本发明涉及电路设计领域，具体为一种有源的可变电阻器。
背景技术：
传统电阻箱通过旋转旋钮调整不同倍数的的电阻旋钮，达到切换不同阻值的目的，这一类变阻箱常用作教具展示使用，改变阻值较为灵活，但是体积较大，需要手动改变阻值，不利于集成，阻值切换需要人工操作，并且有机械触点，使用一段时间后容易出现阻值较大的接触电阻。传统电阻箱在工作一段时间后会逐渐升温，导致电阻阻值改变，但是对于这类型范围稍大的电阻器来讲，用传统的自补偿法和桥路补偿法会提高复杂程度并且增加成本。目前在常见的电路板中，可变电阻常用的是电位器，它由电阻体和滑动系统构成，常需使用螺丝刀扭动电位器螺母达到变阻的目的。在集成电路设计中，为了缩小体积就必须避开机械结构，且集成电路板是一个精密的系统，集成电路板在上电运行过程中变阻器阻值必须精确可知。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的缺点而提供一种可以通过单片机mcu编程控制的有源的可变电阻器，该发明体积小，无机械结构，便于集成，可以实现对变阻器阻值的精确控制，可根据需要改变阻值，变阻范围大精度高，电阻精度可达10-3ω，并且通过自动控制原理实现了电阻阻值的温度补偿。
为解决本发明的技术问题采用如下技术方案。
一种有源的可变电阻器，通过上位机设定需要的电阻，上位机再将该阻值传送至单片机mcu处理，通过单片机mcu控制mos管的通断达到接入不同整数值电阻，通过单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs的电压模拟低于1ω阻值，电压检测元件和电流检测元件通过a/d转换器使单片机mcu获取当前电阻端口电压值和电流值，进而得到当前电路的整体等效电阻值，通过mcu内置过增量式pi算法控制电压控制的电压源vcvs的电压使其阻值发生变化，从而使当前电路的整体等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻。
其电路为：包括第1脚、第2脚、第3脚和第4脚，第1脚和第4脚之间接电压检测元件，电压检测元件连接a/d转换器再接入单片机mcu；第1脚和第2脚之间接与mos管并联的电阻构成的电阻网络，mos管的栅极全部接单片mcu；第2脚和第3脚之间接电流检测元件，电流检测元件连接a/d转换器再接入单片机mcu；第3脚和第4脚之间接充当电阻的电压控制的电压源vcvs，通过mcu内置过增量式pi算法控制电压控制的电压源vcvs的电压使其阻值发生变化，从而使当前电路的整体等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻；第1脚和第4脚接外部电路。
所述电阻网络由n个单元串联而成，每个单元由电阻与mos管并联组成，电阻阻值进行二进制编码，通过mos管的开关作用可以组合不同阻值的电阻接入电路，进而可以组合得到所有整数值电阻，电阻阻值逐个为2nω，（n=0,1,2……n）；
上位机与单机片mcu进行通信，通过上位机设置当前变阻器的电阻值大小，通过单机片mcu控制相应mos管的通断；单机片mcu控制nmos管栅极电压为高电平时nmos管导通，mos管并联的电阻被去除不接入电路；当mcu控制nmos栅极电压为低电平时，mos管不导通，与之并联的电阻接入电路，相应地增加了阻值。通过单片机mcu控制不同n沟道增强型mos管的通断，可实现任意整数阻值的变换。单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs实时模拟低于1ω的电阻阻值，综合外部接入端口的分压值，通过单片机mcu的计算，得到还未实现的低于1ω的电阻的分压值，单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs实现这部分分压，选择高精度dac，可以实现高精电压模拟值。电流检测组件串入电路中，通过高精度adc可将电流监测数据实时传入单片机mcu，使单片机mcu可以实时得到电路电流的大小；通过高精度adc可将外部电压监测数据实时传入单片机mcu，使单片机mcu可以实时得到电路电压的大小。单片机mcu得到电压检测数据和电流监测数据，两类数据比值即为当前电路整体等效电阻值，利用其构成反馈回路，单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs电压值，使整体电阻值保持稳定数值，并从而使当前电路的整体等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻。单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs电压，单片机mcu使用增量式pi算法进行控制，避免了重复设计算法，为程序设计带来便利，提高了整个系统运行的准确性和快速性，改善了动态性能，使整个系统拥有更好的性能。电阻网络因温度升高而导致出现了超过1ω的阻值变化时，单片机mcu重新控制不同组合的mos通断即可。当对外部电路进行调整时，导致外部端口电压和外部电阻发生变化时，通过上位机使单片机mcu暂停工作，避免因外部条件的变化导致mcu反馈调节的误操作。
