CN110967548A - 一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置和工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置和方法，所述装置包括：通讯接口电路模块、控制单元和可变电阻通道，其特征在于，包括多个并行的可变电阻通道；所述可变电阻通道包括：DAC模块、运放电路模块、ADC模块。本发明易于人为程控，电阻值精度高，应用范围更广阔，电阻值更新速率快，能够模拟出各种电阻值曲线；输出电阻值与流经的测试电流无关；并且具备检测测试电流大小的功能。

Description

一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置和工作方法

技术领域

本发明涉及自控与测试技术领域，特别是指一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置和工作方法。

背景技术

在轨道交通、航空航天等工业领域广泛应用着阻性传感器件，如用来监测发动机各处轴承温度的PT100、PT1000铂热电阻传感器，其将温度信息转化为阻值信号进行传递，控制***需要具有相应的阻值监控***来完成对这些阻值信号的检测，阻值信号的检测方式主要是通过将传感器电阻至于恒流源或恒压源电路当中通过采集电阻两端电压来完成。在这些阻值监控***的开发研制和故障检验过程当中，需要提供各种各样的阻值信号对这些监控***进行充分试验，以验证***设计的功能正确性和完备性，对***的性能进行标定，并在***出现故障时提供帮助及时检验排查故障原因与故障部位。这些需要提供的阻值信号往往数量众多，阻值多样可变，有时还需要形成各种非线性的阻值曲线。单纯依靠实际所使用的阻值传感器不仅其本身成本高昂，而要使传感器产生各种各样的阻值信号，需要使传感器工作在各种特定的环境当中，要达成这种条件难度可想而知。因此，业界主要采用能够模拟出阻值传感器信号的各种可变电阻装置和***来替代。

目前存在的可变电阻装置主要有以下几种：(1)传统电阻箱，其体积笨重，操作复杂，在多通道阻值模拟时难以满足自动化测试的需求。(2)数字电位器，也叫数控可编程电阻器，其内部结构原理类似于滑动变阻器，目前市场上数字电位器最高10位分辨率，端对端电阻在1KΩ以上，步进电阻较大，且端对端电阻误差较大，通常可达到20％。(3)可编程电阻阵列，其为多个高精度电阻与继电器排列组合，通过逻辑芯片控制各个继电器的通断，达到特定的阻值输出。该方法能得到很高精度的电阻输出，但由于采用大量的高精度电阻和继电器，价格高昂。特别在多路通道要求下，成本更高，占用空间更大，且更新电阻阻值时，需要完成大量继电器动作，更新速率较慢，阻值更新跳变不连续。(4)压控电阻，其通过控制模拟输出的两端电压或流过的电流大小来实现对电阻特性的模拟，使输出端等效于各种阻值的电阻。这种方法易于控制，阻值更新快，很容易能输出各种各样的阻值曲线，而且成本低廉，易于集成多通道。但目前这类装置要么只适用于采用固定恒流源的阻值监控***，要么只适用于采用恒压源的阻值监控***，当所应用的阻值监控***种类和参数未知的时候，便无法应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置和工作方法。针对轨道交通、航空测试等领域小电流测试***中(检测通过的电流大小在数十毫安以内)电阻负载的模拟。

基于上述目的，本发明提供了一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置，所述装置包括：通讯接口电路模块、控制单元和可变电阻通道，所述装置还包括：多个并行的可变电阻通道；所述可变电阻通道包括：DAC模块、运放电路模块和ADC模块。

所述DAC模块根据检测需要采用串行输入或并行输入；所述控制单元向所述DAC模块提供时钟信号、控制信号和输入数据；所述运放电路模块向所述DAC模块提供第一参考电压；所述DAC模块向所述运放电路模块输出电压。

所述输入数据为十进制且大小为D，所述第一参考电压为Vref，所述DAC模块精度为N，所述输出电压Vo1＝Vref*D/2^N。

所述运放电路模块的电路特性相当于一个可变等效电阻R。

所述可变等效电阻R只与所述DAC模块输入数据D和所述运放电路模块内部电路所采用固定电阻值有关。

所述运放电路模块包括：比例放大电路和比例减法器电路；

所述比例放大电路包括第一运算放大器U2A及其周围的五号电阻R5、六号电阻R6、七号电阻R7和采样电阻Rs，U2A同相输入为所述DAC模块输出电压Vo1，测试电流I从输入端点a输入，输出端点b输出，所述a、b两点间电压为Vo；

所述比例减法器电路包括：第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D及其周围第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第八电阻R8、第九电阻R9；

