專利名稱：電阻測量電路及含此電路的檢測、控制、報警裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量電阻的電路，尤其是具有線性特性的電阻測量電路，和含此電路的檢測、控制、報警裝置。
本發(fā)明的基本思想是用一個固定恒流源和一個電子開關的串聯(lián)替代上述受控電流源，同時在待測電阻兩端接一個濾波電容，通過調節(jié)電子開關閉合與斷開的時間，使電阻電壓與參考電壓相等。通過開關閉合與斷開的時間、恒流源及參考電壓，就可以計算出電阻。這實際上是用脈沖調制技術實現(xiàn)了受控電流源，用數(shù)字化的受控恒流源替代模擬受控電流源。實現(xiàn)脈沖調制思想，需要有電容器、充電電路、放電電路、完成調制的電子開關，可以有多種電路結構。下面詳細說明實現(xiàn)本發(fā)明基本思想的技術方案。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是測量電路包含包括調制模塊[1]、參考電壓模塊[4]、比較器[5]、控制器[6]、脈沖處理模塊[7]，如

圖1。其中調制模塊[1]由電容器[C1]、充電模塊[2]、放電模塊[3]構成，充電模塊[2]和放電模塊[3]都可為下列4種情形之一1)電阻器2)恒流源3)電阻器與電子開關的串聯(lián)4)恒流源與電子開關的串聯(lián)但調制模塊中至少有一個電阻器和一個電子開關參考電壓模塊[4]可以為下列3種情形之一1)基準電壓源2)恒流源與電阻器的串聯(lián)3)兩個電阻器串聯(lián)構成的串聯(lián)分壓電路其連接關系為電容器[C1]與放電模塊[3]并聯(lián)，該并聯(lián)再與充電模塊[2]串聯(lián)；該串聯(lián)的充電模塊[2]一端電路連接電源，放電模塊[3]一端接地，中間端電路連接比較器[5]的一個輸入端，一般可接正輸入端；
參考電壓模塊[4]的輸出端電路連接比較器[5]的另一個輸入端，一般可接負輸入端；比較器[5]輸出端與控制器[6]電路連接；控制器[6]與脈沖處理模塊[7]連接；控制器[6]分別與充、放電模塊中的電子開關連接整個電路結構如圖1所示。待測電阻置于充電模塊[2]或放電模塊[3]其一之中，充當充電電阻或放電電阻。如果待測電阻較小，需用一個限流電阻器與待測電阻串聯(lián)后，充當充電或放電電阻。充電模塊和放電模塊的各種選擇可以形成12種調制模塊電路結構，由實施例1～12給出。
參考電壓[Vref]可以用基準電壓源、恒流源加電阻器、電阻串聯(lián)分壓等3種方法實現(xiàn)?；鶞孰妷涸捶ㄈ鐖D2所示，這種方法由基準電壓源[Vref]元件提供參考電壓，參考電壓值就是基準電壓源[Vref]的輸出電壓；恒流源法如圖3所示，這種方法由恒流源[I4]與電阻[R4]串聯(lián)，串聯(lián)后電阻[R4]端接地、恒流源端接電源，參考電壓取自電阻[R4]兩端，其值Vref＝I4×R4；電阻串聯(lián)分壓方法如圖4所示，這種方法由電阻[R42]與電阻[R4]串聯(lián)，串聯(lián)后電阻[R4]端接地、電阻[R42]接電源，參考電壓取自電阻[R4]兩端，其值Vref＝VC×R4/(R4+R42)。
這3種參考電壓方法都可以應用到前述12種調制模塊電路結構中，各有其特點，在實施例中有詳細說明。
比較器[5]比較其兩個輸入端的電壓，當連接調制模塊的輸入端電壓低于連接參考電壓模塊的輸入端電壓時，比較器輸出充電信號，按上述調制模塊接正輸入、參考電壓接負輸入的接法，比較器輸出0為充電信號；反之比較器輸出1，代表放電信號。
控制器[6]以一定的頻率f周期性地檢查比較器[5]的輸出，若充電模塊[2]中有電子開關，比較器輸出充電信號時閉合該開關、對電容充電，輸出放電信號時斷開該開關、停止充電；若放電模塊[3]中有電子開關，比較器輸出放電信號時閉合該開關、對電容放電，輸出充電信號時斷開該開關、停止放電。這個操作稱為脈沖調制過程，每次檢查稱為一次采樣，采樣后得到的比較器輸出稱為脈沖調制信號，該信號還送到脈沖處理模塊[7]處理。整個測量過程中，控制器一直持續(xù)上述脈沖調制過程。每次檢查稱為一次采樣，兩次采樣的時間間隔稱為采樣周期T(T＝1/f)，顯然，充、放電的時間總是采樣周期T的整數(shù)倍。
脈沖處理模塊[7]處理脈沖調制信號，并結合電路元件參數(shù)，計算出待測電阻[RX]的阻值。脈沖處理可以采用各種數(shù)字濾波算法，如FIR或IIR數(shù)字濾波器。本發(fā)明提出一種簡單的方法，即在脈沖處理模塊[7]設置充電計數(shù)器和放電計數(shù)器，用充電計數(shù)器記錄充電模塊導通的采樣周期數(shù)，用放電計數(shù)器記錄放電模塊導通的采樣周期數(shù)。通過這兩個計數(shù)器的值，結合電路參數(shù)，就可以計算出待測電阻[RX]的阻值。具體如下測量過程由兩段構成第一段是穩(wěn)定期，控制器持續(xù)脈沖調制若干采樣周期，使電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時電容器[C1]上的電壓圍繞參考電壓微幅波動。第二段是測量期，控制器先清零各計數(shù)器，用充電計數(shù)器記錄充電模塊導通的采樣周期數(shù)，用放電計數(shù)器記錄放電模塊導通的采樣周期數(shù)。測量若干采樣周期后測量結束，控制器根據(jù)充電計數(shù)器計數(shù)值NC和放電計數(shù)器計數(shù)值NF、及電路元件參數(shù)，計算出待測電阻[RX]的阻值。一般有；若待測電阻在充電模塊中，RX＝(NC/NF)×常數(shù)若待測電阻在放電模塊中，RX＝(NF/NC)×常數(shù)測量時固定分母的計數(shù)值，待測電阻的阻值就與分子的計數(shù)值成正比，可以得到線性化的測量裝置。特別是有4種情況(如實施例3、4、5、6)，分母的計數(shù)值就是測量過程中測量期的采樣周期數(shù)，測量時固定測量期的采樣周期數(shù)，就實現(xiàn)了線性化測量如果是連續(xù)測量，從第二次測量起，后續(xù)測量過程可以直接進入測量期，不必先經(jīng)過穩(wěn)定期。對于采用數(shù)字濾波算法(如FIR或IIR數(shù)字濾波器)的情況，每次采樣后，還可以連續(xù)輸出電阻值。
