控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法.pdf

1.  一种控制和补偿连接PC计算机1、总线收发器2、锁存驱动电路3、继电器网络4、基本电阻网络5、电阻精度调节电路6、组合逻辑电路7组成的可编程标准电阻发生器的输出电阻误差的方法，包括：
至多16只精密电阻器Ri(i＝1～16)，依次按二进制规律制作的逐位串联而成的电阻网络；所述的精密电阻器Ri系分别与继电器网络的16组继电器常闭触点并联；
用“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”(其中|a|为ri的下偏差，|b|为ri的上偏差，|b|≤0.5Ω)可使各精密电阻位Ri(其中i＝1～16)的误差接近0Ω。
“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”，用“并联电位器、+0.1～+0.2Ω正公差带法”确定R_串i、多圈电位器R_Pi的最佳阻值：选≤±0.1％的精密固定电阻作R_串i，设Ri_串+Rpi＝X。
ri的实际绕制值上限值为Ri+0.2Ω，下限值为Ri+0.1Ω，按并联电路的欧姆定律，有如下公式：
               1/(Ri+0.2Ω)+1/X1＝1/Ri
      则       X1＝1/(1/Ri-1/(Ri+0.2))Ω
又有公式：     1/(Ri+0.1Ω)+1/X2＝1/Ri
      则       X2＝1/(1/Ri-1/(Ri+0.1))Ω
即对于ri＝(Ri+0.1Ω)～(Ri+0.2Ω)的实际绕制值
若选择好R_串i值，使调整Rpi满足R_串i+Rpi＝X1Ω～X2Ω，可使各精密电阻位Ri(其中i＝1～16)的误差接近0Ω。
对“可编程标准电阻发生器”继电器常闭触点的接触电阻误差必须作硬件补偿。
用N对继电器常闭触点并联组成继电器网络中的某组继电器的常闭触点Ki(i＝1～16)，使每个电阻位因该组继电器因其常闭触点接触电阻带来的误差在以下计算值以内：(这里设N＝8)
                   0.05Ω/N＝0.05Ω/8＝0.0063Ω＜0.01Ω

2.  按权利要求1所述的控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法，其特征在于所述的方法还包括采用0级精度高稳定精密级锰铜电阻丝绕制精密电阻前后，对锰铜电阻丝和精密电阻做高低温稳定处理，绕制的环境控制在标准环境试验温度20℃±10℃以内。

3.  按权利要求1或2所述的控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法，其特征在于所述的继电器驱动网络(4)内的各组继电器的常闭触点Ki(i＝1～16)与基本电阻网络(5)的各精密电阻器Ri(i＝1～16)是逐位并联的。

4.  按权利要求1或2所述的控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法，其特征在于所述的基本电阻网络(5)的16只精密电阻器Ri的阻值分别是：
R1＝0.1Ω，R2＝0.2Ω，R3＝0.4Ω，R4＝0.8Ω，……R15＝1638.4Ω，R16＝3276.8Ω，
这样，由PC计算机通过数据总线向可编程标准电阻发生器写1时，数据总线上相应数据位与对应标准电阻值R_输出间有下表关系：

写1数据位  D1  D2  D3  D4  D5  D6  D7  D8  D9  D10  D11对应电阻位的输出R输出(Ω)  0.1  0.2  0.4  0.8  1.6  3.2  6.4  12.8  25.6  51.2  102.4写1数据位  D12    D13  D14  D15    D16对应电阻位的输出R输出(Ω)  204.8    409.6  819.2  1638.4    3276.8
这时由PC计算机(1)通过数据总线向总线收发器(2)写某一固定的十六位进制数a和总的R_输出有如下的关系式：
总的电阻R_输出＝0.1×(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)＝0.1×a
则a＝(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)。
所述的与PC计算机(1)的数据总线接口的总线收发器(2)为8位或16位总线收发器。所述的锁存驱动电路3采用锁存驱动电路类芯片。
基本电阻网络(5)的各精密电阻器Ri(i＝1～16)的电阻阻值是依次按二进制规律设计制作的。

