一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器的制造方法
【专利摘要】一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，包括主控单元、连接主控单元的电阻网络和电阻测量单元，所述电阻网络包括M个串联电阻、与各电阻对应并联的M个常闭继电器和控制相应继电器开闭的M个继电器驱动电路，继电器驱动电路连接主控单元，主控单元接收电阻测量单元测量的电阻网络中各电阻的阻值，并通过继电器驱动电路控制相应继电器开闭，将对应并联的电阻置于开路或短路状态。本实用新型解决了现有无源电阻发生器输出精度完全依赖于电阻精度且输出精度低的问题，能够满足实际使用中对无源电阻器的精度要求。
【专利说明】
-种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器
技术领域
[0001] 本实用新型设及仪器仪表校准、电路测试等领域，是关于一种补偿硬件误差影响 的高精度无源电阻发生器。
【背景技术】
[0002] 电阻发生器作为仪器仪表校准、电路测试等领域的重要基准源，其精度指标尤为 重要。现有高精度电阻发生器主要包括电子式有源可调电阻器和数字化无源电阻器两种。 其中，电子式有源可调电阻器基于欧姆定律，通过处理器将输入的预置电阻值转化为相应 的控制信号来控制量程转换电路与增益设置电路，W改变电路总体输出的电压，进而实现 电阻值的智能调节。此电阻发生方法采用DAC忍片实现电压的增益放大，当工作电流较大使 得电压值超过DAC的最大参考电压时，等效电阻将保持不变，电阻器失效，并且此方法受工 作电流的限制，在通用性方面存在不足。数字化无源电阻器采用单片机或CMOS集成电路控 制继电器切换阻值为8421编码的精密电阻组合，实现无源电阻输出。此方法不受工作电流 的限制，通用性强，然而由于直接采用W电阻标称值为基准的8421输出方式，缺少对硬件误 差因素影响的分析，输出精度完全依赖于电阻精度，使用过程中器件老化将导致输出精度 的降低。此方法在实现电阻器的高输出精度W及鲁棒性方面尚存在不足。
[0003] 专利号是CN200410021628.6的中国专利提出一种控制和补偿"可编程标准电阻发 生器"误差的方法，此方法包括:至多16个精密电阻器RiQ = I~16)，依次按二进制规律制 作的逐位串联而成的电阻网路；用"并联电位器、Ial~Ibl正公差带法"消除Ri~Ris精密电 阻在绕制中带来的误差;确定好咕1、多圈电位器Rpi的最佳阻值，可使各精密电阻位Ri的误 差接近OQ。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常闭触点KiQ = I~16)，使每个电 阻位因继电器常闭触点接触电阻带来的误差在W下计算值之内（WN=S为例）：0.05 0/8 = 0.0063 Q <0.01 Q。此专利可使标准电阻在0~6553.6 Q量程内达到输出纯电阻的绝对误 差《0.20。此专利提供的误差控制和补偿方法虽然能够有效克服电阻制造误差及继电器 触点电阻对输出精度的影响，但此方法需通过调节Rpi、R串1的值将高精密电阻Ri调整至标称 值，对电阻及电位器精度要求高，可操作性差，且采用公差带法实现对电阻制造误差的补 偿，需使用0级精度高稳定特质精密级儘铜电阻W保证较好的补偿效果，成本较高。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的主要目的是提供一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器， 解决现有无源电阻发生器输出精度完全依赖于电阻精度且输出精度低的问题，提高无源电 阻器的输出精度。
[0005] 本实用新型是采用W下技术方案及技术措施来实现。
[0006] -种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，包括主控单元、连接主控单元 的电阻网络和电阻测量单元，所述电阻网络包括M个串联电阻、与各电阻对应并联的M个常 闭继电器和控制相应继电器开闭的M个继电器驱动电路，继电器驱动电路连接主控单元，主 控单元接收电阻测量单元测量的电阻网络中各电阻的阻值，并依据预置电阻值R通过硬件 误差补偿方法确定M个常闭继电器的最优开闭组合方式，通过继电器驱动电路控制相应继 电器开闭，将对应并联的电阻置于开路或短路状态，输出补偿硬件误差影响的无源电阻。
[0007] 较佳的，所述无源电阻发生器还包括与主控单元连接的显示单元，主控单元根据 显示单元输送的预置电阻值R，将由最优电阻组合方式得到的预输出电阻值RfPI触发送至显 示单元进行显示。
