粗调和微调电位器的电路?

电器工程 分压器 电位器
2022-01-22 19:41:06

我试图找到一个用于粗调和微调(两个电位器)分压器的电路,但我不明白和/或它们没有线性响应。

问题:我想使用两个电位器获得 0 - 5V 的可调电压,一个用于粗调,另一个用于微调(如果可能,10mV)。

从我看过的数据表(例如this)中,他们似乎没有指定罐子可能的增量分辨率。

这是我目前拥有的三个电路:

在此处输入图像描述

第三个电路的微调随着粗调设置的升高而降低,所以我认为这不是一个好主意(除非使用对数罐......还不知道它们是如何工作的)。

由于第一个和第二个非常相似,我会考虑第一个。

我假设 300 度中的分辨率为 5 度,因为我找不到任何有关此的信息。

这给了我:

  • 0.83kOhm / 50K 电位器调节,166mV 分辨率
  • 0.167kOhm / 用 10K 电位器调节

我得到的方程是:

$$ V_{out} = \frac{R_{course} + R_{fine}}{50 + R_{fine}} V_{in} $$

在 matlab 中绘制此图以进行 0V 课程调整,我得到以下曲线:

在此处输入图像描述

在电位器的低端,分辨率为 33mV,在电位器的高端,分辨率为 24.7mV。

对于我的应用程序,这已经足够了。但是我不确定是否有更好的(和线性的)方法来进行精细和路线调整。

4个回答

这个更好..

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

优点是:

  • 对罐容差和温度系数的敏感性低(您可以为 R2/R3 使用精密电阻)
  • 以 mV 为单位的相当线性且几乎恒定的微调范围
  • 相当恒定 (+/-0.5%) 和可预测的输出阻抗(最小 9.09K 最大 9.195)
  • 对电位器的 CRV(接触电阻变化)灵敏度低(R1 中 1% CRV 导致 0.05% 变化)。

该电路从 5V 电源轨汲取 20mA 左右的电流。如果这是一个问题,您可以将 R4 增加 10:1,将 R4 和 R1 再增加 10:1,但会牺牲一点性能,或者以牺牲输出阻抗为代价来缩放所有值。

您的电路 #1 的输出阻抗为 0 欧姆至 27.5K,具体取决于电位器设置。

精细和粗略只能带您到此为止,您还可以考虑使用开关分压器进行“粗略”调整。除非它是一个非常好的电位器,否则期望“粗略”调整保持稳定在 0.2% 内可能有点过分。

请注意,您的导电塑料锅根本没有指定温度系数-这是因为导电塑料锅通常很糟糕-通常可能为 +/-1000ppm/°C,因此将它们用作变阻器而不是分压器并不是很好主意。你已经通过底池的比例减少了 5:1,但这仍然很糟糕。我展示的电路通常会比 R2/R3 的电阻好 5 倍左右,因为这些电位器纯粹用作分压器。

编辑:作为 R4 << R3 和 R1 << R2 的一个很好的近似值(如果你愿意,你可以在 Matlab 中进行精确的数学运算,考虑锅电阻),输出电压为:

\$ V_{OUT} = 5.0 (\frac {\alpha \cdot 9.09K}{10K} + \frac {\beta \cdot 9.09K}{100K}) \$

其中 0\$\le \alpha\le 1\$ 是 R1 的位置, 0\$\le \beta \le 1\$ 是 R4 的位置

所以R1的范围是4.545V,R4的范围是0.4545V。如果你把两个罐子放在中心,你会得到 2.500V。如果可以将 R4 设置为满量程的 1%(合理),即为 4.5mV 分辨率。

为 Spehro Pefhany +1。这是一个非常优雅的电路。至于它是如何工作的,这就是我的看法:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

分压器的不对称性(不对称,因为 R3 > R2)使一个电位器变粗,另一个变细。由于 R2 < R3,输出电压将主要是 V1 的函数,而 V4 可以进行微调。

这里需要注意的是,电位器的输出阻抗随着抽头位置的变化而变化,所以第一步中戴维宁定理的应用只有在电位器处于中点时才是正确的——因为电位器移动到任一极端输出阻抗接近0Ω。然而,由于 R2 和 R3 比任何一个电位器都大得多,因此这种可变性相对而言是微不足道的,无论是在非线性方面,还是在电路整体输出阻抗的变化方面。

很高兴我偶然发现了这个答案。感谢Spehro Pefhanys 的回答,让我思考并计算出我想分享的更通用的方法。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

\$ m \$表示缩放比例,在本例中为 10:1,\$ m=10 \$

\$ Z_{out_{MAX}} = \frac{m}{m+1}\cdot \left(R_s +\frac{R_p}{4}\right)\$

\$ Z_{out_{min}} = \frac{m}{m+1} \cdot R_s\$

\$ Z_{out_{MAX}} \$当两个电位器抽头都在中心位置时\$ \alpha = \beta = 0.5 \$

\$ Z_{out_{min}} \$在两个电位器处于任一极端时达到。

有趣的是,在此配置中阻抗变化,Spread 仅由电位器决定\$ \Delta_{Z_{out}} = Z_{out_{MAX}} -Z_{out_{min}} = \frac{m} {m+1}\cdot \frac{R_p}{4}\$

如果你考虑\$ Z_{load} >>> Z_{out} \$那么:\$ \frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{m}{m+1}\cdot\左(\alpha +\frac{\beta}{m}\右)\$

