防電源抖動二維電阻陣列讀出電路的製作方法
2023-12-08 22:40:06
本發明涉及一種防電源抖動二維電阻陣列讀出電路，屬於電路技術領域。
背景技術：
機器人觸覺是機器人非視覺傳感系統(觸覺、力覺、滑覺、接近覺、熱覺等)中最重要的一種,它可以測量物體表面的輪廓、紋理、硬度、粗糙度等對目標身份識別有重要價值的參數。觸覺還可以為視覺等其他傳感系統提供輔助信息,以提高機器人整體的環境感知能力。機器人觸覺的研究起步較晚,觸覺傳感器的設計與製造技術尚不完善,與此相應觸覺信息的處理方法也受到了忽視。國外從20世紀80年代初對觸覺傳感器及其信息處理方法開始了系統研究,我國在90年代也展開了研究工作。以往觸覺信息的處理方法大多從信號降噪的角度出發,對觸覺單元信息之間的關聯性研究較少,而研究這種關聯性的內在規律對觸覺系統性能提高有著重要意義。
陣列式傳感技術作為一種高選擇性、測試方法靈活、易於實現儀器微型化和集成化的分析技術，具有對大尺寸物體表面特性進行識別和檢測的優點。陣列式傳感器已取得了一系列的研究成果，但是在理論和技術仍有許多問題尚未解決，例如，陣列式傳感器的陣列之間的交叉幹擾、傳感器的穩定性和重現性等問題都有待進一步解決。
阻性傳感陣列的解析度是需要通過增加陣列中傳感器的數量來提高的，當傳感器陣列的規模增大，對所有元器件的信息採集和信號處理就變得困難。一般情況下，要對一個M×N規模的陣列傳感器進行逐個檢測，每個傳感器有兩個埠，共需要2×M×N根連接線。共用行線與列線的二維陣列可以降低器件互連的複雜性，但同時陣列網絡的互串效應和多路選擇器對檢測精度帶來了不確定性；將掃描控制器與電阻採樣電路和多路選擇器結合，雖然可以實現被測阻性傳感器的單個選定檢測，但是這僅僅是理想狀態下的與陣列中其他阻性傳感器的虛擬隔離，如果想屏蔽掉待測阻性傳感器所在公共行線與列線的多路選擇器內阻以及其他相鄰阻性傳感器引起的幹擾，就需要在陣列的每一行每一列都設置掃描控制器和電阻採樣電路，因此僅僅在掃描控制器與電阻採樣電路的控制下，阻性傳感陣列的檢測電路無法同時達到較低的器件互連複雜度與較高的傳感器檢測精度。
圖1所示，是基於共用行線與列線的二維電阻陣列傳統讀出電路的示意圖。包括列多路選擇器(1)、共用行線和列線的二維電阻陣列(2)、行多路選擇器(3)、掃描控制器(4)及被測單元測量電路(5)。所述二維電阻陣列(2)包括分別作為共用行線和共用列線的兩組正交線路及按照M×N的二維結構分布的電阻單元陣列，陣列中的各個電阻單元一端連接相應的行線，另一端連接相應的列線，處於第i行、第j列的電阻單元用Rij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M為行數，N為列數，電阻單元Rij的一端與行多路選擇器(3)的yri端相連接，電阻單元Rij的另一端與列多路選擇器(1)的xcj端連接，行多路選擇器(3)的br1、br2、…、brM埠與被測單元測量電路(5)中運算放大器的反相輸入端相連，被測單元測量電路(5)中運算放大器的同相輸入端接地線，掃描控制器(4)輸出行、列掃描控制信號，列掃描控制信號控制列多路選擇器(1)，行掃描控制信號控制行多路選擇器(3)。
圖1採用的一般零電勢法電路中，由於被測電阻單元所在列多路選擇器內阻和基準電壓變化會導致被測單元兩端的電壓與理想基準電壓不一致，從而導致被測單元測量電路中採樣電阻上的電流與理想電流不一致，因此將引入額外誤差。
有關電阻式傳感陣列的檢測研究，2009年，一種32×32陣列的溫度和觸覺傳感陣列被提出(Yang Y J,Cheng M Y,Shih S C,et al.A32×32temperature and tactile sensing array using PI-copper films.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2010,46(9-12):945-956.)，用於機械手臂的人造皮膚，在陣列網絡中加入多路選擇器，行選擇與列選擇速度大大加快，最大檢測速率高達每秒3,000像素，但該電路為了保證檢測精度，屏蔽陣列內非待測電阻的幹擾，在陣列的每一列都引入了運算放大電路，其電路複雜，同時多個運放性能的微小差異也會導致多個通道間測量結果的一致性較差。2011年吳等人(吳劍鋒,王蕾,李建清,等.一種陣列式小尺寸溫度傳感裝置.傳感技術學報,2011,24(11):1649-1652.)研製一種8×16陣列的陣列式小尺寸溫度傳感裝置，採用陣列式微小熱敏電阻進行溫度傳感，提出了一種反饋隔離驅動測量方法進行陣列電阻檢測方法，該方法存在行、列多路開關電阻的幹擾，影響被測電阻的測量精度。
