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一种电容、电阻、电感－数字转换电路 Download PDF

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Abstract

一种电容、电阻、电感数字转换电路。每个电容、电阻、电感连接控制器控制的电控开关,比较器连计时器,计时器连控制器,电控开关控制电容选通电阻或电感组成阻容或感容充放电回路可测电阻和电容或电感和电容,电容一端连比较电路,计时器计量充放电时间,串联多个开关可测传感器矩阵,本发明将元件的测试问题转化为时序问题,采用数字电路进行转换,简化了过去将元件值转化为模拟电量后进行模/数转换的复杂电路。

Description

一种电容、电阻、电感数字转换电路
本发明涉及一种电子电路尤其涉及一种将电容量、电阻值、电感量转换为数字的电路，以采用简单的数字电路来实现将电容电阻电感值转换为数字，增加测量通道而基本不增加电路即可进行测量。
在科技生产生活中，经常需要将电子元件中电容器值、电阻值、电感量转换为数字信号，如温度传感器，湿度传感器，压力传感器，位置传感器等。常规变换方法是通过变换电路和放大电路将其变换放大为电压值，再由模/数电路变换成数字量，如果需要多路同时测量，则需要多个变换器、放大器和换路开关，这样电路就比较复杂，元器件比较多，成本也较高。
本发明目的在于提供一种将电容量、电阻值、电感量转换为数字的低复杂度和低成本的通过数字电路直接实现的电路。本发明是这样实现的：
一种电容、电阻、电感数字转换电路，由电容、电感、电阻、比较器、计时器、控制器、电控开关组成，其中每个电容、电阻都与控制器控制的电控开关相连，控制器可通过电控开关控制电容选通电阻组成阻容充放电回路，可测电阻和电容，电容与电阻相连的一端与比较器相连，比较器的参考电压与比较器相连，比较器输出与计时器相连，电控开关控制信号与计时器相连，计时器计量充放电时间；上述电阻可换成电感组成感容充放电回路来测量电感和电容；所述的电控开关，其电控开关多个串联可测量传感器矩阵。
本发明是通过电容-电阻或电容-电感充(放)电过程将对元件值的计量转换为对时间的计量。本发明包括一组电容-电阻或电容-电感通过控制器控制的电控开关连接起来的充(放)电回路，电容器上电压与比较器参考电压(即标准电压)比较，比较器输出电压由计时器转换为时间计时。充(放)电中，电容值、电阻值、电感量均与时间成正比，通过充(放)电到参考电压的时间来计量电容、电阻、电感的值。本发明与通常技术比具有以下优点：
该电路总成本小于10元，小于AD0809 A/D芯片的价格。
该电路实现综合精度优于0.5％。
常规方法是通过变换器及放大器将其变换放大为电压再通过A/D电路进行变换，如需要多路测量，则需要多个变换器、放大器及相应换路开关，这样电路就比较复杂，元器件比较多，成本也较高。本发明采用简单的数字电路来实现将电容、电阻、电感值转换为数字，增加测量通道而基本不增加电路即可进行变换。常规方法接线无法共用，测试线路至少需2n条，而本发明可共用一条线，测试线路只须n+1条，从而节省了线路费用。(n为被测元件个数)
常规方法通常模/数电路在微处理器外，需要接口电路才能将测试数据送入微处理器，而本方法可以使用微处理器的计时器，省去接口电路，从而节约了处理器有限的外部接口和引线，可以使电路更加小巧。
本发明能识别传感器是否短路或开路。
本发明所使用电路均采用数字电路，避免了采用模拟，数字两种电路所提高的成本。下面结合附图及实例对本发明进一步详细说明。
附图1为本发明将电容、电阻、电感值转换为数字的实施例的原理图。附图2为本发明将电容、电阻、电感值转换为数字的应用集成元件的电路图。附图3为本发明将电容器值转换为数字的实施例的原理图。附图4为本发明将电容器值转换为数字的应用集成元件电路图。附图5为本发明将电阻器值转换为数字的实施例的原理图。附图6为本发明将电阻器值转换为数字的应用集成元件的电路图。附图7为本发明将电感量转换为数字的实施例的原理图。附图8为本发明将电感量转换为数字的应用集成元件的电路图。附图9为控制开关二维矩阵线路的原理图。