5.  按权利要求4所述的控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法，其特征在于所述基本电阻网络(5)的各精密电阻器Ri(i＝1～16)是按电阻阻值由小到大依次串联而成的电阻网络。

6.  按权利要求4所述的控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法，其特征在于所述的基本电阻网络(5)可以是10位、11位、12位、13位、14位、15位、16位的，这时，其基本电阻网络(5)按二进制规律来绕制的电阻分别是R1～R10、R1～R11、R1～R12、R1～R13、R1～R14、R1～R15、R1～R16，相应的可编程标准电阻发生器输出电阻的满量程分别是102.3Ω、204.7Ω、409.5Ω、819.1Ω、1638.3Ω、3276.7Ω、6553.5Ω。

7.  按权利要求5所述的电阻发生器，其特征在于所述16位的电阻网络按二进制规律制作的各电阻位Ri(i＝1～16)的阻值分别是：R1＝0.1Ω，R2＝0.2Ω，R3＝0.4Ω，R4＝0.8Ω，……R15＝1638.4Ω，R16＝3276.8Ω。

8.  按权利要求7所述的控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法，其特征在于所述的继电器网络中某组继电器常闭触点Ki(i＝1～16)是6对、8对、10对或更多对的继电器的常闭触点并联的，且每对常闭触点的接触电阻≤0.05Ω。

