一种补偿硬件误差影响的高精度无源电阻发生器

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，并依据预置电阻值R通过硬件误差补偿方法确定最优电阻组合方式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。本发明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。

说明书

技术领域

本发明涉及仪器仪表校准、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

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，以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芯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，然而由于直接采用以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以及鲁棒性方面尚存在不足。

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R_i(i＝1～16)，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、|a|～|b|正公差带法”消除R₁～R₁₆精密电阻在绕制中 带来的误差；确定好R_串i、多圈电位器R_pi的最佳阻值，可使各精密电阻位R_i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常闭触点K_i(i＝1～16)，使每个电阻位因继电器常 闭触点接触电阻带来的误差在以下计算值之内(以N＝8为例)：0.05Ω/8＝0.0063Ω＜0.01Ω。 此专利可使标准电阻在0～6553.6Ω量程内达到输出纯电阻的绝对误差≤0.2Ω。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R_pi、R_串i的值将高精密电阻R_i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 精密级锰铜电阻以保证较好的补偿效果，成本较高。

发明内容

本发明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。

本发明是采用以下技术方案及技术措施来实现。

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，并依据预置电阻值R通过硬件误差 补偿方法确定最优电阻组合方式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。

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R_预输出发送至显示单元 进行显示。

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。

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。

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＝10^t的M个电阻，t＝……-2，-1，0，1，2，3……。

较佳的，所述硬件误差补偿方法是：

(1)建立电阻输出模拟方程其中，(∑R_M)_o模表示电阻网络的模拟 输出值，R_o测为电阻网络的空载电阻值，R_M测为电阻网络第M个电阻的 测量值；

(2)采用广度优先搜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，使 得到最优电阻组合方式N，其中，X_i为由组成的矩阵， i为X_i的行标，i＝1、2、…、s，K_ni为对应于X_i且编码为ni的继电器通断组合，K_ni＝0或1， ni为X_i的组合编码号，最优电阻组合方式N是由n1～ns组成的矩阵，min表示最小。

较佳的，由所述广度优先搜索方法得到最优电阻组合方式N的方法是：

(1)定义由组成的矩阵为X_(H×4)，H表示行数，列数为4列，H×4≥M，X_(H×4)对应的标 称值为X_标(H×4)＝(S1×W，S2×W，S3×W，S4×W)，K_ni＝[K_ni1，K_ni2，K_ni3，K_ni4]， S1、S2、S3、S4表示所述串联电阻的四个标称值；

(2)由X_标(H×4)建立理想输出方程R_理＝∑(S1×K_ni4，S2×K_ni3，S3×K_ni2，S4× K_ni1)×W，W＝10^t，t＝-2，-1，0，1，2……H-3，依据理想输出方程对X_(H×4)的电阻组合进 行编码，建立电阻组合编码表；

(3)由电阻组合编码表，并根据广度优先搜索方法得到F(N)的所有可能解的矩阵 U＝[N₁，N₂，N₃，…，N_j，…]；

(4)定义F(N)＝min(f(N_j)-R)，根据深度 优先搜索方法依次搜索矩阵U，得到f(N_j)-R的最小值，相应的f(N_j)为R_预输出，对N_j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。

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。

较佳的，所述无源电阻发生器的输出范围是1.0Ω～1.0MΩ，分辨力是0.1Ω。

较佳的，所述无源电阻发生器的输出范围是1.0Ω～20.0KΩ，分辨力是0.1Ω。

与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果：

本发明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，建立各误差耦 合影响下的电阻输出模拟方程的定量模型，采用广度优先搜索方法由定量模型得到实际输出 值(∑R_M)_o实最接近预置电阻值R的最优电阻组合方式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

图1是本发明实施例的结构框图。

图2是本发明实施例的电阻网络的一部分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

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R⁰。电阻制造误差是由电阻制造工艺、电阻温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以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。

为减小无源电阻发生器的预置电阻值R与实际输出值(∑R_i)_o实的误差，本发明提出一种 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，模拟各硬件误差耦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 广度优先搜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。

本发明的电阻网络中选用高精度、低温漂的电阻以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以减小R⁰误差的影响,并选用触点电阻小且电气寿命长的双刀双掷继 电器以减小此误差的影响。

图1是本发明实施例的结构框图，图2是本发明实施例的电阻网络的一部分示意图。 参考图1和图2，本发明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 广度优先搜索方法得到的。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 后的无源电阻可以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。

在本发明的优选实施例中，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R_预输出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R_预输出。

更进一步的，无源电阻发生器还可以包括存储单元，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R_o测，电阻网络中第M个电阻 的测量值R_M测等。

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。

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，串联电阻可以采用标称值为1、2、2、5或1、2、4、8的4个 基数，数量级W＝10^t＝{……10^-2，10^-1，10⁰，10¹，10²，10³……}的M个电阻，t＝……-2， -1，0，1，2，3……。

主控单元确定最优电阻组合方式N的硬件误差补偿方法是：

(1)建立电阻输出模拟方程其中，(∑R_M)_o模是电阻网络的模 拟输出值，R_o测表示电阻网络的空载电阻值，R_M测是电阻网络第M个电 阻的测量值；

(2)采用广度优先搜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，使 得到最优电阻组合方式N，其中，X_i为由组成的矩阵， i为X_i的行标，i＝1、2、…、s，K_ni为对应于X_i且编码为n_i的继电器通断组合，K_ni＝0或1， ni为X_i的组合编码号，最优电阻组合方式N是由n1～ns组成的矩阵，min表示最小。