本发明的工作过程是：参见附图1，电路原始状态：电压24不等于电压17，参考电压25(标准电压)值处于电压24、17之间且相对稳定，电控开关14、15、16可将电容器1、2、3接到电阻4或电压17上形成充(放)电回路。开始，控制器27控制电控开关14接通电阻4，电控开关18接通电阻4，计时器12打开，电压24通过电控开关18、电阻4、电控开关14、电容器1、电压13形成充(放)电回路，电容器1上电压电压10与比较器26参考电压25进行比较，比较器26输出电压11送给计时器12转换成时间计时。然后，当电压10升(或降)到与电压25相等时，控制器27控制计时器12关闭，同时控制电控开关18断开，电控开关14接通电压17，为电容1放(充)电。以此类推，可从计时器12读到电容-电阻的充(放)电时间。测试过程中应保证电压24、25、17、13稳定。
通过电阻-电容或电感-电容充(放)电公式可知：电容量与充电时间成正比，电阻-电容震荡公式τ=-1n[1-Vc/(V1-V2)]RC，即C=τ/-1n[1-Vc/(V1-V2)]R，式中τ为充(放)电时间单位为秒，C为电容单位为法拉，R为电阻单位为欧姆，Vc为参考电压25、V1为电压24、V2为电压17单位为伏特，从而将充电过程中电压与时间的非线性的关系变换为电容与时间的线性关系，在电阻4、电压25、24、17、13已知的情况下，电容器值可以求出。同理，电容器已知，其他电压已知，电阻值也可以求出。电感在充(放)电过程中作用等效为电阻，由电容-电感充(放)电公式可知，电感量与充(放)电时间也成正比，故此，可将电容-电感充(放)电过程中电压与时间的非线性的关系变换为电感与时间的线性关系，通过已知各电容器值、电压值，可求出电感量，已知电感量，可求出电容器值。利用电阻和电感对不同大小的电容充(放)电效果有所不同，可求出大小不同的电阻、电感值。充(放)电公式中：1n[1-Vc/(V1-V2)]R为常数，如果电路中电容采用部分标准电容，其数值已知，通过测量标准电容充电(或放电)时间，计算出不同电容器值与时间的对应关系式，那么，将被测电容器在刚充(放)电回路中取代标准电容充(放)电到参考电压，则可通过计时器输出的时间直接求得被测电容器值。用这种方法不必知道电阻4、电压24、25、17、13具体数值，只要它们稳定。同理，采用部分标准电阻，部分标准电感，可求出其他被测电阻、电感值。测试中控制器可控制多组电控开关，从而可以组成测试矩阵用于测量更多传感器。值得说明的是上述的电容、电阻、电感均可有若干个，此实施例仅对每种画出三个，另外矩阵可用二维的或二维以上的。附图2为本发明的一种应用集成元件原理图，其中，分压电阻32、33提供比较电压25,MC4053开关元件29包含电控开关14、15、16，MC4051开关元件30包含电控开关18、19、20、21、22、23，AT89F2051单片机31内含比较器26、计数器12、控制器27，单片机31通过连接线28、34控制开关元件29和30。
本发明可以组成将电容器值转换为数字的电路。
工作过程参看附图3，电路原始状态：电压24不等于电压17，参考电压25值处于电压24、17之间且相对稳定，电控开关14、15、16可将电容器1、2、3接到电阻4或电压17上形成充(放)电回路。开始，控制器27控制电控开关14接通电阻4，计时器12打开，电压24通过电阻4、电控开关14、电容器1、电压1 3为电容器1充(放)电，电容器1上电压电压10与比较器26参考电压25进行比较，比较器26输出电压11送给计时器12转换成时间计时。然后，当电压10升(或降)到与电压25相等时，控制器27控制计时器12关闭，电控开关14接通电压17，为电容1放(充)电。以此类推，可从计时器12读到电容器的充(放)电时间。测试过程中应保证电压24、25、17、13稳定。同上所述，可求得电容器值。