本发明公开了一种有源的可变电阻器，该可变电阻器通过上位机输入设定的电阻值，上位机编写程序实现分段函数，可以使变阻器在不同时间窗口内表现为不同阻值的电阻，自动输出阻值，上位机再将该阻值传送至单片机mcu处理，单片机mcu根据设定的电阻值和端口电压确定mos管的通断位置和数量，并且控制电压控制的电压源vcvs电压模拟小阻值电阻。在运行一段时间后监测电阻值的变化，通过单片机mcu内置的增量式pi算法控制mos管或者电压控制的电压源vcvs电压，实现了电阻的温度补偿并且可以减小其他附加误差。
本发明可以方便地读取和调节电阻值，避免了机械结构，缩小了体积，并且具有一定的稳定性，在电路设计领域有广泛的前景。其具有以下优点：a、电阻阻值变化范围宽；b、精度较高，由于0.001ω的电阻不易制作，使用性能好的电压控制的电压源vcvs和更高精度的dac甚至可以模拟比0.001v更低的电压，已达到模拟更小的电阻的目的；c、系统稳定性好，单片机mcu内置增量式pi算法可以快速使整体电阻回到稳定值。d、体积小，使用的器件体积都比较小,整个变阻器体积仅为一块小型电路板；e、整个装置无继电器，无机械触点，避免了在长时间使用后由于触点老化带来的附加电阻和出点电阻。
附图说明
图1为本发明一电路结构示意图；
图2为本发明工作步骤流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定发明的范围。
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
一种有源的可变电阻器，通过上位机设定需要的电阻，上位机再将该阻值传送至单片机mcu处理，单片机mcu内置过增量式pi算法，通过单片机mcu控制mos管的通断达到接入不同整数值电阻，通过单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs的电压模拟低于1ω阻值，电压检测元件和电流检测元件可以通过a/d转换器使单片机mcu获取当前电阻端口电压和电流值，进而得到当前电路的整体等效电阻值，通过mcu内置过增量式pi算法控制电压控制的电压源vcvs的电压使其阻值发生变化，从而使当前电路的整体等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻。
上述有源的可变电阻器的电路为：包括第1脚、第2脚、第3脚和第4脚，第1脚和第4脚之间接高精度电压检测元件，电压检测元件连接高精度a/d转换器再接入单片机mcu；第1脚和第2脚之间接与mos管并联的电阻构成的电阻网络，mos管的栅极全部接单片mcu；第2脚和第3脚之间接电流检测元件，电流检测元件连接高精度a/d转换器再接入单片机mcu；第3脚和第4脚之间接高精度dac充当电压控制的电压源vcvs，由单片机控制高精度dac；第1脚和第4脚接外部电路。
其中mos管并联的电阻构成的电阻网络是由若干个n沟道增强型mos管与电阻并联部分串联而成，所有n沟道增强型mos管的电流流动方向全部一致。电阻阻值进行二进制编码，对电阻的阻值顺次逐个为2nω，（n=0,1,2……n），通过mos管的开关作用可以组合不同阻值的电阻接入电路，进而可以组合得到所有整数值电阻。
上位机与单机片mcu进行通信，通过上位机设置当前变阻器的电阻值大小，通过单机片mcu控制相应mos管的通断；单机片mcu控制nmos管栅极电压为高电平时nmos管导通，mos管并联的电阻被去除不接入电路；当mcu控制nmos栅极电压为低电平时，mos管不导通，与之并联的电阻接入电路，相应地增加了阻值。通过mcu控制不同n沟道增强型mos管的通断，可实现任意整数阻值的变换。单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs实时模拟低于1ω的电阻阻值，综合外部接入端口的分压值，通过单片机mcu的计算，得到还未实现的低于1ω的电阻的分压值，单片机控制电压控制的电压源vcvs实现这部分分压，选择高精度dac，可以实现精度为0.001v的电压模拟值，利用电压控制的电压源vcvs模拟电阻分压。电流检测组件串入电路中，通过高精度adc可将电流监测数据实时传入单片机mcu，使单片机mcu可以实时得到电路电流的大小；通过高精度adc可将外部电压监测数据实时传入单片机mcu，使单片机mcu可以实时得到电路电压的大小。单片机得到电压检测数据和电流监测数据，两类数据比值即为当前电路电阻值，利用其构成反馈回路，单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs电压值，使整体电阻值保持稳定数值。单片机mcu控制电压控制的电压源vcvs电压使用增量式pi算法进行控制，避免了重复设计算法，为程序设计带来便利，提高了整个系统运行的准确性和快速性，改善了动态性能，使整个系统拥有更好的性能。电阻网络因温度升高而导致出现了超过1ω的阻值变化时，单片机mcu重新控制不同组合的mos通断即可。当对外部电路进行调整时，导致外部端口电压和外部电阻发生变化时，通过上位机使mcu工作，避免因外部条件的变化导致mcu的误操作。