[0008] 较佳的，所述无源电阻发生器还包括与主控单元连接的存储单元，存储电阻测量 单元测量的电阻网络阻值。
[0009] 较佳的，所述电阻网络的串联电阻采用标称值能够组合成为1~10之内任意自然 数的四个基数、多个数量级的M个电阻。
[0010] 较佳的，所述串联电阻采用标称值为1、2、2、5或1、2、4、8的四个基数，且数量级W = l〇t 的 M 个电阻，t =……-2，-1，0，1，2,3……。
[0011] 较佳的，所述电阻测量单元是万用表，由万用表测量得到的电阻网络中各电阻阻 值是采用开尔文四线电阻测量方式多次测量的平均值。
[0012] 与现有技术相比，本实用新型至少具有下列优点及有益效果：
[0013] 本实用新型利用主控单元控制电阻网络，分析硬件误差对电阻输出值的影响规 律，建立各误差禪合影响下的电阻输出模拟方程的定量模型，采用广度优先捜索方法由定 量模型，得到实际输出值（ERm)读最接近预置电阻值R的M个常闭继电器的最优开闭组合方 式，继电器的最优开闭组合方式对应最优电阻组合方式N，补偿硬件误差的影响。通过控制 电阻网络的继电器驱动电路控制相应继电器开闭，将对应并联的电阻置于输出或短路状 态，得到有效补偿硬件误差的最优电阻组合，输出优化后的无源电阻，实现不完全依赖于电 阻精度的高精度电阻输出，解决了现有无源电阻发生器输出精度完全依赖于电阻精度且输 出精度低的问题，能够满足实际使用中对无源电阻器的精度要求，具有较强的鲁棒性和实 用性。
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型实施例的结构框图。
[0015] 图2是本实用新型实施例的电阻网络的一部分示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0017] 无源电阻发生器的实际电阻输出值主要受电阻网络中固有硬件误差的影响。误差 主要包括：电阻制造误差、电路中闭合继电器的触点电阻和连接继电器之间、继电器与电阻 之间的PCB板线路电阻护。电阻制造误差是由电阻制造工艺、电阻溫度系数引起的电阻真实 值与其标称值的差值。继电器触点电阻受触点表面材料的电阻率、压力、形态等诸多复杂因 素影响，不同继电器单次闭合触点电阻值W及同一继电器的多次闭合触点电阻值均不同， 且均为随机误差。PCB板线路电阻主要由PCB布线方式导致。
[0018] 为减小无源电阻发生器的预置电阻值R与实际输出值（ERi)读的误差，本实用新型 提出一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，通过对影响无源电阻器输出精度关 键问题的研究，模拟各硬件误差禪合影响下的实际输出电阻值，确定各误差对输出值的影 响规律，通过广度优先捜索方法依据此规律查找能够最有效补偿各误差影响的最优电阻组 合，实现误差影响的最小化，保证电阻器输出精度。
[0019] 本实用新型的电阻网络中选用高精度、低溫漂的电阻W减小电阻制造误差的影 响。在PCB布线过程中，遵循串联电阻间引线、电阻与对应的并联继电器间引线、输出端引出 线等线路最短的布局与布线规则W减小差的影响，并选用触点电阻小且电气寿命长的 双刀双掷继电器W减小此误差的影响。
[0020] 图1是本实用新型实施例的结构框图，图2是本实用新型实施例的电阻网络的一部 分示意图。参考图1和图2,本实用新型的高精度无源电阻发生器包括主控单元、连接主控单 元的电阻网络和电阻测量单元。电阻网络包括M个串联电阻、与各电阻对应并联的M个常闭 继电器和控制相应继电器开闭的M个继电器驱动电路，继电器驱动电路连接主控单元。主控 单元接收电阻测量单元测量的电阻网络中各电阻的阻值，并依据预置电阻值R通过硬件误 差补偿方法确定M个常闭继电器的最优开闭组合方式，继电器的最优开闭组合方式对应最 优电阻组合方式N，通过继电器驱动电路控制相应继电器开闭，将对应并联的电阻置于开路 或短路状态，输出补偿硬件误差影响的无源电阻。所述通过硬件误差补偿方法得到M个常闭 继电器的最优开闭组合方式，进而确定最优电阻组合方式N具体是由硬件误差对电阻输出 值的影响规律（即电阻输出模拟方程），采用广度优先捜索方法得到的。继电器驱动电路接 收主控单元输出的最优电阻组合方式信号，控制相应继电器开闭，使对应并联的电阻置于 开路或短路状态，输出优化后的无源电阻。该优化后的无源电阻可W有效补偿硬件误差的 影响，实现误差影响的最小化，保证电阻器的输出精度。
[0021] 在本实用新型的优选实施例中，无源电阻发生器还包括显示单元，显示单元与主 控单元连接，方便用户设定预置电阻值R，并输送给主控单元，主控单元根据显示单元输送 的预置电阻值R，将由最优电阻组合方式得到的预输出电阻值RfPl触发送至显示单元进行显 示，方便用户知道设定的预置电阻值R对应的电阻器预输出电阻值RfM。
