一種輸入電流型模擬電阻器及電阻控制方法與流程

文檔序號：11581325閱讀：680來源：國知局

本發(fā)明涉及伺服電氣元件領域，具體的涉及一種輸入電流型模擬電阻器。

背景技術：

現(xiàn)有的可變電阻器有電阻箱、機械電位器、數(shù)字電位器這些傳統(tǒng)電阻箱均為手動可變電阻值，很難自動調(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，(通過給定的輸入激勵電流)，調(diào)節(jié)輸出電壓以實現(xiàn)合成電阻阻值的控制。其中輸出電壓等于激勵電流乘以合成電阻，即輸出電壓與激勵電流成正比，與設置的合成電阻成正比，具體如圖1所示，通過電流測量部件測量激勵電流ii的大小，再根據(jù)合成電阻設置值rx，設置程控電壓源輸出的直流電壓uo，其中uo＝ii×rx。

該程控方案的核心原理是通過將固定輸入電流轉變?yōu)殡妷汉笏腿氲絛ac的參考端，作為輸出dac的參考電壓，該方案的不足在于通過調(diào)節(jié)dac的參考電壓，使得dac本身在不同的電阻值下產(chǎn)生的誤差存在非線性，通過修正很難解決由此引入的誤差，導致最終得到的模擬電阻的穩(wěn)定性不太理想。

因為任何dac和adc的精度嚴重依賴于基準的性能。如果將輸入作為dac參考基準使得整個輸出dac的精度得不到保證。

技術實現(xiàn)要素：

基于以上方法中存在的問題，本發(fā)明的技術方案通過adc采集前端固定輸入電流，根據(jù)電阻設置值，輸出端通過dac給出相應電壓值，達到模擬電阻目的，通過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參考電壓引起的非線性誤差，雖然前端又引入了一個adc，通過合理的設計，前端adc引入的誤差為線性誤差，比較容易進行修正從而達到輸出模擬電阻穩(wěn)定的目的。此外，還可再結合誤差產(chǎn)生的原因，進行針對性的分析和去除，減小擬合的難度和工作量。

并且由于數(shù)字域里實現(xiàn)比模擬域里更高精度、更高可靠和更低價格的各種信號處理功能，數(shù)字抑制噪聲的能力遠大于模擬信號，在模擬信號的存儲和傳輸過程中，噪聲和失真會被累積，從而對信號的處理產(chǎn)生不良的效果，而在數(shù)字域里，數(shù)字信號可以無損地存儲和傳輸，這也是本發(fā)明技術方案的另一優(yōu)勢。

具體為一種輸入電流型模擬電阻器，其特征在于：包括依次串聯(lián)連接的電流源、電流-電壓轉換器、ad轉換器、處理器、da轉換器和電壓-電壓轉換器，其中處理器接收ad轉換器輸入的電壓值，再根據(jù)目標電阻阻值控制da轉換器的輸出，使其輸出相應的電壓信號通過電壓-電壓轉換器控制生成所需要的電壓。

進一步地，其特征在于：所述電流-電壓轉換器包括一運算放大器，其正向輸入端連接有電流源，同時還連接有高精度固定值電阻rref，反向輸入端連接至與輸出端連接的串聯(lián)采樣電阻r1與r2之間的連接點。

進一步地，其特征在于：對于模擬電阻值的修正按照如下計算方式進行：其中rx為所需模擬的電阻器阻值，其中ua表示輸入端電壓值，ub表示輸出端電壓值，輸入電流為ii，rref為電流-電壓轉換器中運算放大器正向輸入端所連接的取樣電阻阻值。

進一步地，其特征在于：對于模擬電阻值的修正，在考慮所述運算放大器的失調(diào)電流和失調(diào)電壓的情況下，運算放大器的實際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為：

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

在處理器匯總將其誤差予以補償。

進一步地，其特征在于：對于模擬電阻值的修正，還要考慮所述第一運算放大器的溫度漂移的情況下，第一運算放大器的的誤差，并將其誤差在處理器中補償，該誤差計算公式為：

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。

進一步地，其特征在于：

還要考慮ad轉換器和da轉換器的轉換誤差，其公式分別為：

δuadc＝nadculsbadc；

δudac＝ndaculsbdac；

其中，ulsbadc、ulsbdac分別指adc、dac輸入數(shù)字量最低位為1，其余為0時對應的轉換電壓，即

其中n1，n2分別表示adc、dac轉換數(shù)據(jù)最大位數(shù)