所述Rs一端串联到测试电流输入端，另一端串联到所述U2A输入端和所述U2D的正极输出端，所述R5和R6并联到所述U2A正极输出端，所述R7一端串联到所述U2A负极输出端，另一端串联到所述U2C的正极输出端，

所述R1和R2并联到所述U2B的正极输出端，所述R1另外一端串联到所述U2C的输入端，所述R3一端串联到所述U2B的负极输出端，另一端串联到所述U2D的输入端，

所述R4一端串联到所述U2B的输入端，另一端串联到所述U2B的负极输出端，

所述R8一端串联到所述U2C的输入端，另一端串联到所述U2C的负极输出端，

所述R9一端串联到所述U2D的输入端，另一端串联到所述U2D的负极输出端，

所述R1和所述R8是串联，所述R3、所述R4和所述R9是串联。

所述测试电流经过所述运放电模块后，输入端点与输出端点检测的电压Vo＝Vo1*R6/(R5+R6)；当R2/R1＝R4/R3时，所述第一参考电压Vref＝I*Rs*R2/R1；所述可变等效电阻R＝Vo/I＝Rs*(R2/R1)*(R6/(R5+R6))*D/2^N；所述可变等效电阻R的取值范围是0～Rs*R2/R1。

所述ADC模块根据检测需要采用串行输入或并行输入；所述控制单元向所述ADC模块提供时钟信号、控制信号；所述运放电路模块向所述ADC模块提供模拟输入电压；所述ADC模块输入的第二参考电压为定值；所述ADC模块向所述运放电路模块输出数据，获得测试电流。

所述ADC模块输入的第二参考电压为V1，所述ADC模块精度为X，所述ADC模块输出数据D1＝2^X*Vref/V1＝2^X*(IRs*R2)/(R1*V1)，获得所述测试电流I＝(V1/Rs)*(R1/R2)*D1/2^X。

一种带有电流检测功能的程控可变电阻的工作方法，包括：

外部控制***发送电阻通道个数、电阻值设置等指令数据给所述装置的通讯接口电路模块；

所述装置的所述通讯接口电路模块将指令数据传输到所述装置的控制单元；

所述装置的控制单元判断是否收到指令数据，若确认收到有效指令数据则进行下一步，否则返回所述装置的通讯接口电路模块继续等待新的指令数据传送；

所述装置的控制单元解析有效指令数据，将有效指令数据传输给所述可变电阻通道中的DAC模块和ADC模块，所述DAC模块生成控制和时钟等信号并输出给所述可变电阻通道，设置所述可变电阻通道的运放电路模块的电阻值；

测试电流输入所述可变电阻通道的运放电路模块，将测试电流模拟出各种测试所需电压，并得到测试电流数据，将电流数据通过DAC模块和ADC模块反馈给所述控制单元；

所述装置的控制单元读取测到的测试电流数据，所述控制单元将所述数据转变为电流信号并反馈至外部控制***。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置和工作方法。本发明易于人为程控，电阻值精度高，应用范围更广阔，电阻值更新速率快，能够模拟出各种电阻值曲线；输出电阻值与流经的测试电流无关；并且具备检测测试电流大小的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明程控可变电阻装置示意图；

图2为本发明DAC模块电路示意图；

图3为本发明运放电路示意图；

图4为本发明ADC模块电路示意图；

图5为本发明控制流程图示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明提出了一种程控可变电阻装置和方法，本装置和方法主要应用于轨道交通和航空等领域的测试***。

本发明的的装置结构如图1所示，***组成包括：控制单元、通讯接口电路、可变电阻通道，其中可变电阻通道具体包括：DAC模块、运放电路、ADC模块。

1)通讯接口电路是***内部与外部控制***起连接作用的逻辑电路，根据外部控制***通讯方式及控制芯片的选择进行设计，如RS232接口电路、以太网接口电路等。

2)控制单元主要功能是通过通讯接口电路与外部控制***通讯，接收外部控制***(如上位机)的命令，发送数字信号对各个可变电阻通道DAC模块输出进行控制，并将ADC模块采集的模拟信号所转换成的数字信号交给上位机处理。控制单元可以采用满足***通讯和控制功能要求的各类芯片，如DSP、FPGA、MCU等。

3)可变电阻通道，可以有多个并列的所述通道。

3-1)DAC模块电路。DAC，数模转换器。DAC模块根据需要可采用串行或并行输入型，图2所示为一典型串行输入DAC模块电路图，DAC模块输入数据(设十进制大小为D)、时钟信号、控制信号(CLR等)由控制单元提供，SDO连接到控制芯片以便读取DAC模块寄存器数据，DAC模块电压Vref由运放电路提供，输出电压Vo1至运放电路，设所采取DAC为N位精度，则有Vo1＝Vref*D/2^N。

