CN104897964B - 一种测量可变电阻阻值的电路及方法 - Google Patents
一种测量可变电阻阻值的电路及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明的目的在于提供一种测量可变电阻阻值的电路及方法，包括单片机、电容、待测可变电阻Rx及校准电阻R1，所述电容C的一端与所述单片机GP0连接，C另一端接地；所述R1的一端与C的一端连接，所述R1的另一端与所述单片机GP1连接；所述Rx的一端和单片机GP2连接；待Rx另一端与R1的另一端连接。本发明通过分别测量R1和C的充放电回路的充电时间T1和Rx和R1串联后和C的充放电回路的充电时间T2，并通过Rx =R1*(T2 – T1)/T1的方式来求取Rx的阻值。该方法在解决了目前公知的通过测量电容充放电时间测量可变电阻阻值的电路中的测量精度和测量时间的矛盾，对较小的可变电阻也能得到一个较好的测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路测量领域，具体涉及一种测量可变电阻阻值的电路及方法。
背景技术
RC充放电电路是一种常用的基础电路，通过基尔霍夫定律及高等数学可知电源E通过电阻R向电容器C充电时，任意时刻电容器C上的电压Vt可以通过公式Vt = V0 + （Ve –V0）*[1 – exp（-t/RC）]得到。其中Ve为电源E的电压，V0为电容器C充电开始之前的初始电压，当电容器C的初始电压为0时，即V0=0时，上述公式可以简化为：Vt = Ve *[1 – exp（-t/RC）] (1)。
中国实用新型专利号201320780623.6公开了一种利用上述原理来测量可变电阻阻值的电路，其电路图如附图1所示。当可变电阻Rx所接单片机端口设置为输入口，分压R2所接端口为输出口时，当电容充电回路达到稳态时，电容C上电压为Ve*R2/(R1+R2)，故在电容C达到稳态前任意时刻t的电容电压为Vt = Ve*R2/(R1+R2) *[1 – exp（-t/R2C）]，为简化起见，这里忽略了电容C通过校准电阻R1放电的效应；同理当R2所接单片机端口设置为输入口，Rx所接端口为输出口时，当电容充电回路达到稳态时，电容C上电压为Ve*Rx/(R1+Rx)，故在电容C达到稳态前任意时刻t的电容电压为Vt = Ve*Rx/(R1+Rx) *[1 – exp（-t/RxC）]，同样忽略了电容C通过校准电阻R1放电的效应；假设单片机输入端口的“高”，“低”电平转换总是在同一个电压值（假设为1/2单片机供电电压）发生，Rx所接单片机端口为输入端口时在T1时刻检测到高电平，R2所接单片机端口为输入端口时在T2时刻检测到高电平，则可以得到Ve*Rx/(R1+Rx) *[1 – exp（-T2/RxC）]= Ve*R2/(R1+R2) *[1 – exp（-T1/R2C）]，在这个方程式中由于T1，T2，R1，R2及C已知，可以通过求解方程式得出可变电阻阻值Rx。该方法存在以下缺陷：该求解方式需经过复杂运算才能得到相对准确的结果；忽略了在对电容充电时，通过R1的放电效应，求出的值在Rx接近R1时会有很大误差；当Rx大于校准电阻R1，R2所接单片机端口设置为输入口，Rx所接端口为输出口时，单片机R2接的输入端口将永远不会检测到从低电平到高电平的转换，局限性大。
另一个更为实用的求可变电阻的方式如下：通过公式（1）求解R得出R = t/[C*Ln(Ve/（Ve-Vt）)] ( 2 )，故可通过测量RC电路中电容器电压从0到某个已知电压Vt的时间来间接测量RC电路中R的阻值大小。由于C的标称值和实际值存在误差，及其他系统也在误差，实际使用中通过利用R和t的线性比例关系，先后测量已知阻值电阻R1和C的充放电回路的充电时间T1，和待测电阻Rx和C的充放电回路的充电时间T2，然后通过Rx=R1*T2/T1来获得待测电阻阻值。
附图2给出了目前在遥控航模控制手柄中常用的测量电容充放电时间来测量可变电阻阻值的电路图，GP0，GP1, GP2均为单片机MCU的普通输入输出端口，R1为阻值已知的校准电阻，Rx为待测的可变电阻。
这种测量方法也存在较大缺陷：实际使用中需要同时测量多个可变电阻的阻值，一般会有四路或更多，同时为了减小测量时的偶然误差，需要对同一回路做反复多次测量，这样为了满足实时响应速度的要求，测量时间必须足够小，即所选取的电容C值必须足够小，一般为0.01uF或更小；在此类应用中，例如遥控航模控制手柄，所使用的单片机MCU的成本限制，这些单片机的速度均在50M以下，其单个指令周期均不小于0.02uS，考虑到单片机至少需要数个周期来完成单片机定时器的启动、定时器的停止，输入端口电平采集及电平判断，其测量时间误差会在0.1uS以上，为得到可信的测量结果，测量的结果必须远大于测量误差，一般在10倍以上，方可忽略误差的影响，通过公式1可以知道当电容C为0.01uF，Vt为Ve的1/2，单片机MCU速度50M时，仅当电阻大于150欧姆时才能得到1uS以上测量时间的变化，为了能测到更小电阻，即更高的精度，必须选取更大的电容C，例如0.1uF或更大。