技術實現要素：
針對阻性傳感陣列檢測的需要，本發明提出一種二維電阻陣列的讀出電路，本電路可以實現對有故障或有變化的阻性器件的檢測，本發明還可以有效隔離當前被測電阻單元所在陣列的其餘電阻單元、控制器導通電阻和控制器電壓變化對檢測結果的影響，使得測量誤差大大降低。
本發明採用如下技術方案：
一種防電源抖動二維電阻陣列讀出電路，包括控制器、共用行線和列線的二維電阻陣列、行多路選擇器、被測單元測量電路，所述二維電阻陣列包括分別作為共用行線和共用列線的兩組正交線路及按照M×N的二維結構分布的電阻陣列，陣列中的各個電阻單元一端連接相應的行線，另一端連接相應的列線，處於第i行、第j列的電阻單元用Rij表示，其中i＝1…M，M為行數，j＝1…N，N為列數，電阻單元Rij的一端與行多路選擇器的yri端相連接，電阻單元Rij的另一端與控制器的xcj端連接，控制器的xcj端輸出高電平或低電平，行多路選擇器的br1、br2、…、brM埠與被測單元測量電路中運算放大器的反相輸入端相連，行多路選擇器的ar1、ar2、…、arM埠接地，被測單元測量電路包括一個運算放大器和一個負反饋電阻RL，負反饋電阻RL的兩端分別連接運算放大器OPA1的反相輸入端、輸出端，被測單元測量電路中運算放大器OPA1的同相輸入端接地線，控制器輸出行掃描控制信號，行掃描控制信號控制行多路選擇器，控制器輸出N個電平給列線，並且每個時刻N個電平中，只有一個高電平，對應模擬電壓Vcc，其餘都為低電平，對應模擬電壓0，高電平對應的列線被選中，所述線性讀出電路還包括標準電阻行、輔助測量電路，所述標準電阻行包括一行N個電阻值已知的標準電阻，用於接入所述M×N阻性傳感器陣列，得到共用行線和列線的(M+1)×N電阻陣列；所述輔助測量電路包括一個運算放大器和一個負反饋電阻RLS，負反饋電阻RLS的兩端分別連接運算放大器OPAs的反相輸入端、輸出端，所述標準電阻行的行線與輔助測量電路中運算放大器OPAs的反相輸入端連接，輔助測量電路中運算放大器OPAs的同相輸入端接地。
本發明的檢測電路的工作原理在於：控制器輸出N個電平給列線，並且每個時刻N個電平中，只有一個高電平(對應模擬電壓Vcc)，其餘都為低電平(對應模擬電壓0)，高電平對應的列線被選中；同時，控制器輸出行掃描控制信號，控制行多路選擇器內埠的連接方式，行控制信號控制行多路選擇器的yri端與ari端或是與bri端相連。當待測電阻單元Rij被選定，其處於陣列第i行、第j列，控制器輸出高電平給第j列的xcj端，其電壓值為Vcc，而其它列線得到的都是低電平(對應模擬電壓0)，即其他列線與地線同電位；行控制信號控制行多路選擇器第i行的yri端與bri端相連，bri端與被測單元測量電路中運算放大器OPA1的反相輸入端相連，被測單元測量電路中運算放大器OPA1的輸出電壓表示為Vij，而其他行通過行多路選擇器的ari端與地線相連，此時待測電阻單元Rij被選定。電壓Vcc經過第j列的xcj端作用於當前被測電阻單元Rij後經由行多路選擇器輸入到被測單元測量電路中運算放大器OPA1的反相輸入端，同時作用於其採樣電阻後，輸出電壓為Vij，與此同時，當前被測列上的標準電阻其列電壓與當前被測電阻單元Rij相同，標準電阻行所在的輔助測量電路的輸出電壓為VSij，當前被測電阻單元Rij所在行線即第i行上的電壓表示為Vri，所在列線即第j列上的電壓表示為Vcj，除當前被測列以外的其它電阻單元兩側連接的行、列多路選擇器埠的電壓均為VZP，即電勢差為零，此時，除當前被測電阻單元以外的其它電阻單元無電流流過，除當前被測列上非被測單元上流過的電流不經過被測單元所在行，不影響被測單元精度，當前被測電阻單元Rij，i＝1…M，j＝1…N，的精確測量值採用如下計算方法求得：
