专利名称：具备完整使用特性和功能的电子电位器模块的制作方法
技术领域：
本发明全部用电子元器件组成完整的电子电位器单元，可作为多功能的精密电子 电位器直接用于各种电子和机电等领域，实现和扩展传统的机械电位器、刻度电位器、多圈 电位器、双联或多联同轴电位器、功率电位器、拨码开关等机械器件和数字电位器集成芯片 的使用功能，本技术属电子元器件领域。
背景技术：
电位器在电子技术领域是极其重要而不可缺少的电子元器件，机械电位器使用至 今已近百年，人类电子技术在这漫长的发展进程中，赋予电位器很多电子学重要功能特性， 致使机械电位器品种繁多并成为在电子技术领域应用广泛和使用量巨大的、唯一必不可少 的机械电子元器件(例如仅在中国，每年制造50亿支以上的机械电位器)，而机械电位器存 在机械磨损、怕震动、频繁动作很容易损坏、调整困难、精确度低、功能单调等很多弊病已远 远满足不了现代电子技术的发展需要。拨码开关和电阻网络也能构成电位器，但体积庞大，几乎没有其它功能可言，而且 存在机械断点，在很多对电阻的改变有连续要求的情况下不能使用，实质上是数字机械器 件。相对而言，数字电位器集成芯片在性能方面较机械电位器提高了很多，但在实际 应用中存在一系列缺陷，例如需要大量的外围电路和二次设计才能实现完整的电位器使 用功能，所以这种器件实际上只是电位器的一个部分。另外，由于输出电阻网络集成在一 起，功能扩展有很大的局限性，所以该器件主要用于装在电路板上和别的电路接口，这样就 增大了数字电位器在使用过程中的设计负担，因为在绝大多数情况下、尤其是在工业领域 的电位器实际应用中，都习惯和必须数字电位器能象机械电位器那样使用简单而又功能齐 全。
发明内容
本发明将一些电子元器件用电路组合一起，构成完整的电子电位器模块器件，该 器件具备机械电位器所有特性，在实际应用和操作上和机械电位器一样简便，而其强大而 丰富的性能特点和扩展功能，将电位器推向全新的理念和高度，几乎可以在需要电位器的 任何场合直接使用并提高相关产品的性能指标。下面先简单说明电子电位器模块的基本结 构、工作原理和丰富的功能配备。一、电子电位器模块的构成(参见附图1)附图1为电子电位器模块的结构和功能总成的原理框图，虚线框内为模块的基本 组成部分，粗线框内为可选的工作方式和模式，需电源的部分为控制电路。则电子电位器模 块主要由三部分组成1.按键；2.控制电路；3.电阻网络。模块的基本工作原理是设置两 个按键，加键和减键，当按下某一键时，即启动控制电路，控制电路识别是哪个键按下而正 确控制和改变电阻网络输出值的大小，每按一下键，输出即改变一个数，此为精调，当连续
3按键时，输出值将快速变化，此为粗调，反应的快慢可以由使用习惯和使用要求确定，模块 的分辨率由计数器的位数确定，精度由网络电阻精度和电阻值的正确选取确定。二、控制电路的三种实现方法(参见附图2)由于电位器的使用环境和使用条件差别很大，对电位器的功能和成本要求也有很 大不同，所以电子电位器模块的核心部分《控制电路》采用三种不同的实现方法很有必要， 当然，不管采用哪一种方法，其工作原理构造都是一样的，下面以方法1)为主说明。1)分立器件和中小规模集成电路图中虚线框内为控制电路，工作原理过程是设置两个按键(1)，分别作为加键和 减键，当有一个按键按下，即启动方波发生器(2)振荡，输出的方波送到可预置数的可逆计 数器(5)计数，同时按键辨别电路(4)可控制计数器作相应的加或减计数，计数器的位数 可根琚所需要的精度决定，计数器的输出端接电子开关(6)的控制端，电子开关控制电阻 网络(7)的接通和断开，以此调整输出电阻的大小。当连续按键时间约2秒，启动加速电路 (3)，网络电阻的电阻值将快速变化。这种方法对性能和功能设计比较灵活，例如可以很容 易做到输出分辨率从16到100000的设计，但通电时电阻网络的输出的数值需要预先设置 而不能更改。2)AT89C2051等单片机为核心电子电位器模块控制电路采用此类器件后很多功能可以用程序完成，还可以实现 输出值的记忆，但功能拓展和应用环境受到一定的限制。3)可集成的器件全部集成化这种方法将是未来电子电位器模块的发展方向，图3)中虚线框内为本发明可集 成的原理电路，虚线框外为必需外接的所需元器件和处理功能。该图为输出十进制3位、二 进制12位的集成化原理框图，外引脚数为24脚，芯片可采用DIP双列直插或SOP贴片封装， 如果输出的位数为十进制2位、二进制8位和十进制4位、二进制16位，则外引脚数可为 20脚和28脚。图中外引脚13-24为外接网络电阻(不将网络电阻集成的原由另有专述)， 示例描述为控制两线制的可调电阻输出模式，如果采用电位器输出模式或使用不同的分辨 率，引脚数也会有所改变。