調制模塊[1]、參考電壓模塊[4]、比較器[5]、控制器[6]、脈沖處理模塊[7]、及后面將用到的多路開關[8]等的部分或全部可以集成為一片集成電路；該集成電路可以是定制集成電路，也可以是通用單片機(MCU)加上軟件程序。
用分立元件、多塊集成電路來實現(xiàn)當然可以，但更好的辦法是將其集成到一塊集成電路中，甚至把基準電壓源、恒流源也集成進去，使用時只需外接電容器[C1]和待測電阻[RX]即可。事實上，許多單片機如AT89C2051、AT90S1200、P87LPC762等都集成了比較器，其數(shù)字I/O端口可以作為充、放電開關使用，計數(shù)器可用寄存器或RAM擔任，控制器、脈沖處理模塊則不難通過軟件程序來實現(xiàn)。
待測電阻通常在一定范圍內變化，這個范圍的中點稱中間值；往往也有一個最可能的取值，稱最可幾值。如房間空調器用熱敏電阻測溫度，房間溫度通?？刂圃?0～30℃，25℃時熱敏電阻的阻值可視為中間值，夏天通?？刂圃?7℃，27℃時的阻值可視為最可幾值。當待測電阻為最可幾值或中間值時，通過合理選擇調制模塊電路中各元件參數(shù)，使電容的充電電流與放電電流相等，可提高測量的精度，這時的電流值稱額定充放電流Ic。
當充、放電電流等于額定充放電流Ic時，每個采樣周期T內電容器[C1]兩端的電壓變化值為ΔVc＝Ic×T/C1，使ΔVc與比較器的輸入失調電壓VOFF滿足關系(VOFF/2)＜ΔVc＜VOFF，可以充分利用比較器的分辨率，提高測量的精度。于是有ICf×VOFF<C1<2ICf×VOFF---(1)]]>f是采樣頻率，理論上越高越好，使用單片機作控制器時通常取幾到幾百KHz，最好在10～100KHz，專用定制集成電路時可以更高。太小時要求電容過大，而且測量時間太長，太大則對控制器要求高，增加功耗，而且可能產(chǎn)生輻射問題。
測量的精度主要與測量期的長度有關，增加測量期的周期數(shù)——即計數(shù)器的字長——有助于測量的精度的提高，字長可選8～12位，根據(jù)需要而定。減少字長當然是可以的，只要能滿足需要；增加字長，則要求減小比較器的輸入失調電壓VOFF、減小電子開關斷開、閉合的抖動時間、提高開關速度等措施配合，這往往需要專用集成電路實現(xiàn)。
充電模塊和放電模塊的12種電路結構中，有8種(如實施例3、4、5、6、9、10、11、12)有一個共同的特點待測電阻都與電子開關串聯(lián)。在這類方案中，可以讓多個待測電阻分別與電子開關串聯(lián)，各串聯(lián)體再并聯(lián)，并聯(lián)體置于充電模塊[2]或放電模塊[3]中，接到比較器的正輸入端。各串聯(lián)體不同時工作，控制器輪流對每個電阻進行上述測量過程，從而實現(xiàn)多通道的電阻測量電路。這是本發(fā)明提出的一個改進技術方案，充電模塊的多通道電路結構如圖5所示，放電模塊的多通道電路結構如圖6所示。
對這個改進技術方案，每個測量過程只測量一個電阻，多個電阻需要同樣多個測量過程。為實現(xiàn)并行測量，提出以下改進技術方案。
本發(fā)明提出的又一改進技術方案是電路中設置多個調制模塊[1]、相同數(shù)量的脈沖處理模塊[7]、以及一個單刀多擲電子多路開關[8]，該多路開關具有相同數(shù)量的輸入端和一個輸出端；各個調制模塊分別與多路開關[8]的輸入端電路連接，多路開關[8]的輸出端與比較器[5]正輸入端電路連接。如圖7所示。
控制器[6]在每個采樣周期內切換多路開關，依次把每個調制模塊連接到比較器，檢查比較器結果，閉合或斷開該調制模塊內的電子開關，并用對應的脈沖處理模塊[7]處理各自的脈沖調制信號，計算該調制模塊內的待測電阻值。
本方案一個測量過程可以測量多個電阻。但是，每次切換時，比較器需要有一段時間才能穩(wěn)定，如果測量路數(shù)較多，勢必加大采樣周期T，降低采樣頻率f。為此，提出以下改進技術方案。
本發(fā)明提出的再一改進技術方案是電路中設置多個調制模塊[1]、相同數(shù)量的比較器[5]和脈沖處理模塊[7]；各個調制模塊分別與對應的比較器正輸入端電路連接，各比較器輸出端與控制器[6]電路連接。如圖8所示。各個比較器的的另一個輸入端電路連接參考電壓模塊，可以分別連接不同的參考電壓模塊，如圖8；也可以連接到同一個參考電壓模塊。
控制器[6]在每個采樣周期內檢查各比較器結果，閉合或斷開對應調制模塊內的電子開關，并用對應的脈沖處理模塊[7]處理各自的脈沖調制信號，計算該調制模塊內的待測電阻值。
