数字电位器调节特性和调节灵敏度测量仪李震春;许积文;陈国华【摘要】本文针对传统电位器调节特性和调节灵敏度测量装置的缺点,对其进行了数字化设计与改进.在原有实验仪器的基础上,将机械式电位器用数字电位器替代,并利用单片机结合键盘和数码管对数字电位器滑动端位置进行了控制和显示.数字电位器的使用有效解决了机械电位器滑动端位置读数误差大的问题,改进后的装置不仅可精确地控制和显示数字电位器的滑动端位置,而且操作方便,测定的调节特性曲线和调节灵敏度曲线与理论相一致.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2019(038)007【总页数】5页(P31-35)【关键词】数字电位器;调节特性;调节灵敏度【作者】李震春;许积文;陈国华【作者单位】桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004;桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】O441.1电位器(又称变阻器)的制流、制压特性广泛运用于调光、调速、调音等工业生产领域[1]，另外电位器本身是一个很好的位置传感器[2]，负载不同时其调节灵敏度曲线也不相同. 电位器调节特性和调节灵敏度实验是高校工科物理实验常开设的一个经典实验[3-7]. 传统的电位器调节特性和调节灵敏度实验装置中，由于采用的机械式电位器配套标尺与电阻丝有效长度不匹配，滑动片与电阻丝线圈的接触面较大且常常出现接触不良，导致电位器的滑动端位置读数误差较大，测出的调节特性曲线和调节灵敏度曲线误差较大，尤其是调节灵敏度曲线与理论曲线相比出现严重失真，这也是很多高校没让学生测定电位器调节灵敏度的原因. 文献[5]提出用电阻箱来代替电位器，这种办法理论上应能解决电位器滑动端位置精确可控的问题，但由于电阻箱阻值不同时，其精度不同，使得等效滑动端位置读数也存在很大的误差，而且实验操作过程非常繁琐.针对以上问题，本文在原有实验仪器的基础上进行了改进，用数字电位器代替原来的机械式电位器，并利用单片机结合键盘和数码管对数字电位器滑动端RW位置进行控制和显示.1. 电路主板模块2. 数字电压表3. 数字电流表4. 电阻箱5. 数字电位器6. 单片机7. 键盘 7-1. 第一按键 7-2. 第二按键 7-3. 第三按键 7-4. 第四按键 7-5. 第五按键7-6. 第六按键 8. 数码管 9. 电源 10. 开关 11. 指示灯图1 数字电位器调节特性和调节灵敏度测量仪结构示意图1 数字电位器调节特性和调节灵敏度测量仪数字电位器调节特性和调节灵敏度测量仪如图1所示，包括电阻箱和电路主板模块及与电路主板模块连接的数字电压表和数字电流表，电路主板模块设有单片机及与单片机连接的数字电位器、键盘、数码管、电源及电源开关和指示灯. 数字电位器的型号为X9C104，其最大电阻R0为100 kΩ，阻值的变化为阶梯式，台阶编号从0—99共100个台阶[8]. 键盘顺序设6个独立按键，第一按键或第二按键每按下并释放一次，数字电位器的RW端位置增加或减少10台阶；第三按键或第四按键每按下并释放一次，数字电位器的RW端位置增加或减少1台阶，第五按键或第六按键每按下并释放一次，数字电位器的RW端位置置0台阶或置99台阶. 数码管为两位LED共阴数码管，用于显示数字电位器RL、RW端之间的台阶数. 单片机的型号为STC89C52，当键盘向单片机发送数字电位器滑动端位置控制指令时，单片机根据指令要求，一方面向数字电位器发送控制信号，执行该指令的操作，另一方面把当前数字电位器滑动端位置发送给数码管显示，从而实现数字电位器滑动端位置可精确控制和显示.图2为数字电位器分压电路图，数字电压表的内阻大到可以忽略其对电路的影响(相当于断路)，那么负载R两端的电压为(1)图2 分压电路图式(1)中，RWL表示数字电位器的滑动端RW与低电压端RL之间的电阻，令Umax=E，引进参数为滑动端RW的相对位置，称为电路特征系数，则有(2)对于不同的k值，x与U/Umax的关系为分压特性曲线.电位器本身也是一个位置传感器，传感器输出的变化量ΔU或ΔI与引起该变化量的输入变化量Δx之比称为灵敏度. 对电位器而言，因为输入的变化量是通过调节滑动端的位置来实现的，故称之为调节灵敏度，它表征传感器对输入量变化的反应能力[7]. 由于数字电位器阻值的变化为阶梯式，某位置电阻的最小变化量为2台阶所对应的电阻ΔR0，即Δx=ΔR0/R0. 对式(2)微分后，整理可得(3)令分压调节灵敏度SV=ΔU/(UmaxΔx)，则对于不同的k值，x与SV的关系为分压调节灵敏度曲线.