三、电阻网络的安排和输出模式(参见附图3)从附图3可以看到，电阻网络所有的权电阻和输出采用并联的方法，这样安排有 三个重要优点1)电子电位器模块输出值的改变是绝对连续的，这一点非常重要，原因基于虽 然电子开关的开关速度很高，但在有些电位器的重要应用场合如工业、军工、医疗仪器、科 研、航空航天等，不允许电位器出现瞬间的中断；2)电子开关无论采用何种材料，都存在一定的导通电阻，电阻网络采用并联的方 法可以将导通电阻降到最小并可以避免导通数不同产生的误差；3)电阻网络不集成而采取分立或电阻排的方式单独构成也是电子电位器模块的 一大特点，理由是现今或若干年内人类的电子技术可以使电位器的使用可承受功率达到 0. 5W以内，但还不能做到全部微功率使用，另外还有电阻的精度和品种繁多所决定的成本因素。电子电位器模块有三种输出模式可调电阻输出模式；电位器输出模式和电压输出模式；由于电位器是使用量巨大、行业应用面极宽的电子器件，在满足其可靠地使用的技 术前提下，尽可能简化电路，降低成本以利更好地节约资源和成本显得尤其重要。在很多电 位器的实际应用中，电位器的功能主要是单端调整模拟量电压、电流，因此，可调电阻输出 模式比电位器输出模式使用要更多一些，机械电位器可以很容易实现这两种输出模式，几 乎感觉不到这种差异，而采用电子的方法实现，电位器输出模式比可调电阻输出模式难度 要大很多，区别很大。因此，电子电位器模块具有可调电阻输出模式是很有必要的，比较图 3的1)和2)可以明显看到电位器输出模式要比可调电阻输出模式复杂。另外，因为电子 电位器模块需要在任何复杂的条件下都能使用，故电子开关的技术处理电位器输出模式也 要困难一些。在电位器的使用中，还有相当一部分是调整电压(例如可调式直流稳压电源)，而 采用电压输出通过调配可以很容易使输出精度高于前两种输出模式一到两个数量级，模块 输出端可承受的电压还可以做到很高(参见附图12，详细说明参阅《具体实施方式
》)，所 以电子电位器模块具备电压输出模式很有好处，电压输出模式还可以很容易使电子电位器 模块具备“正向调节”和“反向调节”功能(该功能说明见后节)，这在有些调控场合是需要 的。四、输出值的正向调节和反向调节(参见附图4)众所周知，电位器在绝大多数使用场合都是间接调整和控制其它的一些模拟量， 例如电压、电流、流量、温度等等，而这些调控有的是正向(输出值增大，被调量增大)，有的 是反向(输出值增大，被调量减小)。为了形象而直观了解和掌握这些变化，需要电位器具 备正反向调控能力。使电子电位器模块的三种输出模式都具备正向调节和反向调节功能的 原理框图见附图4，具体实施方案参见附图10、图11、图12。五、输出控制方式(参见附图5)电位器的应用极其广泛，使用的环境和条件差异很大，这就需要电子电位器模块 的输出具有很强的适应能力。电位器的这种差异主要体现在三个方面输出两端所能承受 的电压和电子开关的导通电阻以及输出有无极性，而解决这几个问题需要由所选择的电子 开关的特性决定。以人类现今技术可用于电子电位器模块作电子开关来解决以上问题的方 法主要有三种1)双向模拟开关；2)双极型三极管；3)双极型三极管倒置。1)双向模拟开关特点是没有极性，但开关两端的电压不能超过电子电位器模块 的供电电压，虽然可以增加升压电路，但又使模块电路复杂而增高成本，此外还有一定的导 通电阻，所以这种电子开关主要可用于对模块的输出极性有要求而需要承受的电压不高的 场合，作电子开关对可调电阻输出模式、电位器输出模式、电压输出模式都适用；2)双极型三极管主要特点是耐压可根据需要达到很高，无论有多少只导通其导 通电阻对模块的输出电阻影响不大，但电子电位器模块输出电阻是有极性的，而且只适用 于可调电阻输出模式和电压输出模式，控制电路集成后可以用于电位器输出模式；3)双极型三极管倒置最大的特点是导通电阻非常小，如果要求导通电阻一致且 很小时采用，但必须保证三极管的集电极和发射极两端电压低于6V且按极性联接，采用电 位器输出模式还须保证输出两端的电压不能超过电子电位器模块的供电或升压后的电压。结论电子电位器模块根据需要合理选择以上三种器件作电子开关基本上可以满 足实际使用的所有条件，如果还有特殊情况可以综合以上器件特性用集成电路解决。例如，输出两端既需要承受很高电压又要没有极性，则可以将双极型三极管做成双向高反压管等。六、模块的输出特性(参见附图6)在电子技术的研究、教学和应用中，对电子电路模拟量的变化，希望具备线性变 化、指数(反对数)变化和对数变化等各种特性(例如人耳对声音大小的识别，如果电路 的增益采用对数变化，听觉就象线性变化一样)，而这些变化，很多都需要人工调整完成，电 位器具备这种功能，是电位器的重要特征之一。电子电位器模块作为未来电位器的发展方向，其输出具备上述各种变化特性是很 有必要的。