本發(fā)明涉及伺服電氣元件領(lǐng)域，具體的涉及一種輸入電壓型模擬電阻器。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的可變電阻器有電阻箱、機(jī)械電位器、數(shù)字電位器這些傳統(tǒng)電阻箱均為手動(dòng)可變電阻值，很難自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了可以程控調(diào)節(jié)，也出現(xiàn)了一些程控模擬電阻，最常用方式為數(shù)字合成技術(shù)，通過(guò)輸入固定的電流，程控改變輸出電壓的方法來(lái)模擬電阻，這樣就實(shí)現(xiàn)了電阻值的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

該程控方案的核心原理是通過(guò)將固定輸入電壓通過(guò)轉(zhuǎn)換后送入到dac的參考端，作為輸出dac的參考電壓，該方案的不足在于通過(guò)調(diào)節(jié)dac的參考電壓，使得dac本身在不同的電阻值下產(chǎn)生的誤差不穩(wěn)定，通過(guò)修正很難解決由此引入的誤差，導(dǎo)致最終得到的模擬電阻的穩(wěn)定性不太理想。

因?yàn)槿魏蝑ac和adc的精度嚴(yán)重依賴(lài)于基準(zhǔn)的性能。如果將輸入作為dac參考基準(zhǔn)使得整個(gè)輸出dac的精度得不到保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上方法中存在的問(wèn)題，本專(zhuān)利方案通過(guò)adc采集前端固定輸入電壓，根據(jù)電阻設(shè)置值，輸出端通過(guò)dac給出相應(yīng)電壓值，達(dá)到模擬電阻目的，通過(guò)選擇合適參考電壓使前端adc和后端dac均工作在最佳狀態(tài)，從而規(guī)避了去調(diào)節(jié)adc和dac參考電壓引起誤差，雖然前端又引入了一個(gè)adc，通過(guò)本發(fā)明的方案設(shè)計(jì)，前端adc引入的誤差遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)參考電壓引起的誤差，從而達(dá)到輸出模擬電阻穩(wěn)定的目的。并且，再結(jié)合誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)行針對(duì)性的分析和去除，減小擬合的難度和工作量。

還有在數(shù)字域里實(shí)現(xiàn)比模擬域里更高精度、更高可靠和更低價(jià)格的各種信號(hào)處理功能，數(shù)字抑制噪聲的能力遠(yuǎn)大于模擬信號(hào)，在模擬信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中，噪聲和失真會(huì)被累積，從而對(duì)信號(hào)的處理產(chǎn)生不良的效果，而在數(shù)字域里，數(shù)字信號(hào)可以幾乎無(wú)損地存儲(chǔ)和傳輸。

具體而言，本發(fā)明提供一種輸入電壓型模擬電阻器，其特征在于：包括依次輸入的電壓源、電壓幅值和阻抗變換、ad轉(zhuǎn)換器、處理器、da轉(zhuǎn)換器和輸出驅(qū)動(dòng)部分，其中處理器接收ad轉(zhuǎn)換器輸入的電壓值，再根據(jù)目標(biāo)電阻阻值控制da轉(zhuǎn)換器的輸出，使其輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)控制生成所需要的電壓。

進(jìn)一步地，其特征在于：所述模擬電阻計(jì)算方式如下進(jìn)行：

其中ui表示輸入電壓值，rref表示電路中取樣電阻值，u0表示取樣電阻末端電壓值，i0表示取樣電阻中流過(guò)電流值。

進(jìn)一步地，其特征在于：其中，d1為處理器讀取的電壓幅值和阻抗變換后輸出的電壓經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換器變換后的數(shù)值，n1為ad轉(zhuǎn)換器位數(shù)，u1為ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

進(jìn)一步地，其特征在于：其中，d2為輸出驅(qū)動(dòng)部分所需輸出電壓的對(duì)應(yīng)數(shù)字值，n2為da轉(zhuǎn)換器位數(shù)，u2為da轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