通过电阻分压定律，用电阻与nmos管并联再逐个串联构成的电阻网络，模拟整数部分的电阻阻值，此时可以计算出电阻网络分压大小，对nmos栅极使用二进制编码即可确定电阻阻值；其余分压使用电压控制的电压源vcvs。
电流检测元件串联接入电路中，电压检测元件并入端口，两者得到的模拟数据通过高精度a/d转换器后传送至单片机mcu中，根据欧姆定律r=u/i可知，电流与电压的比值即为电阻值，可以提高控制精度，单片机mcu可以实时了解电路电压电流的波动以获得电阻阻值的变化。
在单片机mcu配置完相关mos管的通断和电压控制的电压源vcvs电压后，电流检测元件和电压检测元件实时检测相关数据，若因温度升高造成电阻不稳定，单片机mcu内置的增量式pi控制算法实时动态调整电压控制的电压源vcvs的电压大小，使整体模拟的电阻阻值稳定，从而使当前电路的整体等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻。pi控制算法内置在mcu中，pi控制使用增量式pi控制算法，该算法具有占用的内存空间小的优点。控制量
图2为发明工作步骤流程，包括如下步骤：步骤201上位机确定电阻值，单片机mcu控制对应nmos管的通断，实时给出整数阻值的电阻。单片机步骤202根据剩余小数部分电阻值和已知的端口电压值和已经模拟出的整数部分电阻值的三者的关系，单片机mcu计算的到电压控制的电压源vcvs的电压，单片机mcu通过高精度d/a转换器充当电压控制的电压源vcvs来实现该电压值。步骤203根据电流/电压检测值，单片机mcu可以确定当前模拟的电阻是否稳定，若不稳定，可以实时通过增量式pi控制算法实时修正电压控制的电压源vcvs的电压值，保持整个电阻值的稳定，若电阻变化超过1ω则mcu控制个别mos的通断。步骤204外部电路结构改变时，通过上位机暂停单片机mcu工作，防止单片机mcu的误操作，外部电路稳定后在继续工作。
通过上位机设置了预期实现的目标电阻值（以预期实现138.256ω为例），单片机mcu控制mos的通断实现整数值电阻（这部分可实现138ω），单片机mcu通过d/a转换器实现小数部分的分压（也就是实现0.256ω电阻的分压）。在这一步骤结束后，电压检测元件和电流检测元件可以通过a/d转换器使单片机mcu获取当前电阻端口电压和电流值，进而得到当前电路的整体等效电阻值。选用的电阻总会有一定的误差，mos管也会引入一部分导通电阻，所有整体电路的电阻会和目标电阻值有一些误差。在单片机mcu获取到当前电路的电压和电流值后，可得到当前电路整体电阻值，此值与目标电阻值之间会存在一定差距，此为误差，通过单片机mcu内置的pi控制算法控制电压控制的电压源vcvs的电压值，同时实时整体电阻值与目标电阻值进行比较，使整体等效电阻值达到目标电阻值。a/d转换器和d/a转换器精度越高，误差越小。在实现0.001欧姆电阻精度时16位精度a/d转换器和16位d/a转换器即可；d/a转换器输出正电压可补足误差，输出负电压可抵消误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种有源的可变电阻器，其特征在于：通过上位机设定需要的电阻，上位机再将该阻值传送至单片机mcu处理，通过单片机mcu控制mos管的通断达到接入不同整数值电阻，通过单片机mcu控制控制电压源vcvs的电压模拟低于1ω阻值，电压检测元件和电流检测元件通过a/d转换器使单片机mcu获取当前电阻端口电压值和电流值，进而得到当前电路的等效电阻值，通过mcu内置过增量式pi算法控制控制电压源vcvs的电压使其阻值发生变化，从而使当前电路的等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻。
2.根据权利要求1所述的一种有源的可变电阻器，其特征在于其电路为：包括第1脚、第2脚、第3脚和第4脚，第1脚和第4脚之间接电压检测元件，电压检测元件连接a/d转换器再接入单片机mcu；第1脚和第2脚之间接与mos管并联的电阻构成的电阻网络，mos管的栅极全部接单片mcu；第2脚和第3脚之间接电流检测元件，电流检测元件连接a/d转换器再接入单片机mcu；第3脚和第4脚之间接充当电阻的电压控制的电压源vcvs，通过mcu内置过增量式pi算法控制控制电压源vcvs的电压使其阻值发生变化，从而使当前电路的等效电阻值趋近上位机设定需要的电阻；第1脚和第4脚接外部电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种有源的可变电阻器，其特征在于：所述电阻网络由n个单元串联而成，每个单元由电阻与mos管并联组成，电阻阻值进行二进制编码，通过mos管的开关作用可以组合不同阻值的电阻接入电路，进而可以组合得到所有整数值电阻，电阻阻值逐个为2nω，n=0,1,2……n。
4.根据权利要求3所述的一种有源的可变电阻器，其特征在于：所述mos管n沟道增强型mos管，所有n沟道增强型mos管的电流流动方向全部一致。
技术总结