[0022] 更进一步的，无源电阻发生器还可W包括存储单元，存储单元与主控单元连接，存 储电阻测量单元测量的电阻网络阻值，如电阻网络的空载电阻值Rd测，电阻网络中第M个电 阻的测量值Rwll等。
[0023] 电阻测量单元优选是高精度的万用表，电阻网络中各电阻阻值优选采用开尔文四 线电阻测量方式多次测量求平均值的方法得到。
[0024] 电阻网络的串联电阻采用标称值能够组合成为1~10之内任意自然数的四个基 数、多个数量级的M个电阻。例如，串联电阻可W采用标称值为1、2、2、5或1、2、4、8的4个基 数，数量级 W= IQt= {......1〇-2，1〇-1，10°，1〇1，1〇2，1〇3......}的1个电阻，*二……-2,-1，0，1， 2,3……。
[00巧]主控单元确定最优电阻组合方击N的晒件谋差补僕方巧是：
[0026] (1)建立电阻输出模拟方程 片，（ERm)濃是电阻网络的 模拟输出值，RoS表示电阻网络的空I R剛是电阻网络第M个电阻 的测量值；
[0027] (2)采用广度优先捜索方法优化电阻网络的电阻组合方式，补偿硬件误差的影响， 巧
得到最优电阻组合方式N，其中，Xi为由馬?组成的矩 阵，i为Xi的化柄;，i = l、2、…、S ,Kni为对应于Xi且编码为rii的继电器通断组合,Kni二0或1 ,ni 为Xi的组合编码号，最优电阻组合方式N是由nl~ns组成的巧降，min亲示景小。
[0028] 需要说明的是，电阻网络的实际输出可表示为
，其 中，（ERm)D实表示电阻网络的实际输出值，Re为继电器的不同次闭合差值，将其设为电阻输 出模拟方程与实际输出的差值。
[0029] 所述采用广度优先捜索方法确定最优电阻网络的电阻组合方式N的方法是：
[0030] (1)定义由而组成的矩阵为X(hx4)，H表示行数，列数为4列，HX4>M，X(hx4)对应的 标称值为&示扣X4) = ( Sl X W，S2 X W，S3 X W，S4 X W)，Kni =比ni 1，Kni2，Kni3，Kni4 ;
[00川（2)由編(HX4)建立理想输出方程Ra= E (SI XKni4，S2 XKni3，S3 XKni2，S4 XKnil X W，W= l0t，t = -2，-I，0，I，2……H-3，依据理想输出方程对X(H>a)的电阻组合进行编码，建立 电阻组合编码表；
[0032] (3)由电阻组合编码表，并根据广度优先捜索方法得到F(N)的所有可能解的矩阵U = [Ni，化，N3，。'，Nj，…];
[0033] (4)定义 F(N) =min(f (Nj)-R)
，根据 深度捜索方法依次捜索矩阵U，得到f (Nj) -R的最小值，相应的f (Nj)为颇輸出，对Nj中的元素依 据电阻组合编码表进行解码，即得到最优电阻组合方式N。
[0034] 实施例一
[00巧]设定无源电阻发生器的输出范围为1.OQ~20.OKQ、分辨力为0.IQ，采用的电阻 为0.OlQ~IOKQ，串联电阻选用标称值为1、2、2、5的四个基数、且数量级W ={0.01，0.1，1， 10，100，1000，10000}的25个电阳巧立.M= 1，2，……，25。该实施例优化电阻网络的电阻组合
方式的方法是：
[0036] (1)定义由馬组成的矩巧 - X74分别对应于 馬，...，馬，X对应的标称值式 ，Kni= [Knil， Kni2，Kni3，Kni4];
[0037] (2)由編建立理想输出方程Ra= E (S1 X Kni4，S2 X Kni3，S3 X Kni2，S4 X Kni 1 X W，其 中，SI、S2、S3、S4分别为I、2、2、5，依据理想输出方程对电阻组合进行编码，建立如表1所示 的电阻组合编码表；
[0038] (3)根据广度优先捜索方法得到所有电阻组合方式的矩阵U= [Ni,N2，N3, ...， Nj,...];
[0039] (4)定义 F(N) =min(f (Nj)-R)
，.根据 深度捜索方法依次捜索矩阵U，得到f (Nj) -R的最小值，相应的f (Nj)为颇輸出，对Nj中的元素依 据电阻组合编码表进行解码，即得到最优电阻组合方式N。
[0040] 表1实施例一电阻组合编码
[0041]
[0042] 实施例二
[0043] 设定无源电阻发生器的输出范围为1.OQ~1.OMQ、分辨力为0.IQ，串联电阻选 用标称值为1、2、4、8的四个基数、且数量级 W= {0.01，0.1，1，10,100,1000,10000,100000} 的32个电阻，2,……，32。该实施例优化电阻网络的电阻组合方式的方法是：
[0044] (1)定义由巧村组成的矩阵）
Xll、X21~X84分别对应于 馬，…，馬，X对应的标称值为，Kni = 比 nil，Kni2，Kni3，Kni4];