進(jìn)一步地，其特征在于：對(duì)于模擬電阻值的修正，在考慮所述運(yùn)算放大器的失調(diào)電流和失調(diào)電壓的情況下，運(yùn)算放大器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為：

其中，uio為所述運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，失調(diào)電流為ib1和ib2為所述運(yùn)算放大器正向、負(fù)向輸入端的失調(diào)電流。

進(jìn)一步地，其特征在于：對(duì)于模擬電阻值的修正，在考慮所述運(yùn)算放大器的溫度漂移的情況下，運(yùn)算放大器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為：

其中，輸入失調(diào)電流ib1、ib2的溫度漂移分別為tcib1和tcib2，輸入失調(diào)電壓uio溫度漂移為tcv。

進(jìn)一步地，其特征在于：在考慮ad轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差的情況下：

其中，d1為嵌入式處理器讀取的輸入端電壓幅值和阻抗變換后輸出的電壓經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換器變換后的數(shù)值，n1為ad轉(zhuǎn)換器位數(shù)，u1為ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

δuopp-輸入失調(diào)電流和失調(diào)電壓導(dǎo)致的誤差；

tc11δt-輸入部分溫度漂移導(dǎo)致的誤差；

nadculsbadc-ad轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換誤差；

nadc根據(jù)實(shí)測(cè)adc誤差確定。

進(jìn)一步地，其特征在于：所述電阻模擬器的實(shí)際輸出電壓值u0的計(jì)算方式如下：

其中，d2為輸出驅(qū)動(dòng)部分所需輸出電壓的對(duì)應(yīng)數(shù)字值，n2為da轉(zhuǎn)換器位數(shù)，u2為da轉(zhuǎn)換器的參考電壓，tcp△t為輸出驅(qū)動(dòng)部分溫度漂移帶來(lái)的輸出電壓誤差，ndaculsbdac為da轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換誤差。

進(jìn)一步地，其特征在于：模擬電阻值的計(jì)算公式如下：

k1表示輸入電壓幅值和阻抗變換部分轉(zhuǎn)換系數(shù)；

k2表示輸出驅(qū)動(dòng)部分轉(zhuǎn)換系數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1現(xiàn)有技術(shù)中輸入電壓型模擬電阻原理圖；

圖2是本發(fā)明的輸入電壓型模擬電阻電路框圖；

圖3是本發(fā)明的輸入電壓型模擬電阻電路原理圖；

圖4是本發(fā)明的電壓幅值和阻抗變換電路誤差模型圖；

圖5是本發(fā)明的輸出驅(qū)動(dòng)部分誤差模型圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域人員更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方法對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖2所示，示出了本發(fā)明的電壓激勵(lì)電阻器電路框圖，首先，電壓幅值和阻抗變換電路(具體電路如圖4所示)采集輸入電壓ui的信號(hào)，并將信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以滿足ad轉(zhuǎn)換器的輸入要求；隨后，高精度ad轉(zhuǎn)換器采集該電壓并輸入到嵌入式處理器中，嵌入式處理器對(duì)電壓使用濾波、誤差校正等算法進(jìn)行處理，再根據(jù)所設(shè)定的合成電阻阻值rx控制da轉(zhuǎn)換器的輸出，使其輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，同時(shí)通過(guò)輸出設(shè)備顯示電壓、電流和電阻值；最后，使用輸出驅(qū)動(dòng)電路將da轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)傳送到輸出口。