前面提到，使電容的充電電流與放電電流相等或相近，可提高測量的精度，在待測電阻變化范圍較大或有多個待測電阻時，上述條件往往難以滿足。為此，本發(fā)明提出的再一改進技術方案是在不包含待測電阻的充電模塊[2]或放電模塊[3]之中，設置多個電阻和/或恒流源，及相同數(shù)量的開關，各個電阻、恒流源分別與一個開關串聯(lián)，各串聯(lián)電路再并聯(lián)；通過分別閉合或斷開一個或多個開關，改變充電電流或放電電流的大小，使充電電流與放電電流相等或相近。這實現(xiàn)上是量程選擇。該開關可以是機械開關，也可以是電子開關。對于電子開關，不難用控制器進行控制，實現(xiàn)量程自動轉換。充電模塊中的多量程電路如圖9，放電模塊中的多量程電路如圖10。
改變量程時，可能使電容器[C1]的電容量C1、采樣頻率f、額定充放電流Ic、比較器的輸入失調電壓VOFF之間的關系無法滿足前述不等式(1)，這時可以同時改變采樣頻率f，使不等式得以滿足。事實上，可以用切換量程類似的方法接入多個電容器，即多個電容器分別與開關串聯(lián)，各串聯(lián)電路再并聯(lián)，通過分別閉合或斷開一個或多個開關，改變接入的總電容量，從而使不等式得以滿足。不過，改變頻率f顯得更為簡單，在頻率f無法改變或頻率改變無法滿足要求時，可以使用改變電容量的辦法。
這幾種技術方案各自實現(xiàn)了一種功能擴展，它們之間是相容的，可以兩種或多種相互結合，同時使用，構成功能更完善的電路。這也是本發(fā)明提出的再一改進技術方案。實施例13、14就是兩種或多種應用的例子，如圖23、24所示的。
應用前述電路，本發(fā)明提出了一種線性化電阻測量裝置的技術方案它包含前述電路中除待測電阻外的全部電路，該裝置加上外部的待測電阻，就構成了前述電路。它有線性化的電阻測量特性。
應用前述電路，本發(fā)明提出了一種溫度、濕度、光強度的測量、顯示、控制、報警裝置，它包含前述電路，待測電阻選擇一個或多個熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻；它還包括存有上述熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻分度表的存儲器，存有溫度、濕度或光強度控制、報警條件的存儲器，及顯示、控制、報警裝置?？刂破鱗6]分別測量熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻的電阻值，根據(jù)上述分度表和所測電阻值直接計算出溫度、濕度、光強度值，進行顯示，當滿足控制、報警條件時，執(zhí)行控制操作或報警。
本發(fā)明的有益效果是，采用脈沖調制技術，用廉價的數(shù)字電路，實現(xiàn)了電阻的線性化、多通道、多量程測量，結構簡單。
圖1是本發(fā)明的基本電路原理框圖。
圖2是參考電壓為基準電壓源的電路原理圖。
圖3是參考電壓為恒流源加電阻的電路原理圖。
圖4是參考電壓為電阻串聯(lián)分壓的電路原理圖。
圖5是第一種多通道電阻測量電路待測電阻在充電模塊的原理框圖。
圖6是第一種多通道電阻測量電路待測電阻在放電模塊的原理框圖。
圖7是第二種多通道電阻測量電路原理框圖。
圖8是第三種多通道電阻測量電路原理框圖。
圖9是多量程電阻測量電路量程選擇電阻在充電模塊的原理框圖。
圖10是多量程電阻測量電路量程選擇電阻在放電模塊的原理框圖。
圖11是實施例1的電路原理圖。
圖12是實施例2的電路原理圖。
圖13是實施例3的電路原理圖。
圖14是實施例4的電路原理圖。
圖15是實施例5的電路原理圖。
圖16是實施例6的電路原理圖。
圖17是實施例7的電路原理圖。
圖18是實施例8的電路原理圖。
圖19是實施例9的電路原理圖。
圖20是實施例10的電路原理圖。
圖21是實施例11的電路原理圖。
圖22是實施例12的電路原理圖。
圖23是實施例13的電路原理圖。
圖24是實施例14的電路原理圖。
圖中1.調制模塊，2.充電模塊，3.放電模塊，4.參考電壓模塊，5.比較器，6.控制器，7.充電計數(shù)器，8.放電計數(shù)器，9.多路開關，C1、C11、C12、C13、C14電容器RX、RX1、RX2、RX3、RX4、RX5 待測電阻R2、R21、R22、R23 充電電阻R3、R31、R32、R33、R34放電電阻R4、R42 參考電壓模塊分壓電阻
I2充電恒流源 I3放電恒流源K2、K21、K22、K23 充電開關K3、K31、K32、K33 放電開關D21、D22充電恒流二極管 J繼電器
RX＝(N/NC)×(Vref/I2)， 當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(N/NC)×(I4/I2)×R4， 當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(N/NC)×(VC/I2)×R4/(R4+R42)， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用基準電壓源和恒流源法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。
圖12是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例2的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻串聯(lián)電子開關、放電模塊是電阻的情況。如圖12，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和充電電阻[R2]串聯(lián)構成，放電模塊由待測電阻[RX]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是測量期的總周期數(shù)N。