\$ Z_{in} \approx R_{p1} // R_{p2} \$,其中 Rp1 和 Rp2 是图中 Rp 和 m·Rp 处表示的电位器。

电路输入阻抗是相对恒定的,只是随着不同的抽头位置甚至不同的负载而略有改变。


次要\$ \Delta_{Z_{out}} \$,阻抗方差改进:

正如可以证明的那样,细/粗比由\$ m 定义,R_{s2} = m \cdot R_{s1} \$,阻抗摆幅仅由电位器\$ R_{p2} = m \cdot定义R_{p1} \$

给出的公式用比率\$ m \$来缩放电位器,尽管它们不是必须的。正如 Spehro 最初提出的那样,它们可以具有相同的“价值”。不缩放值会增加输入负载,但可以稍微改善阻抗变化。多少可以近似如下。

\$ f(x) = \Delta_{Z_{out}} = \frac{x}{x+1}\cdot \frac{R_p}{4}\$

\$ f'(x) = \frac{R_p}{4\left(1+x\right)^2} \$

评估\$ f(m) \$\$ f'(m) \$我们可以定义一个线性函数:

\$ g(k) = k\cdot f'(m) + b \$

其中b是通过求解\$ g(m) = f(m) \$找到的。现在我们将有一个线性函数\$ g(k)\$ ,它会在给定电位器\$ R_{p2} = k\cdot R_{p1}\$之间的因子k的情况下近似阻抗方差,同时保持因子\$ m \$表示粗/细比。

对于 Spehro 提供的示例,\$ m=10, R_p = 0.5 k\Omega \$

\$ g(k) = \frac{k}{968} + \frac{100}{968} \$

使用两个\$ 500 \Omega \$ pot, \$ g(1) \approx 104 \Omega \$而不是\$ 500 \Omega \$\$ 5k \Omega \$ pot, \$ g (10) \approx 114 \Omega \$\$ \approx 10\Omega \$的阻抗摆幅改进

实际上,如果您愿意输入阻抗约为\$ \approx 250\Omega \$ ,您可以通过使用\$ 250 \Omega \$\$ 2k5 \Omega \$电位器来实现更紧密的阻抗摆动,这将减少阻抗变化降至\$ \Delta_{Z_{out}} \约 57\Omega \$


相同布局的一些公式,但电阻器和电位器不受比率限制

输出阻抗可以计算如下:

\$ Z_{out} = \left(R_{p1}+R_{s1}\right) //\left(R_{p2}+R_{s2}\right)= \frac{\left(R_{p1} +R_{s1}\right)\cdot\left(R_{p2}+R_{s2}\right)}{R_{p1}+R_{s1}+R_{p2}+R_{s2}}\$

其中:\$ R_{p1} = R_{p1_{Total}}\cdot(1-\alpha)\alpha\$ ,即\$ \alpha \$雨刷位置\$ \{0..1\} \ $

\$ Z_{out_{MAX}} = \frac{\left(R_{p1T}+4R_{s1}\right)\left(R_{p2T}+4R_{s2}\right)}{4\left(R_ {p1T}+4R_{s1}+R_{p2T}+4R_{s2}\right)}\$ 当两个电位器抽头都在中心位置时\$ \alpha = 0.5 \$

\$ Z_{out_{min}} = \frac{R_{s1}R_{s2}}{R_{s1}+R_{s2}} \$

如果你考虑\$ Z_{load} >>> Z_{out} \$那么:\$ \frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{\alpha R_{s2}+\beta R_ {s1}}{R_{s1}+R_{s2}}\$


只是想我可以分享我对答案的探索和概括。

你有正确的方法,你的数字可能在 5 倍左右。对于塑料元素锅,1% 的分辨率似乎是合理的,尽管它取决于构造细节。对于您链接到的罐,问题在于从轴到元件接触的臂的长度非常小,并且轴承尽可能便宜,因此在发生元件接触的确切位置可能会有一些倾斜。这可能表现为滞后增加(顺时针转动时 x 度的阻力与逆时针转动时的阻力不同)。

请注意,线绕电位器的分辨率最差,因为触点沿着长螺旋线的外侧跳跃,因此您会获得固定步长的阶梯效应。

基本上有 3 种方法可以从底池中获得更好的分辨率。首先,使用更平滑的元件,内部晶粒尺寸更小。导电塑料是最好的,你连接的罐子就用这个。第二,把锅做大。这可以更好地控制触点与元件的精确位置,尽管它还需要更精确的轴承和雨刷臂设计,以防止其在移动时弯曲。最后,您可以使用多转锅,10 转单位是常态,尽管我遇到过 5 转和 20 转型号。在这种方法中,电阻元件形成一个 n 匝螺旋,并且接触臂根据需要沿着轴的轴线垂直移动。使用更长的电阻元件,可以更精确地放置游标,从而获得更好的分辨率。

至于你的分析,是对的。非线性量与两个电阻的比值直接相关。较大的比率会提供更好的线性度(尽管这会缩小微调的范围,并且需要更精确的粗调)。

最后,如果您要求最终的(并且可能是不合理的)线性度,那么您根本就不会拼凑底池。您将它们的末端并联,并将每个抽头馈送到具有不同增益的放大器,然后将两个结果相加到最终放大器中。