3-2)运放电路模块。运放电路模块如图3所示，包括电压跟随比例放大电路和带输入缓冲的比例减法器电路，采用两级比例放大电路增强电路各部分参数选择灵活性，能够更好满足输出电阻范围，同时也使更多的满足各类器件的要求(如部分DAC、ADC参考电压输入范围要求)。电压跟随放大电路为运算放大器U2A及其周围的R5、R6、Rs构成，U2A同相输入为DAC输出电压Vo1，Rs为采样电阻，测试电流I从a点输入，b点输出，a、b两点间电压Vo＝Vo1*R6/(R5+R6)。运算放大器U2B、U2C、U2D及其周围电阻构成带输入缓冲的比例减法器电路，当R2/R1＝R4/R3时，有Vref＝I*Rs*R2/R1，所述DAC模块中分析可知Vo1＝Vref*D/2^N，可得a、b两点间可变等效电阻R＝Vo/I＝Rs*(R2/R1)*(R6/(R5+R6))*D/2^N，可变等效电阻R只与DAC模块输入数据D和内部电路所采用固定电阻值有关，与外部测试电流I大小无关，因此能应用于各类阻值监控***。测试电流输入a、b两端电路特性相当于一可变等效电阻R，所述可变等效电阻R的大小根据所述输入数据D来设定，所述可变等效电阻R范围为0～Rs*R2/R1，步进电阻值为(1/2^N)*(R2/R1)*Rs，当取R1＝R2＝R6＝10kΩ，R5＝0Ω，Rs＝1000Ω，DAC精度N＝16时，其电阻R＝1000*D/65536Ω，电阻R取值范围为0Ω～1000Ω，程控可变电阻最小步进为0.015Ω。

3-3)ADC模块电路。ADC，模数转换器。ADC模块可根据需要采用串行或并行输入型，图4为一典型串行输入ADC模块，ADC模块时钟信号、控制信号由控制单元提供，如上节(3-2)所述，ADC模拟输入电压为采样电阻Rs两端电压经减法器电路后所得电压Vref＝IRs*R2/R1，ADC模块输入参考电压为一定值V1，该电压可由LDO芯片U4获得，ADC模块输出数据D1至控制单元。ADC模块为X位精度时，则ADC模块输出数据D1＝2^X*Vref/V1＝2^X*(IRs*R2)/(R1*V1)，由此可测得测试电流I＝(V1/Rs)*(R1/R2)*D1/2^X。当取V1＝5V,R1＝R2＝10kΩ，Rs＝1000Ω,ADC精度X＝16，测得D1＝26214时，便可得测试电流I＝2mA。

本专利的工作流程如图5所示。

工作方法及过程如下：

1)外部控制***(上位机等)软件发送电阻通道、电阻值设置指令。

2)通过通讯接口电路将数据传到程控可变电阻***控制单元。

3)控制单元判断是否收到通信指令，若确认收到有效指令则进行下一步，无效则返回继续等待下一次通信指令。

4)控制单元解析通信指令，然后生成相应的DAC控制信号并输出，设置相应通道电阻值。

5)控制单元读取相关通道检测到的测试电流信号并反馈至外部控制***。返回继续等待下一次通信指令。

本发明装置和工作方法的主要采用DAC方式实现的程控可变电阻，阻值变化响应速度快，电路结构简单，易于多通道集成，同时采用高精度DAC可以使可设置的阻值步进很小，从而达到较高的分辨率。

所述装置和方法为一种压控电阻，与以往压控电阻简单的控制输出端的电压或电流相比，完美的模拟了输出端的电阻特性，因而能适应各类阻值检测方式。

所述装置和工作方法集成了对测试电流进行检测的功能，方便进行数据分析，当采用恒流已知测试电流测试时(如I＝5mA)，可将所检测电流与已知大小比较，从而判断测试电流发生装置是否故障。

所述装置和工作方法为满足现实要求，解决的技术问题主要有以下几个：

1)易于程控。运用软件程序实现简单方便灵活的控制是自动化测试的要求。

2)阻值精度高。较高的精度可以满足高精度测试的要求，使其应用范围更广。

3)阻值更新速率快，能够模拟出各种阻值曲线。特别是故障信号的模拟往往会有跳变信号和各种异常曲线。

4)输出电阻值与流经的测试电流无关，即不管是固定恒流输入，还是变化的测试电流输入，电阻阻值一经设定不应随测试电流改变，以满足现有各类阻值信号检测方式的要求。

5)具备检测测试电流大小的功能。有时需要检测测试电流的大小来判定被测阻值监控***的电流输出是否有异常。

针对以上问题，本发明中外部通过各种方式与控制芯片进行通讯，控制芯片通过数字信号控制DAC模块输出电压，利用所设计运放电路使得输出电压随测试电流相应改变，即电压与电流之比始终为所设定电阻值，实现对输出端电阻特性的模拟和阻值大小的控制，并通过采样电阻和ADC模块对测试电流进行检测，以发现测试电流有无异常。