本发明对电子电位器模块输出电阻网络的各权电阻值用数学的方法确定，从而 使其具备精确的线性变化、指数(反对数)变化和对数变化的输出特性，而且以此类推，电 子电位器模块可以输出任意变化规律的输出值。下面以12位二进制组成的电阻网络说明这三种输出特性的实现方法，也即根据 其数学特点确定电阻网络各权电阻的电阻值。参见附图13的具体可实施例首先设定该三种输出特性的几个参数，1.最小分辨率为Rmin;2.最大电阻为 Rmax ；3.各权电阻为Rx ；权数为bx。因为Rmax和bx是已知的，故有对于线性变化的输出特性Rx = bxXRmin, Rmin = Rmax/12 ；对于指数(反对数)变化的输出特性Rx = Rminbx, Rmin = 12 V Rmax ；对于对数变化的输出特性Rx = log (Rmin) bx, Rmin = 1/12 V Rmax ；为便于计算 Rx，换成以10为底的对数，则有log (Rmin) bx = logbx/logRmin以此推广到一般，通过数学的方法改变各权电阻的电阻值，电子电位器模块可以 实现任意有规律的输出特性。需注意的是电子电位器模块的网络电阻是并联输出，故实际输出的电阻值是Rx 和Rmax并联的阻值。七、非易失和自供电(参见附图7)在有些场合，或由于机械电位器的使用习惯，需要电子电位器模块断电后能记 忆和保持断电时的输出位置，这就要求电子电位器模块能够具备非易失能力。在采用 AT89C2051等单片机为核心的电子电位器模块中，最简单的方法是增加一个非易失存储器， 一般为EEPR0M，例如24C02。而在将控制电路集成化的方案中，可以将非易失存储器包含在 集成芯片里。机械电位器最重要的特性之一是不需要供电电源，直接接在电路上就可以实现电 位器功能，而电子电位器模块则需要工作电源才能具备电位器功能，否则就丧失电位器作 用。在有些特殊的电位器使用场合，系统可能无法给电子电位器模块提供工作电源，这种缺 陷可以在控制电路集成化的方案中得到解决。电子电位器模块只有控制电路需要电能，而 该部分集成化后，消耗的电能是非常微弱的，另外还可以采用微功耗设计和待机时绝大部 分电路停止工作等措施。这样处理后，电子电位器模块整个器件的耗电可以降到100UA以 下，使用一个钮扣电池即可保证电子电位器模块长时间工作，该图3)为预期中的控制电路 集成化后DIP封装的集成芯片。八、多联同步输出(参见附图8)
在多声道音频放大器和多路输出的直流稳压电源以及很多工业或民用电子产品 中，都需要电位器能用简捷的方法同时调整两个或多个电位器并分别得到相同的数值，机 械电位器可以采用双联或多联同轴电位器来实现，电子电位器模块同样也可以具备这一功 能。方法是仅用两个按键，同时控制两个或多个电子电位器模块，使每个模块精确地输出同 样的数值，每个电子电位器模块既可以是单独的电位器，又可以组合一起，成为相互独立的 多联同步输出的电子电位器模块，各个模块之间完全隔离。下面用控制电路的实现方法1)简单描述该技术方案(见附图8)设置两个按键， 分别作为加键和减键，当有一个按键按下，即启动电位器模块1时钟，输出的方波开始同时 对两个电位器模块计数，其中电位器模块2采用光电耦合器在电气上隔离。由于两个电位 器模块使用的是同一个时钟，故输出的数值完全一样。以此类推，该方法可扩展到多个电子 电位器模块，从而达到多个电子电位器模块同步输出的目的。九、自带显示屏(参见附图9)在电子电位器模块的可调电阻输出模式中，有时需要直观了解和掌握电阻所调到 的位置，在电压输出模式中，有时需要确切地知道输出电压的数值，在可调电阻输出模式、 电位器输出模式和电压输出模式中，有时还需要迅速了解和掌握在电位器调整中，被控量 或影响量的变化情况。因此，电子电位器模块自带刻度显示器来显示输出量的百分比和数 字显示器来显示输出和影响模拟量的数值是很有必要的。1)刻度显示屏 配置方法是直接在电子电位器模块装上电子显示器件，用两行不同大小的显示点 将电子电位器模块的输出值分成100等份并直观地表示出来(附图9、1)为256等份)。该图中，低位十六个数用小点，高位十六个数用大点，以此来清晰反映出电子电位 器模块输出值所处的百分比位置。例如如果电子电位器模块的输出电阻调到中间值，则低 位的0点和高位的8点点亮，这是点显示方法，如果用条显示，则低位依然是0点点亮，而高 位将是1、2、3、4、5、6、7、8点同时点亮，其它数字也不难理解。显示材料有两种LED发光二极管和IXD液晶显示屏。显示方法也可分为两种点 显示和条显示。基于节约能源考虑，点显示可采用LED，条显示采用IXD。如果需要更精确显示电子电位器模块的输出电阻，可将显示的位数扩充至三位 (见图1)右三行刻度显示屏)或者更高。在可调电阻输出模式和电位器输出模式中，为了用最少的电阻获得最大分辨率， 通常采用16进制，如果需要形象化表示，可每行使用16个点，而在电压输出模式中，则习惯 用10进制，这些都可以根据具体需要选取。2)数字显示屏在电子电位器模块上配置数字显示器件，通过数字转换或模数转换器，将电子电 位器所需要表达和完成的工作信息真实而精确地显示出来，则构成了带数字显示的电子电 位器模块。见附图9所示的原理框图。图中，电子电位器模块可输出两种信号1.从计数器输出BCD码或二进制码的数 字信号；2.从TL431输出模拟电压信号和从电阻网络输出模拟电阻信号。数字信号通过 《BOT码一七段译码器》译码后在《数字显示屏》上将需要表示的内容显示出来，模拟信号则 通过模数转换器的比值设置后，将需要的模拟量显示出来。