需要说明的是，电阻网络的实际输出可表示为：其中， (∑R_M)_o实表示电阻网络的实际输出值，R_e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。

所述采用广度优先搜索方法确定最优电阻网络的电阻组合方式N的方法是：

(1)定义由组成的矩阵为X_(H×4)，H表示行数，列数为4列，H×4≥M，X_(H×4)对应 的标称值为X_标(H×4)＝(S1×W，S2×W，S3×W，S4×W)， K_ni＝[K_ni1，K_ni2，K_ni3，K_ni4]；

(2)由X_标(H×4)建立理想输出方程R_理＝∑(S1×K_ni4，S2×K_ni3，S3×K_ni2，S4× K_ni1）×W，W＝10^t，t＝-2，-1，0，1，2……H-3，依据理想输出方程对X_(H×4)的电阻组合进 行编码，建立电阻组合编码表；

(3)由电阻组合编码表，并根据广度优先搜索方法得到F(N)的所有可能解的矩阵 U＝[N₁，N₂，N₃，…，N_j，…]；

(4)定义根据 深度搜索方法依次搜索矩阵U，得到f(N_j)-R的最小值，相应的f(N_j)为R_预输出，对N_j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。

实施例一

设定无源电阻发生器的输出范围为1.0Ω～20.0KΩ、分辨力为0.1Ω，采用的电阻为 0.01Ω～10KΩ，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个电阻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：

(1)定义由组成的矩阵为x₁₁、x₂₁～x₇₄分别对应于 X对应的标称值为K_ni＝[K_ni1，K_ni2，K_ni3，K_ni4]；

(2)由X_标建立理想输出方程R_理＝∑(S1×K_ni4，S2×K_ni3，S3×K_ni2，S4×K_ni1)× W，其中，S1、S2、S3、S4分别为1、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；

(3)根据广度优先搜索方法得到所有电阻组合方式的矩阵 U＝[N₁，N₂，N₃，…，N_j，…]；

(4)定义F(N)＝min(f(N_j)-R),根据深 度搜索方法依次搜索矩阵U，得到f(N_j)-R的最小值，相应的f(N_j)为R_预输出，对N_j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。

表1实施例一电阻组合编码

k_ni1 k_ni2 k_ni3 k_ni4 R_理ni 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 2 2 0 0 1 0 2 3 1 1 0 0 3 4 1 0 1 0 3 5 0 1 1 0 4 6 0 0 0 1 5 7 1 1 1 0 5 8 1 0 0 1 6 9 0 0 1 1 7 10 0 1 0 1 7 11 1 0 1 1 8 12 1 1 0 1 8 13 0 1 1 1 9 14 1 1 1 1 10 15

实施例二

设定无源电阻发生器的输出范围为1.0Ω～1.0MΩ、分辨力为0.1Ω，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M＝1，2，……，32。该实施例优化电阻网络的电阻组合方式的方法是：

(1)定义由组成的矩阵为x₁₁、x₂₁～x₈₄分别对应于 X对应的标称值为K_ni＝[K_ni1，K_ni2，K_ni3，K_ni4]；

(2)由X_标建立理想输出方程R_理＝∑(S1×K_ni4，S2×K_ni3，S3×K_ni2，S4×K_ni1)× W,其中，S1、S2、S3、S4分别为1、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；

表2实施例二电阻组合编码

k_ni1 k_ni2 k_ni3 k_ni4 R_理ni 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 2 2 1 1 0 0 3 3 0 0 1 0 4 4 1 0 1 0 5 5 0 1 1 0 6 6 1 1 1 0 7 7 0 0 0 1 8 8 1 0 0 1 9 9 0 1 0 1 7 10

(3)根据广度优先搜索方法得到所有电阻组合方式的矩阵 U＝[N₁，N₂，N₃，…，N_j，…]；

(4)定义F(N)＝min(f(N_j)-R)，根据 深度搜索方法依次搜索矩阵U，得到f(N_j)-R的最小值，相应的f(N_j)为R_预输出，对N_j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。

下面通过实验验证本发明的效果。

首先对系统初始校准，采用精度为6^1/2的Aligent34401A高精度万用表作为电阻测量单 元，以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以保证测量的准确性。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，以保证本电阻器的鲁棒性。

实验在室温下进行，主控单元主频为72MHz，电阻网络中采用精度为千分之一、低温 度系数的25个电阻。采用实施例一，实验抽取1.0Ω～20KΩ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。

表3相对误差表

在表3中，第二列的预置电阻值R与实际输出值(∑R_i)_o实的相对误差为电阻器在输出范 围内的总体相对误差，第三列显示了按本发明最优电阻组合确定方法产生的预输出电阻值 R_预输出和预置电阻值R的相对误差，按本发明硬件误差补偿方法确定的预输出最大绝对误差为 ±0.008Ω。实验表明，本发明的无源电阻发生器在实现1.0Ω～20.0KΩ的输出范围、0.1Ω 分辨力的技术指标下，输出误差优于±0.09Ω，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。本发明能 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。