RX＝(N/NC)×(Vref/(VC-Vref))×R2，當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(N/NC)×(I4×R4/(VC-I4×R4))×R2，當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(N/NC)×(R4/R42)×R2， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用電阻串聯(lián)分壓法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。
圖13是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例3的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻串聯(lián)電子開關、放電模塊是電阻的情況。如圖13，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和待測電阻[RX]串聯(lián)構成，放電模塊由放電電阻[R3]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是測量期的總周期數(shù)N。
RX＝(NC/N)×((VC-Vref)/Vref)×R3，當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NC/N)×(VC-I4×R4)/(I4×R4)×R3，當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NC/N)×(R42/R4)×R3， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用電阻串聯(lián)分壓法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。而且，分母是總周期數(shù)N，更易實現(xiàn)線性測量。
圖14是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例4的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻串聯(lián)電子開關、放電模塊是恒流源的情況。如圖14，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和待測電阻[RX]串聯(lián)構成，放電模塊由放電恒流源[I3]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是測量期的總周期數(shù)N。
RX＝(NC/N)×((VC-Vref)/I3)， 當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NC/N)×((VC-I4×R4)/I3)， 當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NC/N)×(VC/I3)×(R42/(R42+R4))，當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中無論參考電壓模塊采用那種方式，都受電源電壓VC的影響。
圖15是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例5的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是恒流源、放電模塊是電阻串聯(lián)電子開關的情況。如圖15，本實施例中充電模塊由充電恒流源[I2]構成，放電模塊由放電開關[K3]和待測電阻[RX]串聯(lián)構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是測量期的總周期數(shù)N，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是開關導通的周期數(shù)。
RX＝(NF/N)×(Vref/I2)， 當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NF/N)×(I4/I2)×R4， 當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NF/N)×(VC/I2)×R4/(R4+R42)， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用基準電壓源和恒流源法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。而且，分母是總周期數(shù)N，更易實現(xiàn)線性測量。