如圖3所示，示出了本發(fā)明的電壓輸入型模擬電阻電路原理圖，可得，電阻器阻值的計(jì)算公式如下：

式中：ui表示輸入電壓值；

rref表示電路中取樣電阻值；

u0表示取樣電阻末端電壓值(相對(duì)于輸出參考點(diǎn))；

i0表示取樣電阻中流過(guò)電流值；

u1表示adc部分參考電壓；

u2表示dac部分參考電壓；

k1表示輸入電壓幅值和阻抗變換部分轉(zhuǎn)換系數(shù)；

k2表示輸出驅(qū)動(dòng)部分轉(zhuǎn)換系數(shù)；

d1表示adc部分輸出數(shù)字量；

d2表示dac部分輸入數(shù)字量；

從以上表達(dá)式可以看出，影響最終電阻輸出量精度的參數(shù)有與輸入運(yùn)放相關(guān)的電壓幅值及阻抗變換電路參數(shù)、取樣電阻精度、輸入adc參考電壓精度、輸出dac參考電壓精度以及輸出驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)。

進(jìn)一步對(duì)電路誤差進(jìn)行分析，主要包括輸入幅值和阻抗變換部分失調(diào)電壓和失調(diào)電流以及溫度漂移的影響，adc和dac轉(zhuǎn)換誤差的影響，輸出驅(qū)動(dòng)部分失調(diào)電壓和失調(diào)電流以及溫度漂移的影響。以上誤差主要為線性誤差，可以考慮通過(guò)最終的校準(zhǔn)擬合來(lái)消除。具體方法為，處理器接收ad轉(zhuǎn)換器輸入的電壓值，再根據(jù)目標(biāo)電阻阻值控制da轉(zhuǎn)換器的輸出,使其輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)控制生成所需要的電壓。通過(guò)多次輸入及多次輸出值調(diào)整，來(lái)對(duì)調(diào)整值進(jìn)行擬合(例如采用最小二乘法)，最終確定調(diào)整公式。

不過(guò)，即使為線性誤差，但是由于誤差的原因較多，其整合的誤差曲線也非常復(fù)雜，要想準(zhǔn)確擬合，數(shù)據(jù)量需要很大，鑒于此，本發(fā)明還提供一種誤差原因分析及去除與擬合相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確電阻值的方法。

1)首選來(lái)說(shuō)，可以對(duì)輸入幅值和阻抗變換電路誤差分析

對(duì)輸入幅值和阻抗變換電路建立誤差分析模型如圖4所示，其中，兩個(gè)輸入端失調(diào)電流為ib1和ib2，所謂失調(diào)電流是指運(yùn)算放大器的兩端在理想狀態(tài)為“虛斷”，但在實(shí)際電路中，運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端均有少量電流流入，此電流就是失調(diào)電流，輸入失調(diào)電壓為uio，此處所謂的失調(diào)電壓是指在理想狀態(tài)下，運(yùn)算放大器的正負(fù)輸入端的電壓是相同時(shí)，輸出電壓就等于0，但是實(shí)際中，運(yùn)算放大器必須在一個(gè)輸入端額外施加一個(gè)小電壓才能使輸出電壓等于0v，該微小電壓即為失調(diào)電壓，需要指出的是，失調(diào)電流和失調(diào)電壓都可以通過(guò)預(yù)先測(cè)量獲得，所以在使用前通過(guò)對(duì)adc階段的運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電壓的預(yù)先測(cè)定，可以獲得ib1、ib2以及uio，從圖4可以看出，設(shè)運(yùn)放輸入端電壓分別為u+和u-，流過(guò)電阻r1和r2的電流分別為i1和i2。通過(guò)分析可以得到以下方程式：

u+＝ui+ib1·rf+uio

u-＝i1r1

i2＝i1+ib2

u+＝u-

列出方程解得輸出電壓為：

其中u+為輸入部分運(yùn)算放大器正輸入端處的電壓值，u-為輸入部分運(yùn)算放大器正輸入端處的電壓值，輸入電壓型模擬電阻的輸入電壓為ui，電阻r1為輸入部分運(yùn)算放大器的反向輸入端與地之間的采樣電阻，電阻r2為輸入部分運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端之間的采樣電阻，電阻rf為輸入部分運(yùn)算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻，電壓uo’為輸入部分運(yùn)算放大器的輸出端電壓。