附图4为本发明将电容器值转换为数字的一种应用集成元件原理图，其中，分压电阻32、33提供比较电压25,MC4053开关元件29包含电控开关14、15、16,AT89F2051单片机31内含比较器26、计数器12、控制器27，单片机31通过连接线28控制开关元件29。
本发明可以组成将电阻器值转换为数字的电路。
工作过程参看附图5，电路原始状态：电压24不等于电压17，参考电压25(标准电压)值处于电压24、17之间且相对稳定，电控开关14可将电容器1接到电压17上形成充(放)电回路。开始，控制器27控制电控开关18接通电阻4、电控开关14断开，计时器12打开，电压24通过电控开关18、电阻4、电容器1、电压13形成充(放)电回路，电容器1上电压电压10与比较器26参考电压25进行比较，比较器26输出电压11送给计时器12转换成时间计时。然后，当电压10升(或降)到与电压25相等时，控制器27控制计时器12关闭，同时控制电控开关18断开，电控开关14接通电压17，为电容1放(充)电。以此类推，可从计时器12读到电容-电阻的充(放)电时间。测试过程中应保证电压24、25、17、13稳定。同上所述，可求得电阻器值。
附图6为本发明将电阻器值转换为数字的一种应用集成元件原理图，其中，分压电阻32、33提供比较电压25,MC4051开关元件30包含电控开关18、19、20,AT89F2051单片机31内含比较器26、计数器12、控制器27，单片机31通过连接线34控制开关元件30。
本发明可以组成将电感器值转换为数字的电路。
工作过程参看附图7，电路原始状态：电压24不等于电压17，参考电压25(标准电压)值处于电压24、17之间且相对稳定，电控开关14可将电容1接到电压17上形成充(放)电回路。开始，控制器27控制电控开关14断开，电控开关21接通电感7，计时器12打开，电压24通过电控开关21、电阻4、电容器1、电压13形成充(放)电回路，电容器1上电压电压10与比较器26参考电压25进行比较，比较器26输出电压11送给计时器12转换成时间计时。然后，当电压10升(或降)到与电压25相等时，控制器27控制计时器12关闭，同时控制电控开关21断开，电控开关14接通电压17，为电容1放(充)电。以此类推，可从计时器12读到电容-电阻的充(放)电时间。测试过程中应保证电压24、25、17、13稳定。同上所述，可求得电感器值。
附图8为本发明将电感器值转换为数字的一种应用集成元件原理图，其中，分压电阻32、33提供比较电压25,MC4051开关元件30包含电控开关21、22、23,AT89F2051单片机31内含比较器26、计数器12、控制器27，单片机31通过连接线34控制开关元件30。
以上各电路图中开关可由开关的等效电路代替，如MOS开关器件，三极管开关器件等。
利用以上电路还可以判断元件的某些故障，例如，当计时为0时可判断被测电容器开路，或被测电阻、电感短路。当计时为无穷大时，可判断被测电容器短路或被测电阻、电感开路。
如图9所示，这是一个二维矩阵，将四个电控开关串联后，一个横向开关和一个纵向开关同时打开可以选通一个电阻，通过横向开关和纵向开关组合即可测此传感器矩阵。

Claims (2)

1．一种电容、电阻、电感数字转换电路，由电容、电感、电阻、比较器、计时器、控制器、电控开关组成，其特征在于：每个电容、电阻都与控制器控制的电控开关相连，控制器可通过电控开关控制电容选通电阻组成阻容充放电回路，可测电阻和电容，电容与电阻相连的一端与比较器相连，比较器的参考电压与比较器相连，比较器输出与计时器相连，电控开关控制信号与计时器相连，计时器计量充放电时间，所述的电阻可换成电感组成感容充放电回路来测量电感和电容。
2．根据权利要求1所述一种电容、电阻、电感数字转换电路，其特征在于：所述的电控开关，其电控开关多个串联可测量传感器矩阵。
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