CN1948970A - 一种大功率数字变阻器及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种大功率数字变阻器及其测试方法，将计算机技术和虚拟仪器技术运用到电子设备测试当中，通过数字化控制，提高电子测试的自动化程度；实现了在小负载大电流的大功率条件下，电子设备测试的负载模拟和自动调节；通过负载电阻调节电路的合理通断选择实现了较高精度的负载调节功能，提高了电子设备测试的精度。

Description

一种大功率数字变阻器及其测试方法

技术领域

本发明属于电子设备测试技术领域，具体涉及一种大功率数字变阻器及其测试方法。

背景技术

电子设备测试中，往往需要使用变阻器模拟工作负载，并通过调节负载使仪器工作在额定电流下，才能进行规定的测试。而有些设备负载较小但额定工作电流却要求较大，因此，测试中必须通过调节模拟仪器的大功率负载来调节电流。而普通测试仪器的负载调节一般是由磁盘变阻器和电流表组成，电路接通后由操作人员手动调节磁盘变阻器旋钮并观察电流表读数，使电路达到额定电流，自动化程度较低，由于大功率的磁盘变阻器一般都不能达到很高的调节精度，再加上人为读数误差，使得额定电流调节不十分准确。虽然集成数字电位器可以达到较高的精度，但均是在小功率条件下的电阻自动调节，这些都难以实现小负载大电流电路的负载自动调节和高精度的电流调节。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种通过数字化控制，提高电子测试的自动化程度，实现小负载大电流的大功率条件下，高精度的负载调节功能，提高电子设备测试精度的大功率数字变阻器及其测试方法。

为达到上述目的，本发明的数字变阻器包括控制终端，与控制终端的输出相连接的数字I/O通道，以及与数字I/O通道输出相连的负载调节电路，其特点是，控制终端的输出与数字I/O通道输入相连接，数字I/O通道的输出端与负载电阻调节电路的继电器控制信号输入端相连接，输入信号通道选通模块的输出端与负载电阻调节电路被测信号输入端相连，负载电阻调节电路的输出端与信号采集设备的输入端相连，信号采集设备的输出端与控制终端的输入端相连将测量的输入电压输送至控制终端。

本发明的控制终端为主控计算机或单片机；负载电阻调节电路由一组阻值成等比数列即比值为2的大功率电阻并联构成，且在每一路加一个控制是否选通该路电阻的继电器。

本发明的测试方法为：进行电流调节时，首先将被测电子设备与输入信号通道选通模块的输入端相连，信号采集设备测量输入电压并输送至控制终端，通过控制终端计算需要达到的工作负载值，由控制终端选定负载电阻调节电路输出电阻中最接近的值，并通过公式 $R^{\′}=\frac{R\×2^{n-1}}{N}$ 计算出N的值，其中n为n路电阻，R为n路电阻中的最小电阻，R′为电路输出电阻，N为包含继电器通断状态矢量信息的十进制数，将结果转化为二进制数，并将二进制代码写入数字I/O通道，通过数字I/O通道向负载电阻调节电路继电器驱动电路发出高低电平，选通相应路电阻，由于由空载变为带载，输入电压会发生微小变化，为了使额定电流达到较高的准确性，控制终端自动重复上述调节过程，直到达到额定电流为止。

本发明将计算机技术和虚拟仪器技术运用到电子设备测试当中，通过数字化控制，提高电子测试的自动化程度；实现了在小负载大电流的大功率条件下，电子设备测试的负载模拟和自动调节；通过负载电阻调节电路的合理通断选择实现了较高精度的负载调节功能，提高了电子设备测试的精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构及测试原理示意图；

图2是本发明负载电阻调节电路3的结构示意图；

图3是本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括控制终端1，控制终端1为主控计算机或单片机，以及与控制终端1的输出相连接的数字I/O通道2，数字I/O通道2的输出端与负载电阻调节电路3的继电器控制信号输入端相连通，输入信号通道选通模块5的输出端与负载电阻调节电路3被测信号输入端相连，负载电阻调节电路3的输出端与信号采集设备4的输入端相连，信号采集设备4的输出端与控制终端1的输入端相连将测量的输入电压输送至控制终端1，被测电子设备6与输入信号通道选通模块5的输入端相连。