显示材料有两种LED数码管和IXD液晶显示屏。基于节约能源考虑，尽可能用IXD 显示。显示精度可根据要求选择，最高可达到五位，低可以做到二位或三位。十、输入输出接口为了实现远程控制、自动控制和程序控制，电子电位器模块设置了多个输入输出接口。1)按键接口按键接口可以实现远程控制和多点控制，接口上能并联很多无源控制开关，也可 以根据电子电位器模块的按键工作条件外接有源开关实现自动控制和程序控制。2)数字输出接口电子电位器模块可以从数字输出端引出数字信号，供自动控制和程序控制时的参 考数据，但需注意的是，因为采集的数据不是直接的输出值，可能与需要的输出值会有一定 的误差，所以在重要场合应用时应考虑这种因素的存在。本发明的特点和有益效果是1.电位器使用至今已有百年，是电子技术领域重要而必不可少、使用量巨大的电 子元器件，而机械电位器存在机械磨损、怕震动、频繁动作很容易损坏、调整困难、精确度 低、功能单调等很多弊病已严重显现出来。用电子取代机械是人类科技发展的必然趋势，而 电子电位器模块具备以上强大的功能性能实力使淘汰机械电位器成为可能；2.在现今电子技术高速发展的情况下，机械电位器越来越显得功能单薄，作为使 用面很大的电子元器件，满足不了很多电子产品的功能需要。而电子电位器模块除完全具 备机械电位器所有功能外，还具有很多机械电位器没有也不可能做到的性能和实用功能， 采用电子电位器模块可以间接提高相关产品的技术性能指标。3.机械电位器消耗大量有色金属材料，极易损坏造成巨大浪费，采用电子电位器 模块可以为人类节约大量的有限资源。4.电子电位器模块是一个完整的电位器功能模块，接口采用标准并具有宽范围的 适应性，输出是无源的，能方便地和其它外有源电路直接接口，仅基本功能就足以能够当成 普通电位器在绝大多数情况下使用，简化了其它电子产品的设计，提高了相关电子产品的 研发效率。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是电子电位器模块的基本组成结构和具备的扩展功能原理框图，虚线框内为 电子电位器模块的基本构成特征，无论采用模块的哪一种实现方法，软件或硬件实现，其原 理构造都是一样的。粗线框内为可选的方式和模式，一个电子电位器模块必有每个粗线框 内三种中的一种。虚线框外为模块的可扩展功能，各功能的特性表述如下DEEPR0M ；用于AT89C2051等单片机为核心和可集成的器件全部集成化的模块构 成中作掉电数据保存；2)刻度显示直接从计数器输出端取出信号经译码后进行百分比刻度显示；3)数字显示主要从模块的输出端取出模拟信号经模数转换后进行数字显示；4)自备电源用于模块控制电路集成化后模块自供电，可使电子电位器模块的使用和机械电位器一样方便；5)按键接口和数字接口 模块无论采用何种构成，都可以具备这两种接口，以便 实现自动控制、远程控制、程序控制；6)方向调节模块的输出可以正向调节也可以反向调节，其原理参见有关说明；7)电子电位器模块2 用于多个电子电位器模块同步输出。图2是电子电位器模块的三种实现方法的原理框图，三种方法的虚线内为控制电 路，该图强调说明电子电位器模块无论采用哪一种构成方式和实现方法，都是由按键、控制 电路、网络电阻三部分组成，图中3)虚线框内的黑点表示按键对该单元电路产生作用，并 不是真正意义上的联接。图3是电子电位器模块三种输出模式原理示意图，其中前两种模式用机械电位器 实现没有什么区别，但用电子的方法实现差异很大，虚线框内为其左边模块输出模式产生 的结果。第三种输出模式是任何电位器都从来没有的，因为电位器在很多应用中是调整电 压，而电子电位器模块具有电压输出模式并具备很好的灵活性将极大方便应用产品和电子 电位器模块直接接口。各图仅画出电子电位器模块计数器后的输出部分。图4是电子电位器模块正向调节和反向调节原理式意图，在1)所示的可调电阻 输出模式中，当按加键时输出两端的电阻增大，按减键时输出两端的电阻减小，即为正向调 节，按加键时输出两端的电阻减小，按减键时输出两端的电阻增大，为反向调节；2)为电位 器输出模式，按加键时电位器旋臂向上移动，按减键时电位器旋臂向下移动，为正向调节， 反之，按加键时电位器旋臂向下移动，按减键时电位器旋臂向上移动，为反向调节；3)为电 压输出模式，按加键时输出电压升高，按减键时输出电压降低，为正向调节，如果按加键时 输出电压降低，按减键时输出电压升高，则为反向调节。