nadc根據(jù)實測adc誤差確定,ndac根據(jù)實測dac誤差確定。

進一步地，其特征在于：所述電阻模擬器的還要考慮第二運算放大器失調(diào)電流與失調(diào)電壓導致的誤差，其計算方式如下：

其中，r1’為輸出部分運算放大器的負向輸入端與地之間的采樣電阻

r2’為輸出部分運算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻

rf’為輸出部分運算放大器的正向輸入端與輸出端之間的采樣電阻

uio’為輸出部分運算放大器的失調(diào)電壓

ib1’為輸出部分運算放大器正向輸入端的失調(diào)電流

ib2’為輸出部分運算放大器負向輸入端的失調(diào)電流

進一步地，其特征在于：所述電阻模擬器還要考慮輸出驅動部分的第二運算放大器溫度漂移產(chǎn)生的誤差

其中，tcv’為輸出部分運算放大器的失調(diào)電壓溫度漂移

tcib1’為輸出部分運算放大器正向輸入端的失調(diào)電流溫度漂移

tcib2’為輸出部分運算放大器負向輸入端的失調(diào)電流溫度漂移

t為溫度漂移量

進一步地，其特征在于：模擬電阻值的計算公式如下：

其中，電流-電壓變換比率為k1，電壓-電壓變換比率為k2。

本發(fā)明還提供一種輸入電流型模擬電阻器的電阻控制方法，其特征在于：采用上述任一方案所述的電壓型模擬電阻器，對其電阻控制采用擬合和誤差消除結合的方法進行。

附圖說明

圖1現(xiàn)有技術中模擬電阻器原理圖

圖2本發(fā)明的輸入電流型模擬電阻器的原理框圖

圖3(a)本發(fā)明的輸入電流型模擬電阻器的電路結構圖

圖3(b)本發(fā)明的輸入電流型模擬電阻器的等效電路圖

圖4電流-電壓轉換部分的誤差分析模型

圖5電壓-電壓轉換器部分的誤差分析模型

具體實施方式

結合具體實施例對本發(fā)明進行具體說明如下：

本發(fā)明的框圖如圖2所示，首先，電流電壓轉換器采集輸入電流ii并將其轉換為電壓信號，使之滿足ad轉換器的輸入要求；高精度ad轉換器采集該電壓并輸入到嵌入式處理器中，嵌入式處理器對電壓使用濾波、誤差校正等算法進行處理，再根據(jù)所設定的目標合成電阻阻值rx控制da轉換器的輸出，使其輸出相應的電壓信號，同時通過輸出設備顯示電壓、電流和電阻值；最后，電壓-電壓轉換器將da轉換器輸出的電壓轉換為電壓輸出ub。

對于本發(fā)明的電流激勵電路模擬電阻值的電路中，電流電壓變換器中的電流-電壓變換比率為k1，前端adc位數(shù)n1，adc的參考電壓為u1，嵌入式處理器讀取的電流-電壓變換后輸出的電壓經(jīng)過ad轉換器變換后的數(shù)值為d1；后端dac位數(shù)為n2，dac的參考電壓為u2，電壓-電壓轉換器所需輸出電壓的對應數(shù)字值為d2，電壓-電壓變換比率為k2，計算模擬電阻rx的方法如下：

即根據(jù)前端adc獲取的數(shù)字值d1和處理器輸出給后端dac的數(shù)字值d2以及輸入的電流值ii來計算模擬電阻值。圖5為本發(fā)明技術方案中嵌入式處理器連接的輸出電壓驅動電路，其包含了dac和電壓-電壓轉換器，輸出電壓驅動電路最終輸出的電壓為ub，輸出電流為ii，通過前端adc采集后，后端通過設置電阻值，采用嵌入式處理器控制輸出dac數(shù)字信號值d2，通過輸出緩沖驅動電路，從而實現(xiàn)模擬電阻。

通過進一步對電路誤差分析，主要包括輸入電流-電壓轉換電路失調(diào)電壓和失調(diào)電流以及溫度漂移的影響，adc和dac轉換誤差的影響，輸出電壓-電壓轉換電路失調(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，可以考慮通過最終的校準擬合來消除。具體方法為，處理器接收ad轉換器輸入的電壓值，再根據(jù)目標電阻阻值控制da轉換器的輸出,使其輸出相應的電壓信號控制生成所需要的電壓。通過多次輸入及多次輸出值調(diào)整，來對調(diào)整值進行擬合(例如采用最小二乘法)，最終確定調(diào)整公式。

