輸入電壓型模擬電阻器及電阻控制方法與流程
2024-03-02 08:16:15
本發明涉及伺服電氣元件領域，具體的涉及一種輸入電壓型模擬電阻器。
背景技術：
現有的可變電阻器有電阻箱、機械電位器、數字電位器這些傳統電阻箱均為手動可變電阻值，很難自動調節。為了可以程控調節，也出現了一些程控模擬電阻，最常用方式為數字合成技術，通過輸入固定的電流，程控改變輸出電壓的方法來模擬電阻，這樣就實現了電阻值的自動轉換。
該程控方案的核心原理是通過將固定輸入電壓通過轉換後送入到dac的參考端，作為輸出dac的參考電壓，該方案的不足在於通過調節dac的參考電壓，使得dac本身在不同的電阻值下產生的誤差不穩定，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定性不太理想。
因為任何dac和adc的精度嚴重依賴於基準的性能。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。
技術實現要素：
基於以上方法中存在的問題，本專利方案通過adc採集前端固定輸入電壓，根據電阻設置值，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和後端dac均工作在最佳狀態，從而規避了去調節adc和dac參考電壓引起誤差，雖然前端又引入了一個adc，通過本發明的方案設計，前端adc引入的誤差遠小於調節參考電壓引起的誤差，從而達到輸出模擬電阻穩定的目的。並且，再結合誤差產生的原因，進行針對性的分析和去除，減小擬合的難度和工作量。
還有在數字域裡實現比模擬域裡更高精度、更高可靠和更低價格的各種信號處理功能，數字抑制噪聲的能力遠大於模擬信號，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生不良的效果，而在數字域裡，數位訊號可以幾乎無損地存儲和傳輸。
具體而言，本發明提供一種輸入電壓型模擬電阻器，其特徵在於：包括依次輸入的電壓源、電壓幅值和阻抗變換、ad轉換器、處理器、da轉換器和輸出驅動部分，其中處理器接收ad轉換器輸入的電壓值，再根據目標電阻阻值控制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。
進一步地，其特徵在於：所述模擬電阻計算方式如下進行：
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電流值。
進一步地，其特徵在於：其中，d1為處理器讀取的電壓幅值和阻抗變換後輸出的電壓經過ad轉換器變換後的數值，n1為ad轉換器位數，u1為ad轉換器的參考電壓。
進一步地，其特徵在於：其中，d2為輸出驅動部分所需輸出電壓的對應數字值，n2為da轉換器位數，u2為da轉換器的參考電壓。
進一步地，其特徵在於：對於模擬電阻值的修正，在考慮所述運算放大器的失調電流和失調電壓的情況下，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電壓，失調電流為ib1和ib2為所述運算放大器正向、負向輸入端的失調電流。
進一步地，其特徵在於：對於模擬電阻值的修正，在考慮所述運算放大器的溫度漂移的情況下，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，輸入失調電流ib1、ib2的溫度漂移分別為tcib1和tcib2，輸入失調電壓uio溫度漂移為tcv。
進一步地，其特徵在於：在考慮ad轉換器的轉換誤差的情況下：
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後輸出的電壓經過ad轉換器變換後的數值，n1為ad轉換器位數，u1為ad轉換器的參考電壓。
δuopp-輸入失調電流和失調電壓導致的誤差；
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根據實測adc誤差確定。
進一步地，其特徵在於：所述電阻模擬器的實際輸出電壓值u0的計算方式如下：
其中，d2為輸出驅動部分所需輸出電壓的對應數字值，n2為da轉換器位數，u2為da轉換器的參考電壓，tcp△t為輸出驅動部分溫度漂移帶來的輸出電壓誤差，ndaculsbdac為da轉換器導致的轉換誤差。
進一步地，其特徵在於：模擬電阻值的計算公式如下：
k1表示輸入電壓幅值和阻抗變換部分轉換係數；
k2表示輸出驅動部分轉換係數。
附圖說明
圖1現有技術中輸入電壓型模擬電阻原理圖；
圖2是本發明的輸入電壓型模擬電阻電路框圖；
圖3是本發明的輸入電壓型模擬電阻電路原理圖；
圖4是本發明的電壓幅值和阻抗變換電路誤差模型圖；