图5是电子电位器模块用于控制输出值的各种特性材料构成的电子开关，在实际 应用中如果根据这些电子开关不同的性能特点合理选择，基本上可以满足所有不同的环境 和电路对电子电位器模块的使用要求，如耐压、分辨率、导通电阻的影响等问题。图6是电子电位器模块输出的线性变化、指数(反对数)变化和对数变化特性曲 线图，图中纵座标表示电阻网络各权电阻阻值，横座标为电阻的变化趋势，需注意的是，实 际输出的电阻值是Rx和Rmax并联的电阻值。线性变化特性就是一条均勻的直线，而指数 (反对数)特性和对数特性按数学规律改变各权电阻阻值，则可以产生无数种不同的变化 曲线。图7是说明电子电位器模块可以具有记忆功能，即断电时保持电位器当时所调的 位置，在工业等很多方面的实际应用中，因为相关的仪器和设备是连续不断电工作的，所以 并不需要电子电位器模块记忆，而且在有些重要场合，还要求电位器在断电必须回零，否则 系统会出现故障，而在民用产品和一些频繁间歇使用的场合，为了减少工作量和因为机械 电位器使用习惯因素，则需要电子电位器模块能够记忆。图中1)为采用AT89C2051等单片 机为核心的电子电位器模块，其记忆可采用24C02等串行存储芯片，2)为控制电路集成化 后的电子电位器模块，记忆单元直接集成在芯片内。当模块所有用电器件都集成和微功耗 后，只需在外接电源端装一个钮扣电池，该电池也装在模块上，则电子电位器模块就是一个 完整的电位器，可以象机械电位器一样使用。图8是电子电位器模块实现多联同步输出的原理框图，各个模块共用一个时钟以确保这些模块能精确地输出相同的数值，其它模块之间以及与主模块之间用光电耦合器隔 离，这样多联同步电子电位器模块可以在任何电路里直接使用，而不必考虑各模块电位器 之间的电压问题，如果已知各电位器使用电路和电平相近(例如多声道音频放大器在线路 输出级调整各声道音量)，为降低成本，光电耦合器也可以用无极性电容代替。该图1)为电 子电位器模块双联同步输出，图2)为三联同步输出，以此原理可以实现多联同步输出，从 图中可以看到，无论是多少个电子电位器模块，按键始终只有两个。这和同轴机械电位器的 操作方法非常相似。图9是具有显示功能的电子电位器模块原理框图。其中1)为模块带刻度显示器 的电原理框图、形象示意图和表面尺寸图，图中小方框表示刻度显示点，显示分辨率采用白 分比表示为0% -99%。在两行显示屏上每行有16个点，以此表示输出数值的16进制比 值，从电子电位器模块的数字输出端引出的16进制数，经4线-16线译码器获得16选通信 号点亮相应的点，也可以根据电子电位器模块使用需要采用每行10个点，如果显示精度需 要，还可以采用三行显示，见三行刻度显示屏形象示意图，个位、十位、百位分别用不同大小 的点显示，以便形象的区分，显示分辨率为0%。-999%。。该图左边是带刻度显示器的电子电 位器模块参考表面尺寸，实际产品可以根据电子电位器模块主板宽度来确定显示屏表面尺 寸，图中的译码驱动部分也可以用软件完成，显示的点也可以用带状显示。2)为模块带数字 显示器的原理框图、形象示意图和表面尺寸图，图中，字母“A” “V”分别代表电阻、电 流、电压，当数码管需要显示哪一种变量时，该字母则点亮。数字显示位数可根据电子电位 器模块的功能和使用需要采用二位、三位、四位、五位均可。该图左边是带数字显示器的电 子电位器模块参考表面尺寸，实际产品可以根据电子电位器模块主板宽度来确定显示屏表 面尺寸。图10是电子电位器模块三种实现方法实例，图中虚线框内为控制电路，三种实现 方法只画出了必要的基本原理电路，各图的电子开关和虚线框外的电阻网络可以采用本说 明介绍的各种材料、模式、特性和方法，2)和3)主要靠软件实现1)的各种功能，图3)虚线 框内电路只是说明集成芯片需具备的基本结构，有些工作可以用软件完成，有些根据芯片 的制作特点还要复杂一些，该图并非真正的集成电路布图。图11是可调电阻输出模式正向调节实例，图十中的1)是分立元器件和中小规模 集成电路构成的反向调节方法，本图则为可调电阻输出模式的正向调节方法，该图通电时 权电阻全部导通，因为是并联连接，输出电阻最小，此后按加键时，电子开关逐渐关断，输出 电阻逐渐增大，反之则反。图12是电压输出模式的三种调节方式实例，因为TL431的Vref端和A端之间的 电压固定为2. 5V，电子电位器模块的输出电阻分别接在Vref端和A端(图1))，或Vref端 和K端(图2))都能对TL431的输出电压进行调整。虚线框内为外接被控器件，可以是晶体 管、固定或可调三端稳压器和多端稳压器、或其它器件。图3)是对输出可调电压超出单个 TL431所能承受的电压的解决方案，光电耦合器最好采用线性光耦，理论上，根据需要，用本 图方法TL431可以无限增加。图13是电子电位器模块分别实现线性输出、指数(反对数)输出、对数输出三种 特性的具体可实施例，按图中所标注的Rx阻值，输出可产生其右图所示的曲线特性规律， 各图中未标注单位的电阻为欧姆。