而如果將輸入部分的運(yùn)算放大器當(dāng)做理想的運(yùn)算放大器來(lái)處理，不考慮失調(diào)電壓和失調(diào)電流的情況，則理想情況下輸入部分的運(yùn)算放大器的輸出電壓值為：

那么，有運(yùn)算放大器失調(diào)電壓和失調(diào)電流的存在，導(dǎo)致adc階段運(yùn)算放大器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為

r1為輸入部分運(yùn)算放大器的反向輸入端與地之間的采樣電阻

r2為輸入部分運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端之間的采樣電阻

rf為輸入部分運(yùn)算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻

uio為輸入部分運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓

ib1為輸入部分運(yùn)算放大器正向輸入端的失調(diào)電流

ib2為輸入部分運(yùn)算放大器負(fù)向輸入端的失調(diào)電流

uio為所述運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓，ib1和ib2為所述運(yùn)算放大器正向、負(fù)向輸入端的失調(diào)電流。

根據(jù)上述公式，通過(guò)在嵌入式處理器中對(duì)該誤差進(jìn)行修正可得到修正后的模擬電阻值，同時(shí)，再使用校準(zhǔn)擬合來(lái)進(jìn)行修正。由于少了一項(xiàng)誤差，數(shù)據(jù)的整體誤差就相對(duì)簡(jiǎn)單一些，擬合起來(lái)更加快速準(zhǔn)確。

2)其次，進(jìn)一步考慮溫度漂移對(duì)輸入電流型模擬電阻器帶來(lái)的影響溫度漂移帶來(lái)的誤差影響

設(shè)輸入失調(diào)電流ib1和ib2的溫度漂移分別為tcib1和tcib2，輸入失調(diào)電壓uio溫度漂移為tcv，可得到溫度漂移帶來(lái)的誤差方程式為：

u+＝ui+tcib1·δt·rf+tcvδt

u-＝i1r1

i2＝i1+tcib2·δt

u+＝u-

列出方程解得

理想情況下輸入部分的運(yùn)算放大器的輸出電壓值為：

分析可知，在具有失調(diào)電壓和失調(diào)電流的情況下，由于溫度漂移導(dǎo)致adc階段運(yùn)算放大器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓之間的誤差為：

r1為輸入部分運(yùn)算放大器的反向輸入端與地之間的采樣電阻

r2為輸入部分運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端之間的采樣電阻

rf為輸入部分運(yùn)算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻

tcv為輸入部分運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移

tcib1為輸入部分運(yùn)算放大器正向輸入端的失調(diào)電流溫度漂移

tcib2為輸入部分運(yùn)算放大器負(fù)向輸入端的失調(diào)電流溫度漂移

△t為溫度漂移量

通過(guò)以上兩部分的分析可知，實(shí)際adc采集到的電壓為

根據(jù)上述公式，通過(guò)在嵌入式處理器中對(duì)這兩項(xiàng)誤差進(jìn)行修正可得到修正后的模擬電阻值。由于少了兩項(xiàng)誤差，數(shù)據(jù)的整體誤差就相對(duì)更為簡(jiǎn)單，擬合起來(lái)更加快速準(zhǔn)確。

3)再次，進(jìn)一步考慮adc階段的ad轉(zhuǎn)換器和dac階段的da轉(zhuǎn)換誤差

實(shí)際上ad轉(zhuǎn)換器和da轉(zhuǎn)換器都存在轉(zhuǎn)換誤差，分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因有，基準(zhǔn)源的不穩(wěn)定，運(yùn)放的零點(diǎn)漂移，模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等。動(dòng)態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的附加誤差，它是由于電路中分布參數(shù)的影響，使各位的電壓信號(hào)到達(dá)解碼網(wǎng)絡(luò)輸出端的時(shí)間不同所致。通常轉(zhuǎn)換誤差用最小輸出電壓ulsb的倍數(shù)表示，即