圖16是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例6的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻、放電模塊是電阻串聯(lián)電子開關的情況。如圖16，本實施例中充電模塊由充電電阻[R2]構成，放電模塊由放電開關[K3]和待測電阻[RX]串聯(lián)構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是測量期的總周期數(shù)N，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是開關導通的周期數(shù)。
RX＝(NF/N)×(Vref/(VC-Vref))×R2， 當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NF/N)×(I4×R4/(VC-I4×R4))×R2， 當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NF/N)×(R4/R42)×R2， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用電阻串聯(lián)分壓法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。而且，分母是總周期數(shù)N，更易實現(xiàn)線性測量。
圖17是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例7的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻、放電模塊是電阻串聯(lián)電子開關的情況。如圖17，本實施例中充電模塊由待測電阻[RX]構成，放電模塊由放電開關[K3]和放電電阻[R3]串聯(lián)構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是測量期的總周期數(shù)N，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是開關導通的周期數(shù)。
RX＝(N/NF)×((VC-Vref)/Vref)×R3，當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(N/NF)×(VC-I4×R4)/(I4×R4)×R3，當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(N/NF)×(R42/R4)×R3， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用電阻串聯(lián)分壓法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。
圖18是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例8的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻、放電模塊是恒流源串聯(lián)電子開關的情況。如圖18，本實施例中充電模塊由待測電阻[RX]構成，放電模塊由放電開關[K3]和放電恒流源[I3]串聯(lián)構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC實際上是測量期的總周期數(shù)N，放電計數(shù)器計數(shù)值NF實際上是開關導通的周期數(shù)。
RX＝(N/NF)×((VC-Vref)/I3)，當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(N/NF)×((VC-I4×R4)/I3)，當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(N/NF)×(VC/I3)×(R42/(R42+R4))，當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中無論參考電壓模塊采用那種方式，都受電源電壓VC的影響。
圖19是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例9的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是恒流源串聯(lián)電子開關、放電模塊是電阻串聯(lián)電子開關的情況。如圖19，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和充電恒流源[I2]串聯(lián)構成，放電模塊由放電開關[K3]串聯(lián)待測電阻[RX]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC是充電開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF是放電開關導通的周期數(shù)。
RX＝(NF/NC)×(Vref/I2)， 當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NF/NC)×(I4/I2)×R4， 當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NF/NC)×(VC/I2)×R4/(R4+R42)，當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用基準電壓源和恒流源法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。
