[实用新型]一种测量可变电阻阻值的电路

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

对于有ADC功能的单片机，测量可变电阻阻值只要利用ADC来测量电阻分压即可实现。由于具有ADC功能的单片机的成本高于不具有ADC功能的单片机，对于不具有ADC功能的单片机常通过RC充放电电路来实现可变电阻阻值的测量。

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：求解方式非常复杂；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，因而有很大局限性。

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。