图3为数字电位器限流电路图，数字电流表的内阻小到可以忽略其对电路的影响(相当于短路)，那么流过负载R的电流为(4)图3 限流电路图式(4)中，RHW表示数字电位器的高电压端RH与滑动端RW之间的电阻，RWL表示数字电位器的滑动端RW与低电压端RL之间的电阻，令引进参数则有(5)对于不同的k值，x与I/Imax的关系为限流特性曲线.对式(5)微分后，整理可得(6)令限流调节灵敏度SI= ΔI/(ImaxΔx)，则对于不同的k值，x与SI的关系为限流调节灵敏度曲线.2 实验数据实验中使用的数字电压表量程为10 V，其精度为4位；数字电流表量程为2 mA，其精度为4位半；数字电位器的型号为C9C104，其总电阻实测R0=102.5636kΩ，最大允许电流3 mA.实验中负载电阻R分别取100 kΩ和10 kΩ，测得改进装置分压电路和限流电路的调节特性和调节灵敏度实验数据见表1和表2.整理表1实验数据得表3，其中，ΔU为不同台阶位置时电压增量，Δx为滑动端RW的相对微小变化量，本实验中Δx=2/99，分别用式(2)和式(3)拟合表3数据，得到分压特性曲线和分压调节灵敏度曲线，并与相应的理论曲线作对比见图4和图5.表1 分压电路的调节特性与调节灵敏度实验数据X/台阶号110203040506070809098R=100kΩUX/V0.0460.4230.8071.161.5091.8712.2672.7153.2453.9024.564UX-1/V0.0000.3940.7701.1261.4721.8342.2242.6683.1883.8304.475UX+1/V0.09 30.4740.8451.1941.5461.9112.3112.7653.3093.9794.657R=10kΩUX/V0.0390.2410.3510.4430.5410.6590.8181.0561.4562.2954.180UX-1/V0.0000.2260.3420.4340.5300.6460.7991.0281.4042.1713.793UX+1/V0.07 40.2540.3610.4520.5520.6730.8381.0881.5132.4364.658表2 限流电路的调节特性与调节灵敏度实验数据X/台阶号110203040506070809098R=100kΩIX/mA0.02360.02470.02610.02770.02950.03150.03380.03650.03970.043 40.0470IX-1/mA0.02340.02460.02600.02750.02930.03130.03360.03620.03930.04300.0 465IX+1/mA0.02370.02480.02630.02790.02970.03170.03410.03680.04000. 04390.0475R=10kΩIX/mA0.04270.04690.05180.05840.06700.07840.09450.11900.16020.245 50.4269IX-1/mA0.04230.04640.05120.05770.06600.07710.09260.11590.14900.23310.3 908IX+1/mA0.04320.04740.05290.05920.06800.07980.09650.12220.16610. 25940.4709表3 分压电路的调节特性与调节灵敏度数据整理x/相对位置1/9910/9920/9930/9940/9950/9960/9970/9980/9990/9998/99R=100kΩU/Umax0.0100.0910.1730.2490.3240.4020.4870.5830.6970.8380.980ΔU/( UmaxΔx)0.9890.8500.7970.7230.7870.8180.9251.0311.2861.5841.935R=10 kΩU/Umax0.0080.0520.0750.0950.1160.1420.1760.2270.3130.4930.897ΔU/( UmaxΔx)0.7860.2980.2020.1910.2340.2870.4140.6381.1582.8169.192图4 分压特性拟合曲线与理论曲线对比图图5 分压调节灵敏度拟合曲线与理论曲线对比图拟合得到的电路特征系数k与理论值对比结果见表4，其中，电路特征系数k的理论值按k=R/R0计算，相对误差=|拟合值-理论值|/理论值×100%计算. 从图4、图5和表4可以看出，改进装置测定的分压特性曲线和分压调节灵敏度曲线与理论具有较好的一致性. 负载R=100 kΩ时，分压调节灵敏度电路特征系数k拟合值与理论值的相对误差略大，这是由于灵敏度太小，电压表精度不够引起的.