参见图2，本发明的负载电阻调节电路3由一组阻值成等比数列(比值为2)的电阻并联构成，每一路加一个继电器以控制是否选通该路电阻。通过这些电阻的不同并联组合，可以由低到高得到一系列不同的输出电阻值。通过确定电阻的路数和每路电阻的阻值，使工作***达到所要求的调节精度和调节范围。以下为输出电阻的计算公式。

设有n路电阻，最小电阻为R，则电路中所有电阻可以表示为R，2R，4R，…，2^n-2R，2^n-1R。以a_i(其中i＝1，2，3…，n)表示每路电阻的通断状态，即当a_i＝1时表示该路电阻被选通，当a_i＝0时表示电阻未被选通。那么n路电阻的通断状态可以表示为Z＝(a₁，a₂，a₃，…，a_n)，Z实际上是一个由0和1组成的单位矢量。

设电路输出电阻为R′，根据并联电路计算公式，有

$R^{\′}=\frac{R\×2^{n-1}}{2^{n-1}\×a_1+2^{n-2}\×a_2+2^{n-3}\×a_3+L+2\×a_{n-1}+1\×a_n}---\left(1\right)$

令N＝2^n-1×a₁+2^n-2×a₂+2^n-3×a₃+Λ+2×a_n-1+1×a_n，于是可以得到调节电路输出电阻的一般计算公式：

$R^{\′}=\frac{R\×2^{n-1}}{N}---\left(2\right)$

把N的表达式以矢量形式表示，可得到

        N＝(2^n-1，2^n-2，2^n-3，Λ2，1)Z^τ            (3)

如果将通断状态矢量Z中的各元素按位排列，则可以得到一个二进制数，而式(3)正是将这个二进制数转化为十进制数的结果，那么当电阻路数n确定后，可知N的取值为1，2，3，…，2ⁿ-1，也即当n和R确定后，通过控制各路的通断组合共可以得到2ⁿ-1个不同的输出电阻值R′。当给定需要调节的阻值，就可以在这2ⁿ-1个R′中查找最为接近的阻值，运用公式(2)计算出N的值，再通过式(3)求得通断状态矢量Z。知道了各路电阻的通断状态，就可以运用选定的控制方式控制各路继电器通断，得到所要的阻值。由于由Z得到的是二进制数，因此可以方便的向数字I/O通道2写入通断信息，以实现负载电阻的自动调节。

由式(2)容易计算当只选通电阻最大的一路时，Z＝(0，0，0，…，0，1)，N＝1，此时并联电路得到最大输出电阻R′_max。

           R′_max＝R×2^n-1                          (4)

当所有电阻都被选通时，Z＝(1，1，1…，1，1)，N＝2ⁿ-1，并联电路得到最小输出电阻R′_min。

${R^{\′}}_{\min }=\frac{R\×2^{n-1}}{2^n-1}---\left(5\right)$

由式(4)和式(5)可知由n路电阻并联的调节电路，输出电阻的范围为R′_min~R′_max。

这里对电路的调节精度进行如下分析。

设调节误差为ε，则ε可以近似表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{R\×2^{n-1}}{2^n-2}-\frac{R\×2^{n-1}}{2^n-1}=R\×\frac{2^{n-1}}{(2^n-2)(2^n-1)}$

可见调节误差ε的大小与电阻的路数n和最小电阻R的选取有关，当R一定时，n选取的越大，则调节误差ε越小，反之，ε越大；而当n一定时，减小R的值也可以减小ε的值。理论上，当n趋向于无穷大时R′_min＝0.5R，R′_max＝∞，ε＝0，此时调节电路的输出电阻值在(0.5R，∞)上连续可调。但在实际应用中，n不可能趋于无穷，所以输出电阻并不连续。电阻调节时，只能调到与给定电阻最为接近的那个输出电阻值。

另外，当n一定时，考察输出电阻R′的大小对精度的影响。给定两个电阻值R′₁和R′₂，令R′₁＜R′₂，有

${R^{\′}}_1=\frac{R_{\max }}{2^n-n_1}$ ${R^{\′}}_2=\frac{R_{\max }}{2^n-n_2}$ 其中n₁＞n₂