不過，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雜，要想準確擬合，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合的方式來實現(xiàn)精確電阻值的方法。

其中，輸入端包括一個取樣電阻法電流測量電路的誤差，建立誤差分析模型如圖4所示，設兩個輸入端失調(diào)電流為ib1和ib2，所謂失調(diào)電流是指運算放大器的兩端在理想狀態(tài)為“虛斷”，但在實際電路中，運算放大器的正負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，運算放大器的正負輸入端的電壓是相同時，輸出電壓就等于0，但是實際中，運算放大器必須在一個輸入端額外施加一個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)電壓都可以通過預先測量獲得，所以，在使用前通過對adc階段的運算放大器輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電壓的預先測定，可以獲得ib1、ib2以及uio，從圖4可以看出，設運放輸入端電壓分別為u+和u-，流過電阻r1和r2的電流分別為i1和i2。通過分析可以得到以下方程式：

u+＝(ii-ib1)·rref+uio

u-＝i1r1

i2＝i1+ib2

u+＝u-

由上式可以得到

其中u+為電流-電壓轉換部分的第一運算放大器正輸入端處的電壓值，u-為電流-電壓轉換部分的第一運算放大器負輸入端處的電壓值，輸入電流型模擬電阻器的輸入電流為ii，電阻r1為電流-電壓轉換部分的第一運算放大器的反向輸入端與地之間的采樣電阻，電阻r2為電流-電壓轉換部分的第一運算放大器的反向輸入端與輸出端之間的采樣電阻，電阻rref為電流-電壓轉換部分的第一運算放大器的正向輸入端所連接的高精度固定值電阻，電壓uo’為電流-電壓轉換部分的第一運算放大器的輸出端電壓。

而如果將電流-電壓轉換部分的第一運算放大器當做理想的運算放大器來處理，不考慮失調(diào)電壓和失調(diào)電流的情況，則此時運第一算放大器的輸出電壓值為為理想情況下的輸出電壓值。

那么，有運算放大器失調(diào)電壓和失調(diào)電流的存在，導致電流-電壓轉換部分的第一運算放大器的實際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為

通過在嵌入式處理器中對該誤差進行修正可得到對輸入電流-電壓轉換電路修正過得模擬電阻值。

同時，在上述誤差修正的基礎上，進一步考慮溫度漂移對輸入電流型模擬電阻器帶來的影響。

設輸入失調(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，可以得到由于溫度漂移帶來的誤差方程式為

u+＝(ii-tcib1δt)·rref+tcvδt

u-＝i1r1

i2＝i1+tcib2δt

u+＝u-

由此可以計算得到在具有溫度漂移的情況下，adc階段的運算放大器的輸出電壓為：

理想情況下電流-電壓轉換部分的第一運算放大器的輸出電壓值為：

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

實際adc采集到的電壓為

通過在嵌入式處理器中對實際測得uo’進行修正，從而提高輸出模擬電阻精度。

接下來，對ad轉換器和da轉換誤差進行分析

實際上ad轉換器和da轉換器都存在轉換誤差，分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因有，基準源的不穩(wěn)定，運放的零點漂移，模擬開關導通時的內(nèi)阻和壓降以及電阻網(wǎng)絡中阻值的偏差等。動態(tài)誤差則是在轉換的動態(tài)過程中產(chǎn)生的附加誤差，它是由于電路中分布參數(shù)的影響，使各位的電壓信號到達解碼網(wǎng)絡輸出端的時間不同所致。通常轉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時對應的轉換電壓值，即

其中n為adc或者dac的最大轉換位數(shù)；

通過adc誤差分析后，進入嵌入式處理器后，實際修正后的電壓值ua’為

其中，d1為嵌入式處理器讀取的adc階段運算放大器進行電流-電壓變換后輸出的電壓經(jīng)過ad轉換器變換后的數(shù)值，n1為ad轉換器位數(shù)，u1為ad轉換器的參考電壓。

δuop11-輸入失調(diào)電流和失調(diào)電壓導致的誤差；

tc11δt-輸入部分溫度漂移導致的誤差；

nadculsbadc-ad轉換器導致的轉換誤差；

nadc根據(jù)實測adc誤差確定。

進一步對輸出部分dac誤差進行分析，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

進一步對輸出電壓-電壓轉換部分誤差分析，該部分誤差模型圖如圖5所示