图14是电子电位器模块实现双联同步输出详细的技术原理框图，以此对双联同 步作进一步详细描述，图中的按键1和按键2、复位按钮均为双联，或由单按键和双路电子 开关组成，此图原理可延伸到多联同步电子电位器模块。图15是电子电位器模块带刻度显示的具体可实施的电路原理图，该图虚线外为 电子电位器模块的刻度显示部分，图中IC1和IC3为计数器⑶4510，IC2和IC4为B⑶码一 十进制码译码器⑶4028，如果显示器每行显示16个点，则IC1和IC3可以为16进制计数器 CD4516，IC2和IC4为4线一十六线译码器CD40154。图16是电子电位器模块带数字显示的具体可实施例，图中1)为电子电位器模块 数字量输出接口的电原理图，虚线内为电子电位器模块在计数器后的原电路，虚线外为加 数字显示器所需的接口电路，其中IC4、IC5、IC6均为B⑶码一七段译码器⑶4511，也可根据 显示器特性选择其它芯片。图中2)电子电位器模块模拟量电压输出接口的电原理图实例， 该图虚线内为电子电位器模块在计数器后的原电路，虚线外为加数字显示器所需的接口电 路。图中TL431为可调式精密稳压器，输出电压在2. 5V-36V连续可调，其输出除供别的电 路使用外，还可以直接取出经电阻分压器分压后，作为模数转换器的输入模拟信号，模数转 换器可以采用ICL7106驱动液晶显示器，或采用ICL7107驱动LED数码管，也可以用其它显 示器驱动方法。
具体实施例方式下面结合附图和实施例作重说明电子电位器模块的几个主要而重要的特性功能。在图10电子电位器模块三种实现方法中，图1)是电子电位器模块由分立元件和 集成电路构成的电阻输出模式、反向调节方式完整的电路原理图。从图中可以看到，接口只 需乂+^-、1+、1-四根线即可工作，实现功能^-和W-可以共用一根线，从按键S1、S2引出 线和外电路连接，可以实现远程控制、自动控制和程序控制。下面简述本实施例工作原理 S1和S2分别是加键和减键，当有一个键按下，即启动由IC3B等元件组成的方波发生器，计 数器(IC)对脉冲计数，其输出使三极管阵(BG)相应的三极管导通，从而使相应的网络电阻 (RW)并联输出。当连续按键约2秒，由IC3A等元件组成的加速电路开始工作，使方波发生 器的振荡频率提高约十倍。IC1A，IC1B，IC1C，IC1D和IC2A，IC2B等元件组成按键辨别和按 键互锁电路，可分辨是加键还是减键按下，从而提供计数器U/D引脚相应的工作电平。当两 键都按下时，后按键无效。BG1等元件组成加禁止电路，当计数值达到设定的最大值时，按加 键无效。二极管阵(D)组成减禁止电路，当计数值为零时，按减键无效。图2)是电子电位器模块以单片机AT89C2051为核心构成简洁型电子电位器模块， 除具有图1)所述的一般功能外，还有输出值记忆功能，以满足机械电位器使用习惯和具体 的使用需要，输出最大值为11位8-4-2-1码，十进制数为799，分辨率为1/1000，若需要更 高精度或采用电位器输出模式可用二 _4线或三_8线译码器扩展输出位数，模块采用双向 模拟开关，输出可调电阻两端是没有极性的。图3)是电子电位器模块控制电路集成化的电路原理示意说明图，图中虚线框内 为可集成的全部器件，虚线框外为需外接的元器件和需外接控制的引脚功能。下面以集成 化后的集成芯片各引脚功能说明表达其构成特点。脚1 :V+，外接供电工作电压正端，图二表示为“VCC” ；
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脚2 :C0MP1，暂为空脚，可作为《按键辨向电路》的补偿或《计数器》输出B⑶码与 二进制码转换选择端；脚3 :v-，外接供电工作电压负端，图二表示为“VSS”；脚4 加键，按动该键，《计数器》作加计数，输出控制《三极管阵》对应的三极管开 关；脚5 速率2，外接《加速电路》的定时电容，连续按键多长时间开始给计数加速，由 该电容量大小决定；脚6 :C0MP2，外接《加速电路》和《方波发生器》启动缓冲电容，该电容必须按要求 严格选取；脚7 减键，按动该键，《计数器》作减计数，输出控制《三极管阵》对应的三极管开 关；脚8 速率1，外接《方波发生器》的定时电容，该电容的数值确定计数器基速的大 小；脚9 :C0MP2，外接《加速电路》和《方波发生器》的共用补偿电容；脚10 复位1，外接《计数器》复位电容和电阻，按图接法并将脚12接V-，则输出为 反向调节方式，即按加键时，输出电阻阻值减小，反之亦反；脚11 复位2，将图中脚11与脚10交换连接，并将脚12接V+，则输出为正向调节 方式，即按加键时，输出电阻阻值增大，反之亦反；脚12 《计数器》预置数端，其外接电平与脚10、脚11接法配合，实现输出电阻的 正向调节和反向调节；脚13-24 外接《电阻网铬》。