控制和补偿“可编程标准电阻发生器”误差的方法
技术领域
本发明涉及一种独立输出纯电阻或用于模拟温度传感器、电阻信号源输出或作电子电位差计调试、校准的电阻误差补偿的方法。
背景技术
公知技术中用计算机控制的能连续输出纯电阻或用于模拟温度传感器电阻信号源输出或作电子电位差计调试、校准的电阻，只有在输出很小的电阻时才可能达到±0.4Ω这样的误差。而且输出的电阻越高，误差越大。如美国VALHALLA SIENTIFC.INC公司采用恒流源原理输出电阻信号的2724A型可编程电阻发生器，电阻输出的精度为±0.25Ω～±0.4Ω，它在满度情况下会产生约0.1％的误差。在输出满量程6.5536KΩ时，可能的误差值是6.5536KΩ×0.1％＝6.55Ω。若要提高输出电阻的精度，只能靠不断提高其内部恒流源的精度来实现。当将内部恒流源的精度提高到0.01％时(这在技术上是极其困难的事)，才有可能使满量程输出电阻的精度接近6.5536KΩ×0.01％＝0.655Ω。实际上它在120Ω～1.2KΩ输出电阻范围内只能给出±0.4Ω的精度指标。
中国专利公开的89108214.X号，名称为《可编程电阻信号源》专利，依据分压规律，在恒定的电压源和电阻的前提下设计的双套电阻发生器，仅仅经过模/数转换环节就会产生至少约0.08％FS的误差，加上电源产生的误差和各电阻环节的积累误差，使得它输出的电阻精度大幅降低。即便是在0～1000Ω的电阻输出范围，它地误差都远不能达到≤0.4Ω的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种能够控制和补偿“可编程标准电阻发生器“(简称发生器)输出的电阻信号的误差的方法，使发生器的电阻输出信号在0-6553.6Ω量程内达到绝对误差≤0.2Ω。
本发明的目的是这样实现的。一种控制和补偿连接PC计算机总线收发器、锁存驱动电路、继电器网络、基本电阻网络、电阻精度调节电路和组合逻辑电路而组成的可编程标准电阻发生器输出电阻误差的方法包括：
至多16只精密电阻器Ri(i＝1～16)，依次按二进制规律制作的逐位串联而成的电阻网络；所述的精密电阻器Ri系分别与继电器网络的16组继电器常闭触点并联；
采用0级精度高稳定精密级锰铜电阻丝绕制精密电阻前后，对锰铜电阻丝和精密电阻做高低温稳定处理，绕制的环境控制在标准环境试验温度20℃±10℃以内；
图3表示一种控制和补偿“可编程标准电阻发生器”输出电阻误差的方法--“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”的原理，ri(其中i＝1～16)为各精密电阻位Ri(其中i＝1～16)的电阻实际绕制值。
用“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”(其中|a|为ri的下偏差，|b|为ri的上偏差，|b|≤0.5Ω)可使各精密电阻位Ri(其中i＝1～16)的误差接近0Ω。
为说明“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”的原理，这里以其中的“并联电位器、+0.1～+0.2Ω正公差带法”为例说明：
图3中为消除精密电阻位Rab＝Ri(其中i＝1～16)因实际绕制值ri(其中i＝1～16)的变化而带来的误差，必须确定R_串i、多圈电位器R_Pi的最佳阻值：
首先，选≤±0.1％的精密固定电阻作R_串i，设Ri_串+Rpi＝X
ri的实际绕制值上限值为Ri+0.2Ω，下限值为Ri+0.1Ω，按并联电路的欧姆定律，有如下公式：
              1/(Ri+0.2Ω)+1/X1＝1/Ri
        则    X1＝1/(1/Ri-1/(Ri+0.2))Ω
又有公式：    1/(Ri+0.1Ω)+1/X2＝1/Ri
        则    X2＝1/(1/Ri-1/(Ri+0.1))Ω
即对于Ri＝(Ri+0.1Ω)～(Ri+0.2Ω)的实际绕制值
若选择好R_串i值，使调整Rpi满足R_串i+Rpi＝X1Ω～X2Ω，可使各精密电阻Ri(其中i＝1～16)的误差接近0Ω。
对“可编程标准电阻发生器”继电器触点的接触电阻误差必须作硬件补偿：
用N对继电器常闭触点并联组成继电器网络中的某组继电器的常闭触点Ki(i＝1～16)，这样可使每组继电器常闭触点的接触电阻带来的误差在以下计算值以内：(这里假设继电器的1个常闭触点的接触电阻为0.05Ω，每组继电器常闭触点由8个继电器常闭触点并联而成)
    0.05Ω/N＝0.05Ω/8＝0.0063Ω＜0.01Ω
对“可编程标准电阻发生器”的系统误差作软件补偿：
从测试点到电阻网络的输出点间，因线路电阻、器件间的接触电阻引起的系统误差，可在软件送数时，减去该系统误差.给予补偿处理。
本发明的基本电阻网络5的16只依次按二进制规律排列的精密电阻器Ri的阻值分别是：
R1＝0.1Ω，R2＝0.2Ω，R3＝0.4Ω，R4＝0.8Ω，……R15＝1638.4Ω，R16＝3276.8Ω，
这样，由PC计算机通过数据总线向可编程标准电阻发生器写1时，数据总线上相应数据位与对应标准电阻值R_输出间有下表关系：