综上，可以看出目前公知的通过测量电容充放电时间来测量可变电阻阻值的电路存在着测量精度和测量时间之间的矛盾，从而使该电路常用在一些精度要求不高或实时性要求不高的场合，同时该公知电路当待测电阻较小时，由于电容充放电时间太短,例如，已经接近或小于测量误差时间，基本无法测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量可变电阻阻值的电路，在解决目前公知的通过测量电容充放电时间来测量可变电阻阻值电路中测量精度和测量时间的矛盾的同时，对较小的待测电阻也能得到一个更为精确的测量结果。
本发明采用以下方案实现：一种测量可变电阻阻值的电路，其特在于：包括单片机、电容、待测可变电阻及校准电阻，所述电容的一端与所述单片机第一输入输出端口连接，电容另一端接地；所述校准电阻的一端与电容的一端连接，所述校准电阻的另一端与所述单片机第二输入输出端口连接；所述待测可变电阻的一端和单片机第三输入输出端口连接，待测可变电阻另一端与校准电阻的另一端连接。
进一步的，其所述校准电阻为精度不低于1%精密电阻。
本发明还提供一种基于上述测量可变电阻阻值的电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“0”给所述电容实现电容放电，将所述电容初始电压复位为0伏；步骤S2：将第一、第三输入输出端口分别设为输入端口，在第二输入输出端口输出“1”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到低电平到高电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量校准回路的时间T1；步骤S3: 将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“0”给所述电容实现电容放电，将所述电容初始电压再次复位为0伏；步骤S4：第一、第二输入输出端口分别设为输入端口，在第三输入输出端口输出“1”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到低电平到高电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量待测回路的时间T2；步骤S5：通过公式：Rx = R1*(T2 – T1)/T1，求出待测可变电阻的阻值，其中Rx表示待测可变电阻的阻值，所述R1表示校准电阻的阻值。
进一步的，在步骤S1、S2之间及步骤S3、S4之间存在一个确保将所述电容初始电压复位为0伏的延时。
本发明还提供另一种基于上述测量可变电阻阻值的电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“1”使所述电容初始电压为单片机供电电压；步骤二：将第一、第三输入输出端口分别设为输入端口，在第二输入输出端口输出“0”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到高电平到低电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量校准回路的时间T1；步骤三：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“1”使所述电容初始电压为单片机供电电压；步骤四：第一、第二输入输出端口分别设为输入端口，在第三输入输出端口输出“0”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到高电平到低电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量待测回路的时间T2；步骤五：通过公式：Rx = R1*(T2 – T1)/T1，求出待测可变电阻的阻值，其中Rx表示待测可变电阻的阻值，所述R1表示校准电阻的阻值。
进一步的，在步骤一、二之间及步骤三、四之间存在一个确保将所述电容初始电压复位为单片机供电电压的短暂延时。
