用数字电位器实现自动调零的一种方法

基金项目:安徽省教育厅一般基金资助项目(2003jk093)收稿日期:2003-06-18 收修改稿日期:2003-10-28

用数字电位器实现自动调零的一种方法

柏方艳,欧阳名三

(安徽理工大学,安徽淮南　232001)

摘要:为克服机械电位器调零的局限性,从介绍数字电位器的原理出发,详细地给出了采用数字电位器来实现自动

调零的具体电路,并从原理上分析了电路的工作过程,说明该电路能完成自动调零工作。关键词:数字电位器;自动调零;时序中图分类号:TH7 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2004)03-0036-01

K ind of T echnique of Autom atic Z ero Adjust U sing Digital Potentiometer

BAI F ang 2yan ,OU YANG Ming 2san

(Anhui University of Science and T echnology ,Huainan 232001,China )

Abstract :In order to overcome s ome shortages of mechanical potentiometer ,the principle of Digital P otentiometer is first intro 2duced.And the material circuits which are used to realize zero adjust automatically are detailed.The processes of realization of these cir 2cuits are analyzed detailedly in principle.I t shows these circuits can realize zero adjust automatically.K ey Words :Digital P otentiometer ;Automatic Z ero Adjust ;T ime 2sequence

1　引言

在许多测试仪器仪表应用中,由于其所用传感器可能会受到环境温度、湿度,地理位置的影响,因此很多需要在现场测试前进行调零操作。而传统的调零方法大多是采用机械电位器进行,这种方法调节起来麻烦、费时。而数字电位器可以轻松准确地实现调零,为仪器的使用带来方便。

2　数字电位器原理[1]

数字电位器是利用微电子技术制成的集成电路,一般用电阻阵列和多路模拟开关组合实现电阻的改变,因而克服了机械电位器的缺点。其内部结构参见文献[1]。其控制时序如图1所示,VW 为调节端(中心抽头)。它允许通过程序或电路控制,按照其时序调节其输出电阻值,并能实现断电保存。不同的型号电位器的输出抽头数不同,即节一次电位器输出的电阻变化率不同,普遍用的有100和256个抽头两种,也就是说每次调节可以使电位器输出阻值变化其总值的1/99或1/255。其工作模式如表1

。

图1　X9M M 控制信号时序图

表1　电位器工作模式

CS

INC

U/D

工作模式低电平下降沿高电平向上调节

低电平下降沿低电平向下调节上升沿高电平任意电平

存贮滑动端位置

3　调零控制实现

在电路设计中,将调零点的输出信号取出,作为判断调零是否为0的依据。图2中假设调零点为一传感器电桥,而调零

电位器置于桥臂输出两端中心点接地

。

图2　自动调零电路

3.1　电位器增/减控制

从图中接线可知,输出电压U 0为正时,电位器必须调小;

U 0为负时,则必须调大。采用一个运算放大器作为电压比较器,其输出电平用来直接控制电位器的增/减端。考虑到运算放大器的输出还要应用到后面的控制,为保证可靠的边缘,同时整个电路中还有多余的非门,因而采用U1-5作为整形电路,这样运算放大器就采用了如图2的接法,来实现在U 0为正时加在电位器U3的U/D 端的电平为低电平,而U 0为负时,加在U/D 端为高电平的控制要求。

3.2　启动调零控制

3.2.1　初始状态

电路一开始加电,由于电容C 3上电压为0,从而使与门U2

-1与U2-2组成的闭锁电路的c 、d 两点输出低电平。d 点的低电平通过U1-4的反向使调零电位器U3的CS 端置高电平,从而使U3不进行调节;同时由于c 点的低电平使e 点箝位在低电平,经过非门U1-3在U3的I NC 端得到无效的高电平,也使U3不调节。这种状态一直维持到调零按钮AN 的操作。3.2.2　启动控制及调零

一旦要进行调零,只需按动按钮AN ,它使U2-2的输入为高电平,只要运放A1的输出电平不翻转U2-1的两个输入都为高电平,闭锁电路就维持在c 、d 点输出高电平。d 点的高电平使U3的CS 端得到有效的低电平,而c 点的高电平使由D3、

D4和U1-3组成的与非门的输出仅由来自

(下转第42页)　2004年仪表技术与传感器

2004 第3期Instrument T echnique and Sens or N o 13　

图3　

元件的响应恢复特性

图4　工作电流在70m A

时元件的选择性

由图4可以看出:在70mA 的加热电流下,对于浓度为1000×10-6的各种气体,元件对C O 有良好的选择性。对于干扰性较强的H 2,元件的分离度为S C O /S H 2=4,同时对酒精和甲烷的灵敏度更低,此元件的抗干扰能力较强。

1料与2料的质量比为5∶4的材料制成的元件具有良好的特性,此材料成分即为在SnO 2中掺入RuO 2(013wt %)、Sb 2O 3(2wt %)、CeO 2(2wt %)、S iO 2(2wt %)和PdCl 2(2wt %)。

由于SnO 2材料自身的特性,使得SnO 2元件受环境的湿度和温度的影响很大,长期稳定性较差。实验表明:通过掺杂的办法可以减弱外界条件对元件性能的不良影响。S iO 2的加入