  写1数据位  D1  D2  D3  D4  D5  D6  D7  D8  D9  D10  D11  对应电阻位的  输出R_输出(Ω)  0.1  0.2  0.4  0.8  1.6  3.2  6.4  12.8  25.6  51.2  102.4写1数据位    D12    D13    D14    D15    D16对应电阻位的输出R_输出(Ω)    204.8    409.6    819.2    1638.4    3276.8
这时由PC计算机(1)通过数据总线向总线收发器(2)写某一固定的十六进制数α和总的R_输出有如下的关系式：
总的电阻R_输出＝0.1×(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)＝0.1×α
则α＝(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)。
所述的与PC计算机(1)的数据总线接口的总线收发器(2)为8位或16位总线收发器。所述的锁存驱动电路3采用锁存驱动电路类芯片。
本发明可根据用户需求做成10位、11位、12位、13位、14位、15位、16位的可编程标准电阻发生器，这时，其基本电阻网络5按二进制规律来绕制的电阻分别是R1～R10、R1～R11、R1～R12、R1～R13、R1～R14、R1～R15、R1～R16，相应的可编程标准电阻发生器输出电阻的满量程分别是102.3Ω、204.7Ω、409.5Ω、819.1Ω、1638.3Ω、3276.7Ω、6553.5Ω。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果。
输出纯电阻的范围大，可输出0～6.5535KΩ。
输出纯电阻的全范围内(即0～6.5535KΩ内)，绝对误差可达≤0.2Ω。
可以用软件的方法进行线路补偿，因此输出的距离可以不限。
可以将本发明做成不同的分辨率及不同使用范围供用户使用。(因本发明的输出纯电阻的分辨率等于最小电阻位R1的电阻值，所以只要改变最小电阻位R1的电阻值而保持电阻网络的各电阻位的阻值Ri依次按二进制规律绕制，即可改变输出纯电阻的分辨率)
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例可编程标准电阻发生器的电路原理方框图。
图2是本发明的继电器网络与基本电阻网络的电路接口原理图。
图3是本发明的基本电阻网络5的第i位精密电阻Ri(i＝1～16)与相应的电阻精度调节电路6的电气接口原理图。
具体实施方式
图1描述了由本发明控制和补偿误差的一种可编程标准电阻发生器的电路原理方框图。该发生器是一种智能的(可编程的)能产生纯电阻信号的装置。它采用对按二进制规律排列的高精度基准电阻Ri(i＝1～16)进行计算机处理，获得动态或静态的高精度纯阻信号源输出。它可以是一种独立的可编程标准电阻发生器，也可是作成能插在PC计算机的总线扩展槽供用户使用的“可编程标准电阻发生器”扩展板卡，还可以是作成将其原理揉进设计者部件设计的某设备或仪器的专用部件。本发明所述的PC计算机可以是工控计算机、商用计算机、任何含8位以上数据总线(含8位数据总线)的计算机，包括单片微机。
PC计算机1通过数据、地址、控制总线驱动组合逻辑电路7实现对地址选通和对总线收发器2、锁存驱动器3的逻辑控制，向16路(组)的继电器网络4发送二进制(或十六进制)规律的(电阻值)数据。该继电器随即按程序的命令开、闭，使并联其常闭触点上的高精度基准电阻Ri(i＝1～16)输出要求的电阻值。
图2描述了本发明继电器网络与基本电阻网络的电路接口原理。基本电阻网络5的16只精密电阻器Ri(i＝1～16)系分别与继电器网络的16组继电器常闭触点Ki(i＝1～16)并联。基本电阻网络5的各高精度基准电阻器Ri(i＝1～16)是按电阻阻值由小到大依次串联而成的电阻网络。
锁存驱动电路3分别驱动16路(组)继电器(K1～K16)，若将锁存驱动电路3的第i位输出设为逻辑1，将使继电器网络的第i组继电器动作，把相应常闭触点Ki(i＝1～16)打开。