圖20是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例10的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻串聯(lián)電子開關、放電模塊是電阻串聯(lián)電子開關的情況。如圖20，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和充電電阻[R2]串聯(lián)構成，放電模塊由放電開關[K3]串聯(lián)待測電阻[RX]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC是充電開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF是放電開關導通的周期數(shù)。
RX＝(NF/NC)×(Vref/(VC-Vref))×R2，當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NF/NC)×(I4×R4/(VC-I4×R4))×R2，當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NF/NC)×(R4/R42)×R2， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用電阻串聯(lián)分壓法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。
圖21是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例11的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻串聯(lián)電子開關、放電模塊是電阻串聯(lián)電子開關的情況。如圖21，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和待測電阻[RX]串聯(lián)構成，放電模塊由放電開關[K3]串聯(lián)放電電阻[R3]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC是充電開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF是放電開關導通的周期數(shù)。
RX＝(NC/NF)×((VC-Vref)/Vref)×R3，當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NC/NF)×(VC-I4×R4)/(I4×R4)×R3，當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NC/NF)×(R42/R4)×R3， 當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中參考電壓模塊采用電阻串聯(lián)分壓法較好，因為測量不受電源電壓VC的影響。
圖22是根據(jù)本發(fā)明提出的實施例12的電路原理圖，本實施例展示充電模塊是電阻串聯(lián)電子開關、放電模塊是恒流源串聯(lián)電子開關的情況。如圖22，本實施例中充電模塊由充電開關[K2]和待測電阻[RX]串聯(lián)構成，放電模塊由放電開關[K3]串聯(lián)放電恒流源[I3]構成，其余部分與基本原理圖(圖1)相同。這種電路中，充電計數(shù)器計數(shù)值NC是充電開關導通的周期數(shù)，放電計數(shù)器計數(shù)值NF是放電開關導通的周期數(shù)。
RX＝(NC/NF)×((VC-Vref)/I3)， 當參考電壓模塊是基準電壓源(如圖2)RX＝(NC/NF)×((VC-I4×R4)/I3)， 當參考電壓模塊是恒流源加電阻(如圖3)RX＝(NC/NF)×(VC/I3)×(R42/(R42+R4))，當參考電壓模塊是電阻串聯(lián)分壓(如圖4)可見這種電路中無論參考電壓模塊采用那種方式，都受電源電壓VC的影響。
由上述討論可以看出，實施例1、5、9結構采用基準電壓源法或恒流源法，實施例2、3、6、7、10、11結構采用電阻串聯(lián)分壓法，效果更佳，因為可以消除電源電壓Vc對測量的影響。實施例1、5、9結構采用恒流源法時，還可以采用背景技術提到的菲利浦公司專利中描述的集成電路制造技術，使方案中兩恒流源相等或保持固定比例，以減少元器件的制造誤差和溫度漂移，同時得到更簡潔的計算式。
實施例3、5、6具有不受電源電壓VC的影響、更易實現(xiàn)線性測量的優(yōu)點，應優(yōu)先采用。實施例9、10、11實現(xiàn)線性測量需要使NC或NF保持不變，實現(xiàn)稍復雜，但因充、放電分離，有節(jié)能的效果，也可以優(yōu)先采用。
各實施例中，電容充、放電電流相等的等價條件不盡相同實施例1、2、3、4為NC＝N/2，實施例5、6、7、8為NF＝N/2，實施例9、10、11、12為NC＝NF＝N/2。電路設計時，可以將等價條件代入待測電阻表達式，以確定電路參數(shù)。