能够阻止水分子在元件表面的吸附,减少表面羟基的密度,减弱环境湿度变化对元件性能的影响;而且Sb 2O 3作为稳定剂减弱了元件的温度系数,增强了稳定性。所以按适当的比例进行掺杂可以得到具有良好性能的SnO 2基C O 元件。

4　结论

1料与2料的质量比为5∶4制成的元件具有良好的性能:

最佳工作电流为70mA ;具有良好的响应恢复特性,不必用高低温交替的工作方式进行工作;对C O 有良好的选择性;元件具有较好的长期稳定性。

参考文献

[1]　吴家琨,董慧燕,孙良彦.氧化物材料的掺杂对SnO 2材料气敏特

性的影响.吉林大学自然科学学报,1994,7:311-314.[2]　S ARA LA D G,M ANORAM A S ,RAO V J.High sensivtivity and selectivity

of an SnO 2sens or to H 2S at around 100℃.Sens ors and Actuators ,1995,

28:31-37.

[3]　S ARA LA D G,M ANORAM A S ,RAO V J.SnO 2:Bi2O3based C o sen 2

s or :Laser 2Raman ,tem perature programmed des orption and X 2Ray photo 2electron spectroscopic studies.Sens ors and Actuators ,1999,56:98-105.[4]　牛新书,徐荭,王新军.γ2Fe 2O 3超微粉的制备及气敏掺杂效应.功

能材料与器件学报,2001,7(1):107-111.

(上接第36页)

D4

的时针脉冲C Lk 决定。

这时,来自运放的输出就能按照时钟C LK 的频率控制着数字电位器U3的增减。U 0大于0,则在U3的U/D 端得到低电平,电位器的VW 端对V L 端的电阻降低;否则得到高电平,电位器的VW 端对V L 端的电阻增加。只要U 0值不过零,电位器会向同一方向变化,直到U 0为零或极性发生变化,则停止调节,从而实现调零输出。

3.3　停止调节/保存电位器位置控制

3.3.1　停止控制

无论运放的输出为低还是高电平,它都用来控制所需电平,无法利用其实现停止控制。考虑到运放在开始调零前就得到了U 0的大小,这样就给出了电位器调节方向。一旦调零开始,则按照这个方向调节电位器,直到U 0为0(原来U 0>0)或极性发生变化(原来U 0<0),如果此时不停止,则电位器会按原来相反的方向调节,很快U 0的输出又会改变方向,这样就会在0点附近产生调节振荡。

可以看出,第一次U 0的翻转实际上就已经完成调零。这样就可以利用第一次的运放A1的输出翻转作为停止信号。这里采用对输出进行微分的方法,由C 1和R 1组成的微分电路完成对A1的正跳变采集,而由U1-1、C 2和R 2组成的电路完成对A1的负跳变的采集,其实现波形图3所示。它们的输出经由D1、D2和U1-2组成的或非门送至闭锁电路U221的输入端。这样只要A1电平发生翻转,U1-2就会输出一个低电平脉冲使闭锁电路发生翻转。从而在U3的CS 端和I NC 端加上高电平,使电位器停止节。这里要求微分环节的时间要保证闭锁电路的可靠翻转。3.3.2　位置保存

按表1给出的控制关系及图1中的时序要求,须在U3的I NC 为高电平时,CS 的上升沿才能将VW 端的位置(内部计数器计数值)保存。而在时序上I NC 至少比CS 早1μs 出现上升沿。为满足这个关系,在闭锁电路中增加一积分环节,使停止脉冲(负电平)到来时,CS 端的高电平要比I NC 端高电平要迟

一点,这个延迟时间就是C 3上的高电平经R 4放电的时间。只要这个时间大于1μs 则可满足时序要求,使电位器能实现位置保存。同时由于延时环节的存在,就要求停止脉冲的脉宽(微分时间)大于延时时间,否则不能保证电位器可靠的停止。

图3　跳变采集的波形图

图4　NE555组成的时钟电路

4　时钟信号CL K 的产生

根据时序要求,I NC 的周期只要正脉宽大于3μs 和负脉宽大于1μs 即可。但由于电位器的输出端的阻值变化远慢于输入的改变(迟200～500μs ),因此如要在运放A1输入端保证每次改变电位器都得到改变的电压值,则I NC 的变化频率必须小于2kH z (1/500μs )。这个时针信号可以采用一片集成定时器NE555来实现[2],电路如图4所示。按照下式选择好电容及电阻,使其振荡频率为500H z ～2kH z.

f ≈1143/[(R 1+2R 2)C]

5　结束语

由数字电位器组成的自动调零电路,只要注意产生停止脉冲的微分环节和闭锁电路中的积分环节的参数选择,调试并不复杂,都能准确地完成自动调零功能。在需要进行调零的仪器仪表或设备中,采用数字电位器实现自动调零,将为现场或实验室的测试仪表或设备的使用带来极大的方便。

参考文献

[1]　X9M ME DAT A.http ://w w .[2]　阎石.数字电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,1998:

370-374.

　42　Instrument T echnique and Sens or Mar 12004