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流型模擬電阻器。

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)給定的輸入激勵(lì)電流)，調(diào)節(jié)輸出電壓以實(shí)現(xiàn)合成電阻阻值的控制。其中輸出電壓等于激勵(lì)電流乘以合成電阻，即輸出電壓與激勵(lì)電流成正比，與設(shè)置的合成電阻成正比，具體如圖1所示，通過(guò)電流測(cè)量部件測(cè)量激勵(lì)電流ii的大小，再根據(jù)合成電阻設(shè)置值rx，設(shè)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(guò)將固定輸入電流轉(zhuǎn)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(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)生的誤差存在非線性，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，本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)adc采集前端固定輸入電流，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參考電壓引起的非線性誤差，雖然前端又引入了一個(gè)adc，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，前端adc引入的誤差為線性誤差，比較容易進(jìn)行修正從而達(dá)到輸出模擬電阻穩(wěn)定的目的。此外，還可再結(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。

并且由于數(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)可以無(wú)損地存儲(chǔ)和傳輸，這也是本發(fā)明技術(shù)方案的另一優(yōu)勢(shì)。

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(zhuǎn)換器、ad轉(zhuǎn)換器、處理器、da轉(zhuǎn)換器和電壓-電壓轉(zhuǎn)換器，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)通過(guò)電壓-電壓轉(zhuǎn)換器控制生成所需要的電壓。

進(jìn)一步地，其特征在于：所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器包括一運(yùn)算放大器，其正向輸入端連接有電流源，同時(shí)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(diǎn)。

進(jìn)一步地，其特征在于：對(duì)于模擬電阻值的修正按照如下計(jì)算方式進(jìn)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(zhuǎn)換器中運(yùn)算放大器正向輸入端所連接的取樣電阻阻值。

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，

在處理器匯總將其誤差予以補(bǔ)償。

進(jìn)一步地，其特征在于：對(duì)于模擬電阻值的修正，還要考慮所述第一運(yùn)算放大器的溫度漂移的情況下，第一運(yùn)算放大器的的誤差，并將其誤差在處理器中補(bǔ)償，該誤差計(jì)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(jìn)一步地，其特征在于：

還要考慮ad轉(zhuǎn)換器和da轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓，即

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

nadc根據(jù)實(shí)測(cè)adc誤差確定,ndac根據(jù)實(shí)測(cè)dac誤差確定。

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

其中，r1’為輸出部分運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入端與地之間的采樣電阻

r2’為輸出部分運(yùn)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(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

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

其中，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

進(jìn)一步地，其特征在于：模擬電阻值的計(jì)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(duì)其電阻控制采用擬合和誤差消除結(jié)合的方法進(jìn)行。

附圖說(shuō)明

圖1現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換部分的誤差分析模型

圖5電壓-電壓轉(zhuǎn)換器部分的誤差分析模型

具體實(shí)施方式

結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說(shuō)明如下：

本發(fā)明的框圖如圖2所示，首先，電流電壓轉(zhuǎn)換器采集輸入電流ii并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，使之滿足ad轉(zhuǎn)換器的輸入要求；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)定的目標(biāo)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，電壓-電壓轉(zhuǎn)換器將da轉(zhuǎn)換器輸出的電壓轉(zhuǎn)換為電壓輸出ub。

對(duì)于本發(fā)明的電流激勵(lì)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(guò)ad轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器所需輸出電壓的對(duì)應(yīng)數(shù)字值為d2，電壓-電壓變換比率為k2，計(jì)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(lái)計(jì)算模擬電阻值。圖5為本發(fā)明技術(shù)方案中嵌入式處理器連接的輸出電壓驅(qū)動(dòng)電路，其包含了dac和電壓-電壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓驅(qū)動(dòng)電路最終輸出的電壓為ub，輸出電流為ii，通過(guò)前端adc采集后，后端通過(guò)設(shè)置電阻值，采用嵌入式處理器控制輸出dac數(shù)字信號(hào)值d2，通過(guò)輸出緩沖驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)模擬電阻。

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)電路誤差分析，主要包括輸入電流-電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換誤差的影響，輸出電壓-電壓轉(zhuǎn)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(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。

其中，輸入端包括一個(gè)取樣電阻法電流測(cè)量電路的誤差，建立誤差分析模型如圖4所示，設(shè)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+＝(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(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)算放大器正輸入端處的電壓值，u-為電流-電壓轉(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)算放大器負(fù)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(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)算放大器的反向輸入端與地之間的采樣電阻，電阻r2為電流-電壓轉(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)算放大器的反向輸入端與輸出端之間的采樣電阻，電阻rref為電流-電壓轉(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)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(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)算放大器的輸出端電壓。

而如果將電流-電壓轉(zhuǎn)換部分的第一運(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，則此時(shí)運(yùn)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(yùn)算放大器失調(diào)電壓和失調(diào)電流的存在，導(dǎo)致電流-電壓轉(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)算放大器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓的誤差為

通過(guò)在嵌入式處理器中對(duì)該誤差進(jìn)行修正可得到對(duì)輸入電流-電壓轉(zhuǎn)換電路修正過(guò)得模擬電阻值。

同時(shí)，在上述誤差修正的基礎(chǔ)上，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。

設(shè)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(lái)的誤差方程式為

u+＝(ii-tcib1δt)·rref+tcvδt

u-＝i1r1

i2＝i1+tcib2δt

u+＝u-

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

理想情況下電流-電壓轉(zhuǎn)換部分的第一運(yùn)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(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：

實(shí)際adc采集到的電壓為

通過(guò)在嵌入式處理器中對(duì)實(shí)際測(cè)得uo’進(jìn)行修正，從而提高輸出模擬電阻精度。

接下來(lái)，對(duì)ad轉(zhuǎn)換器和da轉(zhuǎn)換誤差進(jìn)行分析

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)入嵌入式處理器后，實(shí)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(yùn)算放大器進(jìn)行電流-電壓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。

δuop11-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

進(jìn)一步對(duì)輸出電壓-電壓轉(zhuǎn)換部分誤差分析，該部分誤差模型圖如圖5所示

可以得到電壓-電壓轉(zhuǎn)換部分輸出電壓的誤差為

δuopp-輸出部分電壓-電壓部分由于失調(diào)電流與失調(diào)電壓導(dǎo)致的輸出電壓誤差，上述公式中的ib1’、ib2’、uio’、r1’、r2’都是輸出部分第二運(yùn)算放大器處的參數(shù)，其含義與輸入部分運(yùn)算放大器出的參數(shù)對(duì)應(yīng)，具體為。

r1’為輸出部分運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入端與地之間的采樣電阻

r2’為輸出部分運(yùn)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(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

溫度漂移產(chǎn)生的誤差表達(dá)式為

tcpδt-輸出部分電壓-電壓轉(zhuǎn)換部分溫度漂移帶來(lái)的輸出電壓誤差，上式中的各參數(shù)的含義是與輸入部分對(duì)應(yīng)參數(shù)在輸出部分的類似表達(dá)。

從而可以得到輸出電壓進(jìn)行誤差修正后的表達(dá)式

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。

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：

其中，電流-電壓變換比率為k1，電壓-電壓變換比率為k2。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。