在本发明一实施例，所述校准电阻为精度不低于1%的精密电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明在通过测量电容充放电时间来测量可变电阻阻值Rx时，整个RC回路里的R是Rx和R1串联得到的，这样即使在可变电阻Rx的阻值很小，接近0，的时候，整个RC回路中的电阻值依然不小于校准电阻R1的阻值，通过选择合适的校准电阻R1，可以保证测量所得的时间T2远大于误差时间，因而此时仍然可以能得到一个较好的测量结果；同时由于校准电阻R1串接在Rx和电容C的回路中，避免了必须通过增大C来提高测量精度的问题，从而较好的解决了现有测量电路中的测量精度和测量时间的矛盾。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为中国发明专利号201320780623.6可变电阻租值测量电路的电路图；
图2为目前遥控航模中广泛使用的一种通过测量电容充放电时间来测量可变电阻值的电路图；
图3为本发明的通过测量电容充放电时间来测量可变电阻值的电路图；
图4为本发明的通过测量电容充电时间来测量可变电阻值的流程图；
图5为本发明的通过测量电容放电时间来测量可变电阻值的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种测量可变电阻阻值的电路，其电路原理图参见图3。该电路包括单片机、电容C、待测可变电阻Rx及校准电阻R1，所述电容C的一端与所述单片机第一输入输出端口GP0连接，电容C另一端接地；所述校准电阻R1的一端A与电容C的一端连接，所述校准电阻R1的另一端B与所述单片机第二输入输出端口GP1连接；所述待测可变电阻Rx的一端和单片机第三输入输出端口GP2连接，待测可变电阻Rx另一端与校准电阻的另一端B连接。由于待测可变电阻的测量精度和校准电阻的精度直接相关，R1需选用精度不低于1%的精密电阻，虽然按照本领域技术规定精密电阻的公差应该小于1%，温度系数低于25PPM。本发明还提供一种基于上述测量可变电阻阻值的电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“0”给所述电容实现电容放电，将所述电容初始电压复位为0伏；步骤S2：将第一、第三输入输出端口分别设为输入端口，在第二输入输出端口输出“1”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到低电平到高电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量校准回路的时间T1；步骤S3: 将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“0”给所述电容实现电容放电，将所述电容初始电压再次复位为0伏；步骤S4：第一、第二输入输出端口分别设为输入端口，在第三输入输出端口输出“1”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到低电平到高电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量待测回路的时间T2；步骤S5：通过公式：Rx = R1*(T2– T1)/T1，求出待测可变电阻的阻值，其中Rx表示待测可变电阻的阻值，所述R1表示校准电阻的阻值。
进一步的，在步骤S1、S2之间及步骤S3、S4之间存在一个确保将所述电容初始电压复位为“0”的延时。所述R1表示标准电阻的阻值。其测量流程参见图4。
较佳的，为保证电容C的初始电压为0，电容放电后应延时一段时间。即执行完步骤S1后延时1 μs，再执行步骤S2；执行完步骤S3后延时1μs，再执行步骤S4。
本发明还提供另一种基于上述测量可变电阻阻值的电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“1”使所述电容初始电压为单片机供电电压；步骤二：将第一、第三输入输出端口分别设为输入端口，在第二输入输出端口输出“0”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到高电平到低电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量校准回路的时间T1；步骤三：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出“1”使所述电容初始电压为单片机供电电压；步骤四：第一、第二输入输出端口分别设为输入端口，在第三输入输出端口输出“0”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到高电平到低电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量待测回路的时间T2；步骤五：通过公式：Rx = R1*(T2 – T1)/T1，求出待测可变电阻的阻值，其中Rx表示待测可变电阻的阻值，所述R1表示校准电阻的阻值。进一步的，在步骤一、二之间及步骤三、四之间存在一个确保将所述电容初始电压复位为单片机供电电压的短暂延时。所述R1表示校准电阻的阻值。其测量流程参见图5。