这时由PC计算机1通过数据总线向总线收发器2写某一固定的十六位制数α，总的R_输出与该数α有如下的关系式：
R_输出＝0.1×(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)＝0.1×α。
其中i为1-16的整数，di表示对应第i位继电器的状态：
            继电器接通时di＝1，(相应常闭触点打开)
            继电器断电时di＝0。(相应常闭触点闭合)
例如需要输出269.3Ω的纯电阻时：
R_输出＝269.3Ω＝0.1×2693＝0.1×(101010000101)＝0.1×(0A85H)＝0.1×α
即向总线收发器2写十六进制数OA85H即可。
由此可见，要可编程地产生高精度的纯电阻R_输出，就要提高R1＝0.1Ω～R16＝6.5536KΩ这16只精密电阻的绕制精度。
如何提高R1＝0.1Ω～R16＝6.5536KΩ这16只精密电阻的绕制精度？关键在于对绕制工艺及设计参数、工艺参数的控制，对此，有如下方法：
a)提高各精密电阻的稳定性，严格控制允许误差：应采用0级精度高稳定精密级锰铜电阻丝绕制各电阻ri(i＝1～16)，在手工绕制精密电阻前后，应对锰铜电阻丝和精密电阻做高低温稳定处理；因目前手工绕制精密电阻的最高精度值约为±0.02Ω，作为标准电阻发生器就就要尽量控制在这个数值内；另外，绕制的环境应控制在标准的环境试验温度---20±10℃以内。
b)采取“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”来消除R1～R16精密电阻在实际绕制中带来的误差，使R1～R16电阻的误差接近于0：
对于第i位精密电阻位Ri(其中i＝1～16)，采用图3的“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”：令Ri＝Rab，(其中i＝1～16)，调整电位器R_Pi可使R1～R16电阻的误差接近于0：但需精选好相应的R_串i和Rpi电位器。
这里以“并联电位器、|a|～|b|正公差带法”中的较典型的“并联电位器、+0.1～+0.2Ω正公差带法”为例来确定图3中R_串i、R_Pi的最佳阻值：
R_Pi为多圈电位器，i为第i位数据位。为便于用调整电位器来消除以上误差；应严格控制基本电阻网络5的各精密电阻器的绕制误差，我们设计成使每位电阻(R1～R16)的绕制均按+0.1～+0.2 的正误差带来安排，在此基础上精选R_串i的阻值(应选≤±0.1％的精密固定电阻作R_串i)、优选Rpi电位器的阻值、，才可达目的，以如下公式来说明这种方法：
如对Ri的电阻位，该位电阻(按其二进制规律电阻值分布)的理论值为Ri，其相应的R_串i、R_Pi按如下方法确定设计参数(这里设R_串i+Rpi＝X)。
由图3，按“并联电位器、+0.1～+0.2Ω正公差带法”，其实际绕制值ri的上限值为Ri+0.2Ω，下限值为Ri+0.1Ω，按并联电路的欧姆定律，有如下公式：
                  1/(Ri+0.2Ω)+1/X1＝1/Ri
         则       X1＝1/(1/Ri-1/(Ri+0.2))Ω
又有公式：        1/(Ri+0.1Ω)+1/X2＝1/Ri
         则       X2＝1/(1/Ri-1/(Ri+0.1))Ω
即对于ri＝(Ri+0.1Ω)～(Ri+0.2Ω)的实际绕制值
若选择好R_串i值，并使调整Rpi能满足R_串i+Rpi＝X1Ω～X2Ω，
可使精密电阻位Ri(其中i＝1～16)的误差接近0Ω。
如对R13＝409.6Ω的电阻位，其相应的R_串13、R_P13按如下方法确定设计参数。
由图3，对Rab＝R13＝409.6Ω的电阻位，按“并联电位器、+0.1～+0.2Ω的正公差带法”，其r13的实际绕制值上限值为409.8Ω，下限值为409.7Ω，按并联电路的欧姆定律，有如下公式：
                  1/409.8+1/X1＝1/409.6
         则       X1＝1/(1/409.6-1/409.8)＝839.27KΩ
