 該電容量大小決定；腳6 :C0MP2，外接《加速電路》和《方波發(fā)生器》啟動緩沖電容，該電容必須按要求 嚴格選?。荒_7 減鍵，按動該鍵，《計數器》作減計數，輸出控制《三極管陣》對應的三極管開 關；腳8 速率1，外接《方波發(fā)生器》的定時電容，該電容的數值確定計數器基速的大 ??；腳9 :C0MP2，外接《加速電路》和《方波發(fā)生器》的共用補償電容；腳10 復位1，外接《計數器》復位電容和電阻，按圖接法并將腳12接V-，則輸出為 反向調節(jié)方式，即按加鍵時，輸出電阻阻值減小，反之亦反；腳11 復位2，將圖中腳11與腳10交換連接，并將腳12接V+，則輸出為正向調節(jié) 方式，即按加鍵時，輸出電阻阻值增大，反之亦反；腳12 《計數器》預置數端，其外接電平與腳10、腳11接法配合，實現輸出電阻的 正向調節(jié)和反向調節(jié)；腳13-24 外接《電阻網鉻》。在圖11可調電阻輸出模式正向調節(jié)的實用電路原理圖中，設計數器為⑶4510可 預置數計數器，將預置數接高電平，計數器的1腳和9腳按圖連接，則通電時，電子電位器模 塊的輸出值為預置數，如果預置數全部為高電平，則計數器輸出端也全部為高電平，網絡電 阻全部導通，輸出值最小，此后模塊即轉入正常工作，因為加減鍵交換，故按加鍵時，輸出電 阻增大，按減鍵時，輸出電阻減小，詳細工作過程不難理解。在圖12所示的電壓輸出模式方案中，(假設電子電位器模塊的電阻輸出為反向調 節(jié))圖1)為輸出電壓正向調節(jié)方式，因為電阻網絡全部并聯，當計數值增大時，輸出電阻減 小，根據TL431工作原理，在正常工作范圍內(2. 5V-36V)，當Vref和A之間的電阻值減小時， K和A之間的電壓增大，當Vref和A之間的電阻值增大時，K和A之間的電壓減小，當電阻網 絡按8-4-2-1編碼安排合適電阻值，即可實現輸出電壓和計數值精確對應的線性關系。2)為輸出電壓反向調節(jié)方式，輸出可調電阻接TL431的Vref和K，根據TL431工 作原理，在正常工作范圍內(2. 5V-36V)，當Vref和K之間的電阻值減小時，K和A之間的電 壓減小，當Vref和K之間的電阻值增大，K和A之間的電壓增大，從而實現對輸出電壓的精 確調整。應注意的是，這里TL431的A端需要提供一個大于2. 5V的負電源，才能保證TL431 能從OV起調。 3)為輸出電壓高壓調節(jié)方式，當TL431的輸出電壓大于36V時，需要有兩個以上 的TL431串聯，該圖為兩個TL431串聯的電路，如果設計，可線性地輸出0V-70V電壓，若需 要調整更高電壓，還可以繼續(xù)串聯多個TL431，下面舉例說明圖中所示的兩個TL431串聯輸出方案實施原理(為方便說明，忽略TL431的VKA起始電壓2. 5V) 設一直流穩(wěn)壓電源輸出需要得到0-50. OV電壓，先接通TL431-1電阻網絡，當計 數值從0加到299，TL431-1的VKA從OV升到29. 9V，這時再加1，便接通光電耦合器，使 TL431-2的VKA升到固定值30. 0V,同時TL431-1的VKA降到0V，此后再加數，TL431-2的 VKA保持30. OV不變，TL431-1的VKA再次從OV開始增加，直到加到總數500，兩個TL431分 別承擔20. OV和30. OV電壓，輸出電壓為其串聯之和，即50. OV。圖13為電子電位器模塊三種輸出特性實例，在1)圖的線性輸出特性中，按圖中標 注的數值，輸出電阻在240 Ω-IOK線性連續(xù)可調，分辨率1/4000，精度2/100，如果分辨率或 最大電阻值不同，可按右邊特性圖上的公式計算電阻網絡各權電阻阻值，如果需要改變精 度，可以改變Rmin的阻值，其改變規(guī)律是，Rmin大，精度提高，但起步電阻大，Rmin小，精度 降低，但起步電阻小。因為通用電子電位器模塊采用的是并聯輸出法，故當網絡電阻全部斷 開時，輸出電阻最大，即為Rmax (本圖電路為10Κ)，當網絡電阻逐漸導通時，輸出電阻逐漸 降低，當網絡電阻全部導通時，輸出電阻最小，即為RminA (本圖電路為240 Ω )對于電子電 位器模塊起步輸出電阻為0問題，可以另設計通電零輸出電路。2)圖和3)圖分別是指數(反對數)輸出特性和對數輸出特性實例，按圖所標電阻 網絡數值，可以實現右邊特性圖所示的指數和對數輸出。在實際應用中，指數(反對數)和 對數的特性是千變萬化的，所以在很多情況下需要對圖上的公式采取插值或增添常數，這 可以采用硬件或程序的方法實現，也可以兩者結合。圖14為電子電位器模塊雙聯同步輸出實例，圖中，虛線連接的按鍵表示一個按鍵 有兩個在電氣上完全獨立的觸點開關。如果兩個電子電位器模塊的起始數不一致或不是所 要求的數值，可按一下復位按鍵，使兩個電子電位器模塊為預先設定的數值(例如回零)。 按動加減按鍵，即啟動《方波發(fā)生器》對兩個電子電位器模塊的計數器同時計數，光電耦合 器使兩個電子電位器模塊在電氣上完全隔離，電位器的輸出電阻調整有兩種方式精調和 快速調整。當連續(xù)按鍵時間小于2秒(或其它時間)，電位器的輸出電阻作緩慢的精密調 整，當連續(xù)按鍵時間大于2秒，即啟動《加速電路》，電位器的輸出電阻值作快速改變，計數 器的輸出選通各自的《三極管陣》和《電阻網絡》，兩個電子電位器模塊可以精確地輸出完全 一樣的數值，《按鍵辨別電路》確保兩個電位器的輸出電阻值變化方向一致。