圖23所示的實施例13，是根據(jù)本發(fā)明提出的溫度、濕度、光強度的測量、控制、報警裝置的電路原理圖。本實施例提供了多通道、多量程測量的示例。本實施例中，采用了單片機AT90S1200，用內部RC振蕩方式工作；它有一個比較器，AIN0口是正輸入端，AIN1口是負輸入端；PD0、PD1、PD3、PD4、PD5是輸入輸出口，用作電子開關，開關斷開時，端口配置為高阻輸入模式，開關閉合時，端口配置為輸出模式，輸出0或1；RX1、RX2、RX3分別是熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻，與PD3、PD4、PD5口一起構成放電模塊，實現(xiàn)多通道測量；R21、R22、是量程選擇電阻，與PD1、PD2口一起構成充電模塊，實現(xiàn)多量程測量；C1是濾波電容，與充、放電模塊一起構成調制模塊，其輸出連接比較器正輸入端AIN0口；R4、R42構成串聯(lián)分壓電路，形成參考電壓模塊，其輸出連接比較器負輸入端AIN1口，其上還接有濾波電容C4，以濾掉干擾；PB2口還接有繼電器J，執(zhí)行控制、報警動作。充、放電計數(shù)器由單片機內部寄存器實現(xiàn)，控制器用軟件實現(xiàn)，存儲器內還包含了熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻的分度表和控制、報警條件。測量RX1、RX2時，選擇R21量程電阻，并以f＝20KHz采樣；測量RX3時，選擇R22量程電阻選擇，并以f＝10KHz采樣。控制器計算出溫度、濕度、光強度后，查詢控制、報警條件，滿足條件則驅動繼電器J動作，實現(xiàn)控制、報警。
圖24所示的實施例14，是根據(jù)本發(fā)明提出的電阻測量裝置的電路原理圖。本實施例提供了本發(fā)明提出的三種多通道測量方案綜合使用的示例。本實施例中，采用了單片機P87LPC762，用內部RC振蕩方式工作。該單片機有兩個比較器，每個比較器前有一個單刀雙擲電子開關，共4個正輸入端，即CIN1A、CIN1B、CIN2A、CIN2B，負輸入端都接內部的1.23伏基準電壓。本實施例也用單片機的I/O口作電子開關。D21、D22是恒流二極管，RX1、RX2、RX3、RX4、RX5是待測電阻。第一個調制模塊由電容C11、恒流二極管D21、待測電阻RX1和RX5、端口P1.7和P1.4構成，其輸出連接第一比較器第一正輸入端CIN1A，形成實施例5所述電路；其中待測電阻RX1和RX5、端口P1.7和P1.4還構成本發(fā)明提出的第一種多通道測量電路(圖6)。第二個調制模塊由電容C12、恒流二極管D22、待測電阻RX2、端口P0.0和P1.6構成，其輸出連接第一比較器第二正輸入端CIN1B，形成實施例9所述電路。第三個調制模塊由電容C13、充電電阻R23、待測電阻RX3、端口P0.6和P0.7構成，其輸出連接第二比較器第一正輸入端CIN2A，形成實施例10所述電路。第四個調制模塊由電容C14、放電電阻R34、待測電阻RX4、端口P0.5構成，其輸出連接第二比較器第二正輸入端CIN2B，形成實施例3所述電路。第一個調制模塊、第二個調制模塊、第一單刀雙擲開關、第一比較器構成本發(fā)明提出的第二種多通道測量電路。第三個調制模塊、第四個調制模塊、第二單刀雙擲開關、第二比較器也構成本發(fā)明提出的第二種多通道測量電路。第一、第二比較器及其前端的四個調制模塊、兩個開關構成本發(fā)明提出的第三種多通道測量電路。
控制器在一個測量周期內，可以同時測量RX1、RX2、RX3、RX4是，也可以同時測量RX2、RX3、RX4、RX5，而RX1與RX5在一個測量周期內只能測量其一。測量結果送顯示電路顯示。
本實施例中，因各個調制模塊可以單獨設計，容易做到滿足前述不等式(1)，一般以相同的采樣頻率工作，不需改變。如有必要采用不同的采樣頻率，只要幾個采樣頻率有整數(shù)比例關系，也可以實現(xiàn)同時測量。例如第一、第三調制模塊需要以20KHz采樣，第二、第四調制模塊需要以30KHz采樣，控制器只需以其最小公倍數(shù)60KHz的節(jié)拍運行，每3個節(jié)拍對第一、第三調制模塊采樣，每2個節(jié)拍對第二、第四調制模塊采樣，就能實現(xiàn)同時測量。不過，這樣的控制器相對復雜一些，但仍是可以實現(xiàn)的。
權利要求
1.一種測量電阻的電路，其特征在于包括調制模塊[1]、參考電壓模塊[4]、比較器[5]、控制器[6]、脈沖處理模塊[7]；其中調制模塊[1]由電容器[C1]、充電模塊[2]、放電模塊[3]構成；充電模塊[2]和放電模塊[3]都可為下列4種情形之一1)電阻器2)恒流源3)電阻器與電子開關的串聯(lián)4)恒流源與電子開關的串聯(lián)但調制模塊中至少有一個電阻器和一個電子開關待測電阻[RX]置于調制模塊之中，替代調制模塊中的一個電阻。如果待測電阻較小，用限流電阻與待測電阻串聯(lián)，以該串聯(lián)替代調制模塊中的一個電阻參考電壓模塊[4]可以為下列3種情形之一1)基準電壓源2)恒流源與電阻器的串聯(lián)3)兩個電阻器串聯(lián)構成的串聯(lián)分壓電路連接關系為電容器[C1]與放電模塊[3]并聯(lián)，該并聯(lián)再與充電模塊[2]串聯(lián)；該串聯(lián)的充電模塊[2]一端電路連接電源，放電模塊[3]一端接地，中間端電路連接比較器[5]的一個輸入端；參考電壓模塊[4]的輸出端電路連接比較器[5]的另一個輸入端；比較器[5]輸出端與控制器[6]電路連接；控制器[6]與脈沖處理模塊[7]連接；控制器[6]分別與充、放電模塊中的電子開關連接工作時比較器[5]比較其兩個輸入端的電壓，當連接調制模塊的輸入端電壓低于連接參考電壓模塊的輸入端電壓時，比較器輸出充電信號，反之輸出放電信號；控制器[6]以一定的頻率f周期性地檢查比較器[5]的輸出，若充電模塊[2]中有電子開關，比較器輸出充電信號時閉合該開關、對電容充電，輸出放電信號時斷開該開關、停止充電；若放電模塊[3]中有電子開關，比較器輸出放電信號時閉合該開關、對電容放電，輸出充電信號時斷開該開關、停止放電；脈沖處理模塊[7]處理脈沖調制信號，并結合電路元件參數(shù)，計算出待測電阻[RX]的阻值；