δuo＝nulsb

其中，ulsb指adc和dac數(shù)字量最低位為1，其余為0時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓值，即

其中n為adc或者dac的最大轉(zhuǎn)換位數(shù)；

通過(guò)adc誤差分析后，進(jìn)入嵌入式處理器實(shí)際修正后的電壓值ui’為

其中，d1為嵌入式處理器讀取的輸入部分電壓幅值和阻抗變換后輸出的電壓經(jīng)過(guò)ad轉(zhuǎn)換器變換后的數(shù)值，n1為ad轉(zhuǎn)換器位數(shù)，u1為ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

δuopp-輸入失調(diào)電流和失調(diào)電壓導(dǎo)致的誤差；

tc11δt-輸入部分溫度漂移導(dǎo)致的誤差；

nadculsbadc-ad轉(zhuǎn)換器導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換誤差；

nadc根據(jù)實(shí)測(cè)adc誤差確定。

進(jìn)一步對(duì)輸出部分dac誤差進(jìn)行分析，分析原理以及誤差產(chǎn)生的原因同上述adc階段的誤差分析一致。

δudac＝ndaculsbdac

同理，通過(guò)在嵌入式處理器中對(duì)這三種類(lèi)型的誤差進(jìn)行修正再進(jìn)行校準(zhǔn)擬合。

4)最后考慮輸出驅(qū)動(dòng)部分誤差

該部分的誤差模型如圖5所示，其與圖4類(lèi)似。通過(guò)分析可以得到以下方程式：

u+'＝uio'-ib1'·rf'

i1'＝i2'+ib2'

u+'＝u-'

可以得到

理想情況下

可以得到輸出驅(qū)動(dòng)部分輸出電壓的誤差為

△uopo‘為輸出部分運(yùn)算放大器失調(diào)電流與失調(diào)電壓引起的輸出電壓誤差，

rf’為輸出部分運(yùn)算放大器的正向輸入端與地之間的采樣電阻

r3’為輸出部分運(yùn)算放大器的反向輸入端所連接的輸入電阻

r4’為輸出部分運(yùn)算放大器的正向輸入端與輸出端之間的采樣電阻

uio’為輸出部分運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓

ib1’為輸出部分運(yùn)算放大器正向輸入端的失調(diào)電流

ib2’為輸出部分運(yùn)算放大器負(fù)向輸入端的失調(diào)電流

uio’為所述運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓。

輸出部分運(yùn)算放大器溫度漂移產(chǎn)生的誤差表達(dá)式為：

tcv’為輸出部分運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移

tcib1’為輸出部分運(yùn)算放大器正向輸入端的失調(diào)電流溫度漂移

tcib2’為輸出部分運(yùn)算放大器負(fù)向輸入端的失調(diào)電流溫度漂移

△t為溫度漂移量

從而可以得到輸出電壓進(jìn)行誤差修正后的表達(dá)式為

d2為dac階段電壓-電壓轉(zhuǎn)換器所需輸出電壓的對(duì)應(yīng)數(shù)字值，n2為da轉(zhuǎn)換器位數(shù)，u2為da轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

綜合上述各參數(shù)誤差，進(jìn)一步對(duì)最終模擬電阻經(jīng)過(guò)誤差修正后的表達(dá)式為

其中

k1表示輸入電壓幅值和阻抗變換部分轉(zhuǎn)換系數(shù)；

k2表示輸出驅(qū)動(dòng)部分轉(zhuǎn)換系數(shù)；

根據(jù)上述公式，可以準(zhǔn)確計(jì)算出電路的整體誤差，然后將所述公式植入處理器中進(jìn)行補(bǔ)償，則可精確控制輸出電壓等于設(shè)定電壓。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，盡管本說(shuō)明書(shū)中使用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但這些術(shù)語(yǔ)僅僅是為了方便說(shuō)明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。