又有公式：        1/409.7+1/X2＝1/409.6
         则       X2＝1/(1/409.6-1/40.7)＝1678KΩ
即对于r13的409.7Ω～409.8Ω的实际绕制值
选择R_串13＝800KΩ，R_P13＝1000KΩ，则调整R_p13即可满足R_串13+Rp₁₃＝X1Ω～X2Ω＝839.27KΩ～1678KΩ，也就是说调整R_p13可使精密电阻位Rab＝R13的误差接近0Ω。
其余的R_串i、Rpi也按上法设计即可
其次，对“可编程标准电阻发生器”的系统误差作软、硬件补偿：
a)首先对“可编程标准电阻发生器”继电器常闭触点的接触电阻误差必须作硬件补偿：
技术资料表明：所述的继电器网络中继电器的一对常闭触点的接触电阻≤0.05Ω，所以可用6对、8对、10对或更多对继电器常闭触点并联来组成继电器网络中的某组继电器的常闭触点Ki(i＝1～16)，即图2中某组继电器常闭触点Ki(i＝1～16)是相应由6对、8对、10对或更多对继电器常闭触点并联而成。若采用8对常闭触点并联后形成某组继电器常闭触点Ki(i＝1～16)来控制一个电阻位，这样每个电阻位因继电器接触电阻带来的误差就会在以下计算值以内：
               0.05Ω/8＝0.0063Ω＜0.01Ω
b)其次对“可编程标准电阻发生器”的系统误差必须作软件补偿：
从测试点到电阻网络的输出点间，因线路电阻、器件间的接触电阻引起的系统误差，可在软件送数时(减去该系统误差)给予补偿处理。
例如，若需在测试点得到512.3Ω的电阻值信号，而测试点到基本电阻网络的输出点间的线路电阻+器件间接触电阻＝0.8Ω，那么工控计算机就应按512.3Ω-0.8Ω＝511.5Ω送数，即向可编程标准电阻发生器的总线收发器写5115＝13FB即可。(注：13FB为5115的十六进制数)
本发明实施例与PC计算机的数据总线的接口采用8位或1 6位的总线收发器。若采用8位的总线收发器，可在组合逻辑电路7的控制下，分二次接收PC计算机1通过数据总线发送的数据信号。
同样，锁存驱动电路3也可采用8位或16位的锁存驱动电路类芯片。若采用8位的锁存驱动电路芯片，可在组合逻辑电路7控制下，分二次接收总线收发器2输出的数据信号。
本实施例可编程标准电阻发生器的工作原理是：由PC计算机通过数据总线向总线收发器2“写”某一固定的十六进制数“α”。
其中R_输出＝0.1×(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)＝0.1×α
    α＝(2¹⁵d16+2¹⁴d15+…2^(i-1)di+…2²d3+2¹d2+2⁰d1)
总线收发器2收到这个十六进制数α后，就立即将该数送至锁存驱动电路3，锁存驱动电路3将该数锁存并输出。若无新的输入数据进来，该锁存驱动电路3的数据将保持不变给继电器网络4。继电器网络4收到这个十六进制数α后是这样来驱动继电器网络4的各路继电器的常闭触点的动作的：让每一路的继电器的控制线圈对应接锁存驱动电路3的某一数据输出位。当锁存驱动电路3的该数据输出位输出“0”时，该继电器不动作，相应的继电器Ki常闭触点保持常闭，与该触点并联的精密电阻短路，使该电阻位输出电阻为0Ω。当锁存驱动电路3的该数据输出位是“1”时，该继电器动作，相应的继电器的常闭触点Ki被打开。此时与该触点并联的基本电阻网络5的某精密电阻位RiKi(i＝1～16)本身的电阻值就是该电阻位的输出电阻值R_输出。如第6位的输出电阻就是R_输出＝R₆＝3.2Ω。
上述仅列出了16位的可编程标准电阻发生器，但针对不同使用阻值范围的用户，也可将其做成10位、11位、12位、13位、14位、15位等可编程标准电阻发生器，位数越少、输出电阻的最大误差就会比0.2Ω小。这是因为误差是继电器常闭触点不可避免的接触电阻的积累误差造成的，位数少所用继电器也少，积累误差也随之而减少。
尽管上述列出了本发明的一些具体实施例，对本领域的技术人员来说，可以在不超出权利要求所限定的范围的情况下对本发明所做的修改或修正应在本发明的保护之列。