在图11可调电阻输出模式正向调节的实用电路原理图中，设计数器为⑶4510可 预置数计数器，将预置数接高电平，计数器的1脚和9脚按图连接，则通电时，电子电位器模 块的输出值为预置数，如果预置数全部为高电平，则计数器输出端也全部为高电平，网络电 阻全部导通，输出值最小，此后模块即转入正常工作，因为加减键交换，故按加键时，输出电 阻增大，按减键时，输出电阻减小，详细工作过程不难理解。在图12所示的电压输出模式方案中，(假设电子电位器模块的电阻输出为反向调 节)图1)为输出电压正向调节方式，因为电阻网络全部并联，当计数值增大时，输出电阻减 小，根据TL431工作原理，在正常工作范围内(2. 5V-36V)，当Vref和A之间的电阻值减小时， K和A之间的电压增大，当Vref和A之间的电阻值增大时，K和A之间的电压减小，当电阻网 络按8-4-2-1编码安排合适电阻值，即可实现输出电压和计数值精确对应的线性关系。2)为输出电压反向调节方式，输出可调电阻接TL431的Vref和K，根据TL431工 作原理，在正常工作范围内(2. 5V-36V)，当Vref和K之间的电阻值减小时，K和A之间的电 压减小，当Vref和K之间的电阻值增大，K和A之间的电压增大，从而实现对输出电压的精 确调整。应注意的是，这里TL431的A端需要提供一个大于2. 5V的负电源，才能保证TL431 能从OV起调。 3)为输出电压高压调节方式，当TL431的输出电压大于36V时，需要有两个以上 的TL431串联，该图为两个TL431串联的电路，如果设计，可线性地输出0V-70V电压，若需 要调整更高电压，还可以继续串联多个TL431，下面举例说明图中所示的两个TL431串联输出方案实施原理(为方便说明，忽略TL431的VKA起始电压2. 5V) 设一直流稳压电源输出需要得到0-50. OV电压，先接通TL431-1电阻网络，当计 数值从0加到299，TL431-1的VKA从OV升到29. 9V，这时再加1，便接通光电耦合器，使 TL431-2的VKA升到固定值30. 0V,同时TL431-1的VKA降到0V，此后再加数，TL431-2的 VKA保持30. OV不变，TL431-1的VKA再次从OV开始增加，直到加到总数500，两个TL431分 别承担20. OV和30. OV电压，输出电压为其串联之和，即50. OV。图13为电子电位器模块三种输出特性实例，在1)图的线性输出特性中，按图中标 注的数值，输出电阻在240 Ω-IOK线性连续可调，分辨率1/4000，精度2/100，如果分辨率或 最大电阻值不同，可按右边特性图上的公式计算电阻网络各权电阻阻值，如果需要改变精 度，可以改变Rmin的阻值，其改变规律是，Rmin大，精度提高，但起步电阻大，Rmin小，精度 降低，但起步电阻小。因为通用电子电位器模块采用的是并联输出法，故当网络电阻全部断 开时，输出电阻最大，即为Rmax (本图电路为10Κ)，当网络电阻逐渐导通时，输出电阻逐渐 降低，当网络电阻全部导通时，输出电阻最小，即为RminA (本图电路为240 Ω )对于电子电 位器模块起步输出电阻为0问题，可以另设计通电零输出电路。2)图和3)图分别是指数(反对数)输出特性和对数输出特性实例，按图所标电阻 网络数值，可以实现右边特性图所示的指数和对数输出。在实际应用中，指数(反对数)和 对数的特性是千变万化的，所以在很多情况下需要对图上的公式采取插值或增添常数，这 可以采用硬件或程序的方法实现，也可以两者结合。图14为电子电位器模块双联同步输出实例，图中，虚线连接的按键表示一个按键 有两个在电气上完全独立的触点开关。如果两个电子电位器模块的起始数不一致或不是所 要求的数值，可按一下复位按键，使两个电子电位器模块为预先设定的数值(例如回零)。 按动加减按键，即启动《方波发生器》对两个电子电位器模块的计数器同时计数，光电耦合 器使两个电子电位器模块在电气上完全隔离，电位器的输出电阻调整有两种方式精调和 快速调整。当连续按键时间小于2秒(或其它时间)，电位器的输出电阻作缓慢的精密调 整，当连续按键时间大于2秒，即启动《加速电路》，电位器的输出电阻值作快速改变，计数 器的输出选通各自的《三极管阵》和《电阻网络》，两个电子电位器模块可以精确地输出完全 一样的数值，《按键辨别电路》确保两个电位器的输出电阻值变化方向一致。