2.根據(jù)權利要求1所述電路，其特征在于脈沖處理模塊[7]中包括充電計數(shù)器和放電計數(shù)器；測量時，脈沖處理模塊用充電計數(shù)器記錄充電模塊導通的周期數(shù)、用放電計數(shù)器記錄放電模塊導通的周期數(shù)，并用兩計數(shù)器的計數(shù)值、及電路元件參數(shù)，計算出待測電阻[RX]的阻值；
3.根據(jù)權利要求1所述電路，其特征在于當待測電阻為最可幾值或中間值時，電容的充電電流與放電電流相等，都等于額定充放電流Ic；電容值C1、電容的額定充放電流Ic、頻率f、比較器輸入失調電壓VOFF滿足ICf×VOFF<C1<2ICf×VOFF]]>
4.根據(jù)權利要求1所述電路，其特征在于還包含多個待測電阻、相同數(shù)量的電子開關；各個待測電阻分別與一個電子開關串聯(lián)，各串聯(lián)電路再并聯(lián)；該并聯(lián)置于充電模塊[2]或放電模塊[3]其一之中；控制器[6]分別測量每個待測電阻的阻值。
5.根據(jù)權利要求1所述電路，其特征在于還包含多個調制模塊[1]、相同數(shù)量的脈沖處理模塊[7]、以及一個單刀多擲電子多路開關[8]，該多路開關具有相同數(shù)量的輸入端和一個輸出端；各個調制模塊分別與多路開關[8]的輸入端電路連接，多路開關[8]的輸出端與比較器[5]一個輸入端電路連接；控制器[6]在每個采樣周期內切換多路開關，依次把每個調制模塊連接到比較器，檢查比較器輸出，閉合或斷開該調制模塊內的電子開關，并用對應的脈沖處理模塊[7]處理該調制模塊的充、放電信號，計算該調制模塊內的待測電阻值；
6.根據(jù)權利要求1所述電路，其特征在于還包含多個調制模塊[1]、相同數(shù)量的比較器[5]、以及相同數(shù)量的脈沖處理模塊[7]；每個調制模塊分別與一個比較器的一個輸入端電路連接，各個比較器的的另一個輸入端電踣連接參考電壓模塊，輸出端與控制器[6]電路連接；控制器[6]在每個采樣周期內檢查各個比較器的輸出，閉合或斷開對應調制模塊內的電子開關，并用對應的脈沖處理模塊[7]處理對應調制模塊的充、放電信號，計算對應調制模塊內的待測電阻值。
7.根據(jù)權利要求1所述電路，其特征在于還包含多個電阻和/或恒流源，及相同數(shù)量的開關；各個電阻、恒流源分別與一個開關串聯(lián)，各串聯(lián)電路再并聯(lián)；該并聯(lián)置于不含待測電阻的充電模塊或放電模塊之中；通過分別閉合或斷開一個或多個開關，改變充、放電電流，實現(xiàn)量程選擇；改變量程時，可以同時改變采樣頻率f。
8.根據(jù)權利要求1、2、3、4、5、6、7所述電路，其特征在于組合了權利要求1、2、3、4、5、6、7所述電路，形成的一個具有權利要求1、2、3、4、5、6、7所述各項特征的部分或全部的電路。
9.一種電阻測量裝置，其特征在于包含權利要求8所述電路中除待測電阻外的全部電路，該裝置加上外部的待測電阻，實際構成了權利要求8所述電路。
10.一種溫度、濕度、光強度的測量、控制、報警裝置，其特征在于包含權利要求8所述電路；待測電阻為一個或多個熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻；還包括存有上述熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻分度表的存儲器，存儲器與控制器連接；還包括存有溫度、濕度或光強度控制、報警條件的存儲器，存儲器與控制器連接；還包括顯示、控制、報警裝置，顯示、控制、報警裝置與控制器連接；控制器[6]分別測量熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻的電阻值；控制器[6]根據(jù)上述分度表和所測電阻值計算出溫度、濕度、光強度值；控制器[6]用顯示裝置顯示測量出的溫度、濕度、光強度值；控制器[6]檢查溫度、濕度、光強度值，當滿足控制、報警條件時，執(zhí)行控制操作或報警。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用脈沖調制技術測量電阻的電路，由電容[C1]、充電電路[2]、放電電路[3]、比較器[5]、控制器[6]、脈沖處理模塊[7]等構成。以比較器的輸出控制充、放電電路的通斷，通過測量充、放電周期數(shù)，計算出電阻值。該方法輸出與電阻值呈線性關系，可以實現(xiàn)多通道、多量程、高精度測量，易于用帶比較器的單片機實現(xiàn)。接熱敏、濕敏、光敏電阻，可構成溫度、濕度、光強度的測量、控制、報警裝置。
文檔編號G01R27/14GK1455262SQ0211827
公開日2003年11月12日 申請日期2002年5月4日 優(yōu)先權日2002年5月4日
發(fā)明者朱筱杰 申請人:朱筱杰