圖5是本發明的輸出驅動部分誤差模型圖。
具體實施方式
為了使本技術領域人員更好的理解本發明，下面結合附圖和實施方法對本發明作進一步的詳細描述。
如圖2所示，示出了本發明的電壓激勵電阻器電路框圖，首先，電壓幅值和阻抗變換電路(具體電路如圖4所示)採集輸入電壓ui的信號，並將信號進行調理，以滿足ad轉換器的輸入要求；隨後，高精度ad轉換器採集該電壓並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，再根據所設定的合成電阻阻值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；最後，使用輸出驅動電路將da轉換器輸出的電壓信號傳送到輸出口。
如圖3所示，示出了本發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(相對於輸出參考點)；
i0表示取樣電阻中流過電流值；
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換係數；
k2表示輸出驅動部分轉換係數；
d1表示adc部分輸出數字量；
d2表示dac部分輸入數字量；
從以上表達式可以看出，影響最終電阻輸出量精度的參數有與輸入運放相關的電壓幅值及阻抗變換電路參數、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動電路參數。
進一步對電路誤差進行分析，主要包括輸入幅值和阻抗變換部分失調電壓和失調電流以及溫度漂移的影響，adc和dac轉換誤差的影響，輸出驅動部分失調電壓和失調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整，來對調整值進行擬合(例如採用最小二乘法)，最終確定調整公式。
不過，即使為線性誤差，但是由於誤差的原因較多，其整合的誤差曲線也非常複雜，要想準確擬合，數據量需要很大，鑑於此，本發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精確電阻值的方法。
1)首選來說，可以對輸入幅值和阻抗變換電路誤差分析
對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，兩個輸入端失調電流為ib1和ib2，所謂失調電流是指運算放大器的兩端在理想狀態為「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，此電流就是失調電流，輸入失調電壓為uio，此處所謂的失調電壓是指在理想狀態下，運算放大器的正負輸入端的電壓是相同時，輸出電壓就等於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於0v，該微小電壓即為失調電壓，需要指出的是，失調電流和失調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電流和輸入失調電壓的預先測定，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+＝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+為輸入部分運算放大器正輸入端處的電壓值，u-為輸入部分運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為輸入部分運算放大器的反向輸入端與地之間的採樣電阻，電阻r2為輸入部分運算放大器的反向輸入端與輸出端之間的採樣電阻，電阻rf為輸入部分運算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻，電壓uo』為輸入部分運算放大器的輸出端電壓。
而如果將輸入部分的運算放大器當做理想的運算放大器來處理，不考慮失調電壓和失調電流的情況，則理想情況下輸入部分的運算放大器的輸出電壓值為：
那麼，有運算放大器失調電壓和失調電流的存在，導致adc階段運算放大器的實際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為
r1為輸入部分運算放大器的反向輸入端與地之間的採樣電阻
r2為輸入部分運算放大器的反向輸入端與輸出端之間的採樣電阻
rf為輸入部分運算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻
uio為輸入部分運算放大器的失調電壓
ib1為輸入部分運算放大器正向輸入端的失調電流
ib2為輸入部分運算放大器負向輸入端的失調電流
uio為所述運算放大器的失調電壓，ib1和ib2為所述運算放大器正向、負向輸入端的失調電流。