调节这两个电阻时的误差可分别近似表示为

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{R_{\max }}{2^n-n_1+1}-\frac{R_{\max }}{2^n-n_1}$ ${\mathrm{\ϵ}}_2=\frac{R_{\max }}{2^n-n_2+1}-\frac{R_{\max }}{2^n-n_2}$

计算得，ε₁＜ε₂。表明当n一定时，在式(2)的调节范围内，需要得到的输出电阻越小则调节精度越高。对于给定的输出电阻，要想进一步提高调节精度，那么只能再增大n的值。

由以上分析可知，理论上该数字变阻器可以实现电阻的高精度调节。实际应用时，需要综合考虑***所要求的电阻可调范围的大小、在此可调范围内对精度的要求，以及***的成本和体积，以确定电路中n和R的值。

参见图3，当负载电阻调节电路3的电阻路数n确定后，其所有的2ⁿ-1个输出电阻也就已经确定了，控制终端1提前利用计算式计算出所有的电阻，并将结果用数据库表格的形式储存起来。当进行电流调节时，首先将被测电子设备6与输入信号通道选通模块5的输入端相连，信号采集设备4测量输入电压并输送至控制终端1，控制终端1计算出实际需要得到的负载值R′，然后打开数据表格进行查询，找到最为接近R′的输出电阻，并通过公式 $R^{\′}=\frac{R\×2^{n-1}}{N}$ 计算出N的值，其中n为n路电阻，R为n路电阻中的最小电阻，R′为电路输出电阻，N为包含继电器通断状态矢量信息的十进制数，将结果转化为二进制数，并将二进制代码写入数字I/O通道2，通过数字I/O通道2向负载电阻调节电路3继电器驱动电路发出高低电平，选通相应路电阻。由于由空载变为带载，输入电压会发生微小变化，为了使额定电流达到较高的准确性，控制终端自动重复上述调节过程，直到达到额定电流为止。因此，使用时只须设定需调整的额定电流值，就能准确的自动将外部电路调节到额定电流。

Claims (4)

1、一种大功率数字变阻器，包括控制终端(1)，与控制终端(1)的输出相连接的数字I/O通道(2)，以及与数字I/O通道(2)输出相连的负载调节电路(3)，其特征在于：控制终端(1)的输出与数字I/O通道(2)输入相连接，数字I/O通道(2)的输出端与负载电阻调节电路(3)的继电器控制信号输入端相连接，输入信号通道选通模块(5)的输出端与负载电阻调节电路(3)被测信号输入端相连，负载电阻调节电路(3)的输出端与信号采集设备(4)的输入端相连，信号采集设备(4)的输出端与控制终端(1)的输入端相连将测量的输入电压输送至控制终端(1)。

2、根据权利要求1所述的大功率数字变阻器，其特征在于：所说的控制终端(1)为主控计算机或单片机。

3、根据权利要求1所述的大功率数字变阻器，其特征在于：所说的负载电阻调节电路(3)由一组阻值成等比数列即比值为2的大功率电阻并联构成，且在每一路加一个控制是否选通该路电阻的继电器。

4、大功率数字变阻器测试方法，其特征在于：进行电流调节时，首先将被测电子设备(6)与输入信号通道选通模块(5)的输入端相连，信号采集设备(4)测量输入电压并输送至控制终端(1)，通过控制终端(1)计算需要达到的工作负载值，由控制终端(1)选定负载电阻调节电路(3)输出电阻中最接近的值，并通过公式 $R^{\′}=\frac{R\×2^{n-1}}{N}$ 计算出N的值，其中n为n路电阻，R为n路电阻中的最小电阻，R′为电路输出电阻，N为包含继电器通断状态矢量信息的十进制数，将结果转化为二进制数，并将二进制代码写入数字I/O通道(2)，通过数字I/O通道(2)向负载电阻调节电路(3)继电器驱动电路发出高低电平，选通相应路电阻，由于由空载变为带载，输入电压会发生微小变化，为了使额定电流达到较高的准确性，控制终端自动重复上述调节过程，直到达到额定电流为止。

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