一种测量可变电阻阻值的电路及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 = VO + (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)。
[0003] 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*R2ARl+R2)，故在 电容C达到稳态前任意时刻t的电容电压为Vt = Ve*R2ARl+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/ (Rl+Rx)，故在电容C达到稳态前任意时刻t的电容电压为Vt = Ve*RxARl+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*RxARl+Rx) *[1 - exp(-T2/RxC)]=Ve*R2ARl+R2) *[1 -exp (-T1/R2C)]，在这个方程式中由于！1，12，1?1，1?2及(：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Rl，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。
[0004] 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=Rl*T2/Tl来获得待测电阻阻值。
[0005] 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，GPO, 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。
[0006] 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0.0 luF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〇. luS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luS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. luF 或更大。
[0007] 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】
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 进一步的，其所述校准电阻为精度不低于1%精密电阻。
[0011] 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"〇"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"〇"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〇伏；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 = Rl*(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。
[0012] 进一步的，在步骤Sl、S2之间及步骤S3、S4之间存在一个确保将所述电容初始电 压复位为〇伏的延时。
[0013] 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"〇"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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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】
[0018] 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