较佳的，为保证电容C的初始电压为单片机供电电压，电容充电后应延时一段时间。即执行完步骤一后延时1μs，再执行步骤二；执行完步骤三后延时1μs，再执行步骤四。
由于本发明在通过测量电容充放电时间来测量可变电阻阻值Rx时，整个RC回路里的R是Rx和R1串联得到的，这样即使在可变电阻Rx的阻值很小，接近0，的时候，整个RC回路中的电阻值依然不小于校准电阻R1的阻值，通过选择合适的校准电阻R1，例如1K的精密电阻，可以保证测量所得的时间T2远大于误差时间，因而此时仍然可以能得到一个较好的测量结果。同时由于校准电阻R1串接在Rx和电容C的回路中，避免了必须通过增大C来提高测量精度的问题，从而较好的解决了公知电路中的测量精度和测量时间的矛盾。由于待测可变电阻的测量精度和校准电阻的精度直接相关，R1需选用精度不低于1%的精密电阻，按照本领域技术规定精密电阻的公差应该小于1%，温度系数低于25PPM。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。
Claims (5)
1.一种测量可变电阻阻值的方法，提供一测量可变电阻阻值的电路，其包括单片机、电容、待测可变电阻及校准电阻， 其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出 “0”给所述电容实现电容放电，将所述电容初始电压值复位为0伏；
步骤S2：将第一、第三输入输出端口分别设为输入端口，在第二输入输出端口输出“1”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到低电平到高电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量校准回路的时间T1；
步骤S3: 将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出 “0”给所述电容实现电容放电，将所述电容初始电压值再次复位为0伏；
步骤S4：第一、第二输入输出端口分别设为输入端口，在第三输入输出端口输出“1”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到低电平到高电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量待测回路的时间T2；
步骤S5：通过公式：Rx = R1*(T2 – T1)/T1，求出待测可变电阻的阻值，其中Rx表示待测可变电阻的阻值，所述R1表示校准电阻的阻值。
2.根据权利要求1所述的测量可变电阻阻值的方法，其特征在于：在步骤S1、S2之间及步骤S3、S4之间存在一个确保将所述电容初始电压复位为0伏的延时。
3.一种测量可变电阻阻值的方法，提供一测量可变电阻阻值的电路，其包括单片机、电容、待测可变电阻及校准电阻，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出 “1”使所述电容初始电压为单片机供电电压；
步骤二：将第一、第三输入输出端口分别设为输入端口，在第二输入输出端口输出“0”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到高电平到低电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量校准回路的时间T1；
步骤三：将所述单片机的第二、第三输入输出端口分别设为输入端口，第一输入输出端口输出 “1”使所述电容初始电压为单片机供电电压；
步骤四：第一、第二输入输出端口分别设为输入端口，在第三输入输出端口输出“0”的同时启动所述单片机的定时器，然后在第一输入输出端口检测到高电平到低电平跳变的同时，读取单片机定时器的值来获取测量待测回路的时间T2；
步骤五：通过公式：Rx = R1*(T2 – T1)/T1，求出待测可变电阻的阻值，其中Rx表示待测可变电阻的阻值，所述R1表示校准电阻的阻值。
4.根据权利要求3所述的测量可变电阻阻值的方法，其特征在于：在步骤一、二之间及步骤三、四之间存在一个确保将所述电容初始电压复位为单片机供电电压的短暂延时。
5.根据权利要求1或3所述的测量可变电阻阻值的方法，其特征在于：所述校准电阻为精度不低于1%的精密电阻。
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