所述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有电流检测功能的程控可变电阻装置，所述装置包括：通讯接口电路模块、控制单元和可变电阻通道，其特征在于，所述装置还包括：多个并行的可变电阻通道；所述可变电阻通道包括：DAC模块、运放电路模块和ADC模块。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DAC模块根据检测需要采用串行输入或并行输入；所述控制单元向所述DAC模块提供时钟信号、控制信号和输入数据；所述运放电路模块向所述DAC模块提供第一参考电压；所述DAC模块向所述运放电路模块输出电压。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述输入数据为十进制且大小为D，所述第一参考电压为Vref，所述DAC模块精度为N，所述输出电压Vo1＝Vref*D/2^N。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运放电路模块的电路特性相当于一个可变等效电阻R。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述可变等效电阻R只与所述DAC模块输入数据D和所述运放电路模块内部电路所采用固定电阻值有关。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述运放电路模块包括：比例放大电路和比例减法器电路；

所述比例放大电路包括第一运算放大器U2A及其周围的五号电阻R5、六号电阻R6、七号电阻R7和采样电阻Rs，U2A同相输入为所述DAC模块输出电压Vo1，测试电流I从输入端点a输入，输出端点b输出，所述a、b两点间电压为Vo；

所述比例减法器电路包括：第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D及其周围第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第八电阻R8、第九电阻R9；

所述Rs一端串联到测试电流输入端，另一端串联到所述U2A输入端和所述U2D的正极输出端，所述R5和R6并联到所述U2A正极输出端，所述R7一端串联到所述U2A负极输出端，另一端串联到所述U2C的正极输出端，

所述R1和R2并联到所述U2B的正极输出端，所述R1另外一端串联到所述U2C的输入端，所述R3一端串联到所述U2B的负极输出端，另一端串联到所述U2D的输入端，

所述R4一端串联到所述U2B的输入端，另一端串联到所述U2B的负极输出端，

所述R8一端串联到所述U2C的输入端，另一端串联到所述U2C的负极输出端，

所述R9一端串联到所述U2D的输入端，另一端串联到所述U2D的负极输出端，

所述R1和所述R8是串联，所述R3、所述R4和所述R9是串联。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测试电流经过所述运放电模块后，输入端点与输出端点检测的电压Vo＝Vo1*R6/(R5+R6)；当R2/R1＝R4/R3时，所述第一参考电压Vref＝I*Rs*R2/R1；所述可变等效电阻R＝Vo/I＝Rs*(R2/R1)*(R6/(R5+R6))*D/2^N；所述可变等效电阻R的取值范围是0～Rs*R2/R1。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述ADC模块根据检测需要采用串行输入或并行输入；所述控制单元向所述ADC模块提供时钟信号、控制信号；所述运放电路模块向所述ADC模块提供模拟输入电压；所述ADC模块输入的第二参考电压为定值；所述ADC模块向所述运放电路模块输出数据，获得测试电流。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述ADC模块输入的第二参考电压为V1，所述ADC模块精度为X，所述ADC模块输出数据D1＝2^X*Vref/V1＝2^X*(IRs*R2)/(R1*V1)，获得所述测试电流I＝(V1/Rs)*(R1/R2)*D1/2^X。

10.一种带有电流检测功能的程控可变电阻的工作方法，其特征在于，包括：

外部控制***发送电阻通道个数、电阻值设置等指令数据给所述装置的通讯接口电路模块；

所述装置的所述通讯接口电路模块将指令数据传输到所述装置的控制单元；

所述装置的控制单元判断是否收到指令数据，若确认收到有效指令数据则进行下一步，否则返回所述装置的通讯接口电路模块继续等待新的指令数据传送；

所述装置的控制单元解析有效指令数据，将有效指令数据传输给所述可变电阻通道中的DAC模块和ADC模块，所述DAC模块生成控制和时钟等信号并输出给所述可变电阻通道，设置所述可变电阻通道的运放电路模块的电阻值；

测试电流输入所述可变电阻通道的运放电路模块，将测试电流模拟出各种测试所需电压，并得到测试电流数据，将电流数据通过DAC模块和ADC模块反馈给所述控制单元；

所述装置的控制单元读取测到的测试电流数据，所述控制单元将所述数据转变为电流信号并反馈至外部控制***。

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