表4 分压电路特征系数k拟合值与理论值的比较负载R/kΩ曲线类型分压电路特征系数k拟合值理论值相对误差100分压特性0.9729分压调节灵敏度0.99920.9750.2%2.5%10分压特性0.0976分压调节灵敏度0.09610.09750.1%1.4%整理表2实验数据得表5，分别用式(4)和式(5)拟合表5数据，得到限流特性曲线和限流调节灵敏度曲线，并与相应的理论曲线作对比见图6和图7.拟合得到的电路特征系数k与理论值对比结果见表6. 从图6、图7和表6可以看出，改进装置测定的限流特性曲线和限流调节灵敏度曲线与理论也具有较好的一致性. 负载R=100 kΩ时，限流调节灵敏度电路特征系数k拟合值与理论值的相对误差略大，是由于灵敏度太小，电流表精度不够所引起的.图6 限流特性拟合曲线与理论曲线对比图图7 限流调节灵敏度拟合曲线与理论曲线对比图表5 限流电路的调节特性与调节灵敏度数据整理x/相对位置1/9910/9920/9930/9940/9950/9960/9970/9980/9990/9998/99R=100kΩI/Imax0.49680.52000.54950.58320.62110.66320.71160.76840.83580.913 70.9895ΔI/(ImaxΔx)0.31260.20840.31260.41680.41680.41680.52110.62530. 72950.93791.0421R=10kΩI/Imax0.09070.09960.11000.12400.14230.16650.20070.25270.34020.521 30.9066ΔI/(ImaxΔx)0.09460.10510.17870.15770.21020.28380.41000.66221. 79752.76468.4199表6 限流电路特征系数k拟合值与理论值的比较负载R/kΩ曲线类型限流电路特征系数k拟合值理论值相对误差100限流特性0.9745限流调节灵敏度0.92280.97500.05%5.3%10限流特性0.0989限流调节灵敏度0.09810.09751.4%0.6%3 改进装置特点分析第一，与机械式电位器相比，数字电位器具有可编程改变数字电位器的RW位置、无机械磨损、耐震动、噪声小、寿命长等优点，因而，用数字电位器代替机械电位器，能有效地减少机械式电位器RW位置读数误差较大的问题，测定的电位器调节特性和调节灵敏度曲线与理论具有很好的一致性.第二，利用单片机结合键盘和数码管对数字电位器滑动端RW位置进行控制和显示，使学生控制和读取数字电位器滑动端位置十分方便，直观，有利于按时完成实验，满足学生的学习需求[9].第三，该改进装置能消除实验中人为的读数误差，实验数据可靠、稳定、重复性高，比如实验过程中，发现某个位置的读数有问题，可以准确的定位到该位置去检验．第四，若实验用的电表为电磁表，则内阻一般不能忽略，此时电路特征系数k为电表内阻的函数，该改进装置测得的电路特征系数与理论值误差很小，我们可以通过拟合某调节特性或调节灵敏度曲线求得电路特征系数，从而计算出电表的内阻，因此该改进装置也提供一种全新的测量电表内阻的新方法.通过对传统电位器调节特性和调节灵敏度测量仪进行的改进，有效解决机械式电位器RW位置读数误差大的问题，测定的电位器调节特性和调节灵敏度曲线与理论具有很好的一致性. 利用单片机结合键盘和数码管对数字电位器滑动端RW位置进行控制和显示，使学生控制和读取数字电位器滑动端位置十分方便直观，消除了实验中人为的读数误差，实验数据可靠稳定,重复性高.【相关文献】[1] 沙占友.数字电位器设计原理与应用[M]. 北京:机械工业出版社, 2007：21-22.[2] 杨帆，吴晗平,等.传感器技术及其应用[M]. 北京:化学工业出版社, 2010：26-35.[3] 梁莹.在物理实验教学中培养学生的科学实验素质和能力—以变阻器的使用与电路控制为例[J]. 物理通报, 2016, 10：86-90.[4] 张兆奎.大学物理实验[M]. 北京:高等教育出版社， 2016：381-385.[5] 陈兰莉.大学物理实验[M]. 上海:上海交通大学出版社, 2013：224-227.[6] 杨广武.大学物理实验[M]. 天津:天津大学出版社, 2009：108-110.[7] 刘列, 杨建坤.变阻器的负载特性和调节灵敏度研究[J].大学物理实验, 1999, 12(4)：30-33.[8] 纪宗南.高精度的数字电位器X9C103[J]. 集成电路应用, 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