在图15的电子电位器模块带刻度显示的具体可实施电路原理图中，从ICl和IC3 输出的BCD码数值，一路驱动三极管阵选通并联的电阻网络的电阻，同时作为IC2和IC4的 B⑶码输入，经译码后成为十段选通驱动信号，分别驱动刻度显示器的个位和十位的LED发 光二极管或LCD液晶显示屏，由于CMOS集成电路的负载电流有限，如果是LED，应选用高亮 发光二极管，并串联限流电阻，使其电流小于1MA。在图16的电子电位器模块带数字显示的具体可实施电路原理图中，电子电位器 模块的显示和输出精度取决子电阻网络的精度和位数，可根据需要合理配选，在输出和显 示模拟量的特性方面，则需要正确选配电阻网络的电阻值并恰当地量化。显示的内容除电 阻、电压和电流外，也可以是其它如流量、压力、温度、行程等等。在1)图取数字量显示中， 因为不是直接显示输出值，所以在重要场合应用不要采用此法。在图四的模拟量显示中，采 样信号是电子电位器模块的输出电压(电压输出模式)，实际应用中，采样信号也可以直接 从输出电阻上取出(电阻输出模式)，经简单处理后即可用数字显示器进行显示。
权利要求
具备完整使用特性和功能的电子电位器模块是将电子元器件用电路组合一起，构成多功能电子电位器模块器件，其特征是电子电位器模块的基本电路单元由三部分组成，按键开关、控制电路、输出电阻网络，模块具有非易失性、自供电、线性输出、指数(反对数)输出、对数输出、正向调节、反向调节特性，具备自带刻度显示器、数字显示器、多联同步输出、可调电阻输出模式、电位器输出模式、电压输出模式功能。
2.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是控 制电路的功能电路由方波发生器、按键辨别电路、加速电路、计数器、电子开关组成。
3.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是控 制电路可以由分立器件和中小规模集成电路、AT89C2051等单片机为核心、可集成的器件全 部集成化构成。
4.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是输 出电阻网络的电阻采用贴片电阻或电阻排并全部并联调整。
5.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是控 制网络电阻各权电阻通断的电子开关有三种1)双向模拟开关；2)双极型三极管；3)双极型三极管倒置。
6.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是刻 度显示器的材料有LED或IXD，显示方法有点状显示和条状显示，显示行数可以有一行、二 行、三行、四行，每行点数为10点或16点。
7.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是电 子电位器模块可以单个使用，也可以用多个电子电位器模块组合成双联、三联、多联同步输 出，所有这些组合都只需两个按键操作，各模块之间在电气上完全隔离。
8.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是数 字显示器的材料有LED或IXD，显示位数有两位、三位、四位，可以显示数字量或模拟量。
9.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是输 出值能够正向调节也能反向调节，即按加键输出值增大，按减键输出值减小(正向调节)和 按加键输出值减小，按减键输出值增大(反向调节)。
10.根据权利要求1所述的具备完整使用特性和功能的电子电位器模块，其特征是电 压输出模式采用TL431实现输出电压无源调整，可以用两只(或多只)TL431串联实现宽范 围电压调整，串联中高电位的TL431控制端用光电耦合器隔离。
全文摘要
具备完整使用特性和功能的电子电位器模块是将电子元器件用电路组合一起，构成完整的多功能电子电位器模块器件，模块具备机械电位器所有特性以及强大而丰富的扩展性能和功能，可以在需要电位器的任何场合直接使用并提高相关产品的性能指标，尤其是非易失性和自供电性能，使电子电位器模块可以像机械电位器一样使用，而自带刻度或数字显示器、多联同步输出、多种输出模式和输出特性、多种输出调节方法、多种控制电路构成、多种输入输出接口功能，皆适合现代电子技术发展对电位器的应用能力的需要。
文档编号H03H7/06GK101873109SQ20091006174
公开日2010年10月27日 申请日期2009年4月27日 优先权日2009年4月27日
发明者程杰保, 程馨如 申请人:武汉市创佳源电子有限公司