在圖15的電子電位器模塊帶刻度顯示的具體可實施電路原理圖中，從ICl和IC3 輸出的BCD碼數值，一路驅動三極管陣選通并聯的電阻網絡的電阻，同時作為IC2和IC4的 B⑶碼輸入，經譯碼后成為十段選通驅動信號，分別驅動刻度顯示器的個位和十位的LED發(fā) 光二極管或LCD液晶顯示屏，由于CMOS集成電路的負載電流有限，如果是LED，應選用高亮 發(fā)光二極管，并串聯限流電阻，使其電流小于1MA。在圖16的電子電位器模塊帶數字顯示的具體可實施電路原理圖中，電子電位器 模塊的顯示和輸出精度取決子電阻網絡的精度和位數，可根據需要合理配選，在輸出和顯 示模擬量的特性方面，則需要正確選配電阻網絡的電阻值并恰當地量化。顯示的內容除電 阻、電壓和電流外，也可以是其它如流量、壓力、溫度、行程等等。在1)圖取數字量顯示中， 因為不是直接顯示輸出值，所以在重要場合應用不要采用此法。在圖四的模擬量顯示中，采 樣信號是電子電位器模塊的輸出電壓(電壓輸出模式)，實際應用中，采樣信號也可以直接 從輸出電阻上取出(電阻輸出模式)，經簡單處理后即可用數字顯示器進行顯示。
權利要求
具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊是將電子元器件用電路組合一起，構成多功能電子電位器模塊器件，其特征是電子電位器模塊的基本電路單元由三部分組成，按鍵開關、控制電路、輸出電阻網絡，模塊具有非易失性、自供電、線性輸出、指數(反對數)輸出、對數輸出、正向調節(jié)、反向調節(jié)特性，具備自帶刻度顯示器、數字顯示器、多聯同步輸出、可調電阻輸出模式、電位器輸出模式、電壓輸出模式功能。
2.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是控 制電路的功能電路由方波發(fā)生器、按鍵辨別電路、加速電路、計數器、電子開關組成。
3.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是控 制電路可以由分立器件和中小規(guī)模集成電路、AT89C2051等單片機為核心、可集成的器件全 部集成化構成。
4.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是輸 出電阻網絡的電阻采用貼片電阻或電阻排并全部并聯調整。
5.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是控 制網絡電阻各權電阻通斷的電子開關有三種1)雙向模擬開關；2)雙極型三極管；3)雙極型三極管倒置。
6.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是刻 度顯示器的材料有LED或IXD，顯示方法有點狀顯示和條狀顯示，顯示行數可以有一行、二 行、三行、四行，每行點數為10點或16點。
7.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是電 子電位器模塊可以單個使用，也可以用多個電子電位器模塊組合成雙聯、三聯、多聯同步輸 出，所有這些組合都只需兩個按鍵操作，各模塊之間在電氣上完全隔離。
8.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是數 字顯示器的材料有LED或IXD，顯示位數有兩位、三位、四位，可以顯示數字量或模擬量。
9.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是輸 出值能夠正向調節(jié)也能反向調節(jié)，即按加鍵輸出值增大，按減鍵輸出值減小(正向調節(jié))和 按加鍵輸出值減小，按減鍵輸出值增大(反向調節(jié))。
10.根據權利要求1所述的具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊，其特征是電 壓輸出模式采用TL431實現輸出電壓無源調整，可以用兩只(或多只)TL431串聯實現寬范 圍電壓調整，串聯中高電位的TL431控制端用光電耦合器隔離。
全文摘要
具備完整使用特性和功能的電子電位器模塊是將電子元器件用電路組合一起，構成完整的多功能電子電位器模塊器件，模塊具備機械電位器所有特性以及強大而豐富的擴展性能和功能，可以在需要電位器的任何場合直接使用并提高相關產品的性能指標，尤其是非易失性和自供電性能，使電子電位器模塊可以像機械電位器一樣使用，而自帶刻度或數字顯示器、多聯同步輸出、多種輸出模式和輸出特性、多種輸出調節(jié)方法、多種控制電路構成、多種輸入輸出接口功能，皆適合現代電子技術發(fā)展對電位器的應用能力的需要。
文檔編號H03H7/06GK101873109SQ20091006174
公開日2010年10月27日 申請日期2009年4月27日 優(yōu)先權日2009年4月27日
發(fā)明者程杰保, 程馨如 申請人:武漢市創(chuàng)佳源電子有限公司