根據上述公式，通過在嵌入式處理器中對該誤差進行修正可得到修正後的模擬電阻值，同時，再使用校準擬合來進行修正。由於少了一項誤差，數據的整體誤差就相對簡單一些，擬合起來更加快速準確。
2)其次，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溫度漂移帶來的誤差影響
設輸入失調電流ib1和ib2的溫度漂移分別為tcib1和tcib2，輸入失調電壓uio溫度漂移為tcv，可得到溫度漂移帶來的誤差方程式為：
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算放大器的輸出電壓值為：
分析可知，在具有失調電壓和失調電流的情況下，由於溫度漂移導致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：
r1為輸入部分運算放大器的反向輸入端與地之間的採樣電阻
r2為輸入部分運算放大器的反向輸入端與輸出端之間的採樣電阻
rf為輸入部分運算放大器的正向輸入端所連接的輸入電阻
tcv為輸入部分運算放大器的失調電壓溫度漂移
tcib1為輸入部分運算放大器正向輸入端的失調電流溫度漂移
tcib2為輸入部分運算放大器負向輸入端的失調電流溫度漂移
△t為溫度漂移量
通過以上兩部分的分析可知，實際adc採集到的電壓為
根據上述公式，通過在嵌入式處理器中對這兩項誤差進行修正可得到修正後的模擬電阻值。由於少了兩項誤差，數據的整體誤差就相對更為簡單，擬合起來更加快速準確。
3)再次，進一步考慮adc階段的ad轉換器和dac階段的da轉換誤差
實際上ad轉換器和da轉換器都存在轉換誤差，分為靜態誤差和動態誤差。產生靜態誤差的原因有，基準源的不穩定，運放的零點漂移，模擬開關導通時的內阻和壓降以及電阻網絡中阻值的偏差等。動態誤差則是在轉換的動態過程中產生的附加誤差，它是由於電路中分布參數的影響，使各位的電壓信號到達解碼網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的倍數表示，即
δuo＝nulsb
其中，ulsb指adc和dac數字量最低位為1，其餘為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；
通過adc誤差分析後，進入嵌入式處理器實際修正後的電壓值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後輸出的電壓經過ad轉換器變換後的數值，n1為ad轉換器位數，u1為ad轉換器的參考電壓。
δuopp-輸入失調電流和失調電壓導致的誤差；
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生的原因同上述adc階段的誤差分析一致。
δudac＝ndaculsbdac
同理，通過在嵌入式處理器中對這三種類型的誤差進行修正再進行校準擬合。
4)最後考慮輸出驅動部分誤差
該部分的誤差模型如圖5所示，其與圖4類似。通過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
可以得到輸出驅動部分輸出電壓的誤差為
△uopo『為輸出部分運算放大器失調電流與失調電壓引起的輸出電壓誤差，
rf』為輸出部分運算放大器的正向輸入端與地之間的採樣電阻
r3』為輸出部分運算放大器的反向輸入端所連接的輸入電阻
r4』為輸出部分運算放大器的正向輸入端與輸出端之間的採樣電阻
uio』為輸出部分運算放大器的失調電壓
ib1』為輸出部分運算放大器正向輸入端的失調電流
ib2』為輸出部分運算放大器負向輸入端的失調電流
uio』為所述運算放大器的失調電壓。
輸出部分運算放大器溫度漂移產生的誤差表達式為：
tcv』為輸出部分運算放大器的失調電壓溫度漂移
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電流溫度漂移
△t為溫度漂移量
從而可以得到輸出電壓進行誤差修正後的表達式為
d2為dac階段電壓-電壓轉換器所需輸出電壓的對應數字值，n2為da轉換器位數，u2為da轉換器的參考電壓。
綜合上述各參數誤差，進一步對最終模擬電阻經過誤差修正後的表達式為
其中
k1表示輸入電壓幅值和阻抗變換部分轉換係數；
k2表示輸出驅動部分轉換係數；
根據上述公式，可以準確計算出電路的整體誤差，然後將所述公式植入處理器中進行補償，則可精確控制輸出電壓等於設定電壓。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語僅僅是為了方便說明，並不對本發明構成任何限制。