[0045] (2)由編建立理想输出方程Ra= E (S1 X Kni4，S2 X Kni3，S3 X Kni2，S4 X Kni 1) X W，其 中，SI、S2、S3、S4分别为I、2、4、8，依据理想输出方程对电阻组合进行编码，建立如表2所示 的电阻组合编码表；
[0046] 表2实施例二电阻组合编码 「nrM~7l
[004引（3)根据广度优先捜索方法得到所有电阻组合方式的矩阵U= [Ni,N2，N3, ...， N j，...];
[0049] (4)定义F(N) =min(f (Nj)-R)，
，根据 深度捜索方法依次捜索矩阵U，得到f (Nj)-R的最小值，相应的f (Nj)为嚇触，对N冲的元素依 据电阻组合编码表进行解码，即得到最优电阻组合方式N。
[0050] 下面通过实验验证本实用新型的效果。
[0051] 首先对系统初始校准，采用精度为日1/2的Aligent 34401A高精度万用表作为电阻 测量单元，W开尔文四线电阻测量方式多次测量电阻网络中各电阻的阻值，求其平均值，最 小化测量引线、测量触点电阻的影响W保证测量的准确性。系统初始校准执行一次后，电阻 发生器即可正常工作。为保证电阻发生器的精度不受器件老化的影响，使用过程中可根据 电阻及继电器老化状况定期执行校准过程，W保证本电阻器的鲁棒性。
[0052] 实验在室溫下进行，主控单元主频为72MHz，电阻网络中采用精度为千分之一、低 溫度系数的25个电阻。采用实施例一，实验抽取1.0 Q~20KQ范围内的10000个预置电阻值 作为实验样本，按照电阻输出流程依次输出最优电阻组合，同时控制34401A采用开尔文四 线方式测量各最优电阻组合的输出值，将测量结果及预输出值通过波特率为9600bps的串 口发送至上位机进行统计分析。实验结果中，预置电阻值与实际输出值在输出范围内的相 对误差如表3所示。
[0化3] 表3相对误差表
[0化4]
[0055]在表3中，第二列的预置电阻值R与实际输出值（ERi)读的相对误差为电阻器在输 出范围内的总体相对误差，第=列显示了按本实用新型最优电阻组合确定方法产生的预输 出电阻值R5I触和预置电阻值R的相对误差，按本实用新型硬件误差补偿方法确定的预输出 最大绝对误差为±0.008 0。实验表明，本实用新型的无源电阻发生器在实现1.0 Q~20.OK Q的输出范围、0.1 Q分辨力的技术指标下，输出误差优于±0.09 Q，输出响应时间小于 8ms，其中继电器响应时间约为4ms，采用硬件误差补偿方法确定最优电阻组合方式的执行 时间约为3.6ms。本实用新型能够满足实际使用中对无源电阻器的精度要求，具有较强的鲁 棒性和实用性。
【主权项】
1. 一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，其特征在于，包括主控单元、连接 主控单元的电阻网络和电阻测量单元，所述电阻网络包括Μ个串联电阻、与各电阻对应并联 的Μ个常闭继电器和控制相应继电器开闭的Μ个继电器驱动电路，继电器驱动电路连接主控 单元，主控单元接收电阻测量单元测量的电阻网络中各电阻的阻值，并通过继电器驱动电 路控制相应继电器开闭，将对应并联的电阻置于开路或短路状态。2. 根据权利要求1所述的一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，其特征在 于，所述无源电阻发生器还包括与主控单元连接的显示单元。3. 根据权利要求1所述的一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，其特征在 于，所述无源电阻发生器还包括与主控单元连接的存储单元，存储电阻测量单元测量的电 阻网络阻值。4. 根据权利要求1所述的一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，其特征在 于，所述电阻网络的串联电阻采用标称值能够组合成为1~10之内任意自然数的四个基数、 多个数量级的Μ个电阻。5. 根据权利要求1所述的一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，其特征在 于，所述串联电阻采用标称值为1、2、2、5或1、2、4、8的四个基数，数量级W=l〇1^M个电阻，t =......-2，-1，0，1，2，3 〇6. 根据权利要求1所述的一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器，其特征在 于，所述电阻测量单元是万用表。
【文档编号】H01C10/04GK205582652SQ201620410215
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】徐巧玉, 王红梅, 王军委, 毛鹏, 赵知春
【申请人】洛阳银杏科技有限公司