步驟1、通過控制器直接輸出的列信號和行多路選擇器選擇當前被測單元Rij，
測量得到被測單元測量電路的輸出電壓Vij為：
式中，VCC表示控制器的電壓電壓值；RL表示被測單元測量電路中運算放大器OPA1的負反饋電阻值；Rij表示二維阻性傳感陣列第i行第j列的電阻值；
步驟2、同時選定當前參比標準電阻Rsj，測量得到輔助測量電路的電壓輸出
VSij為：
式中，RLS表示輔助測量電路中運算放大器OPAs的負反饋電阻值；RSj表示標準電阻行第j列的電阻值；
步驟3、將式(1)與式(2)相比計算得到當前被測單元Rij的精確阻值為：
式中，VSij表示標準電阻行所在的輔助測量電路的輸出電壓；RSj表示標準電阻行第j列的電阻值；RL表示被測單元測量電路中運算放大器OPA1的負反饋電阻值；RLS表示輔助測量電路中運算放大器OPAs的負反饋電阻值被測單元測量電路中運算放大器OPA1的輸出電壓表示為Vij。
這樣可以基本排除二維電阻陣列中除當前被測電阻單元以外的其它阻性單元、控制器導通電阻和控制器電壓變化對當前被測電阻單元Rij，i＝1…M，j＝1…N，測量的幹擾。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
一、本發明針對電阻單元陣列的檢測需要，在不顯著提高電阻單元陣列互連複雜性的基礎上，以零電勢法為關鍵技術，在標準電阻行及其輔助測量電路的共同作用下，可以準確得到被測單元測量電路的輸出電壓和標準電阻單元的輔助測量電路的輸出電壓，通過參比排除控制器與二維電阻陣列的列線相連的埠導通電阻和電壓VCC變化導致的誤差，準確得到當前被測電阻單元的電阻值，而一般零電勢法電路中，由於被測電阻單元所在列多路選擇器內阻和基準電壓變化會導致被測單元兩端的電壓與理想基準電壓不一致，從而導致被測單元測量電路中採樣電阻上的電流與理想電流不一致，因此將引入額外誤差。因此，在標準電阻行及其輔助測電路後，有效減少二維電阻陣列中除當前被測電阻單元以外的其它電阻單元和電源電壓變化對當前被測電阻單元測量的幹擾，提高了阻性單元陣列的檢測精度。不僅可以實現對待測單元的單個選定，而且可以有效減少除當前被測電阻單元以外的其它阻性單元的幹擾，大大提高了其測量精度。
二、在保證測量精度的前提下，避免使用成本較高的列多路選擇器和價格昂貴的基準電壓源，顯著降低成本。
三、在保證測量精度的前提下，避免使用單獨的列多路選擇器和價格昂貴的基準電壓源，使得測量電路複雜性顯著降低。
附圖說明
圖1是基於共用行線與列線的二維電阻陣列傳統讀出電路的示意圖；
圖2是本發明的一種防電源抖動二維電阻陣列的線性讀出電路示意圖；
圖3是實施例防電源抖動二維阻性傳感陣列讀出電路IZPC和圖1所示的二維阻性傳感陣列傳統讀出電路ZPC進行仿真實驗的結果示意圖。
圖4是當RSC＝1Ω時，圖1所示的二維阻性傳感陣列傳統讀出電路ZPC的仿真結果曲線，以及在RSC取不同值時，實施例高精度二維阻性傳感陣列讀出電路IZPC的仿真結果曲線示意圖。
其中：1-控制器，2-二維電阻陣列，3-行多路選擇器，4-被測單元測量電路，5-標準電阻行，6-輔助測量電路。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。
實施例
一種防電源抖動二維電阻陣列的線性讀出電路，包括控制器1、共用行線和列線的二維電阻陣列2、行多路選擇器3及被測單元測量電路4，所述二維電阻陣列2包括分別作為共用行線和共用列線的兩組正交線路及按照M×N的二維結構分布的電阻單元陣列，陣列中的各個電阻單元一端連接相應的行線，另一端連接相應的列線，處於第i行、第j列的電阻單元用Rij表示，其中，i＝1…M，M為行數，j＝1…N，N為列數，電阻單元Rij的一端與行多路選擇器3的yri端相連接，電阻單元Rij的另一端與控制器1的xcj端連接，控制器1的xcj端輸出高電平或低電平，行多路選擇器3的br1、br2、…、brM埠與被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的反相輸入端相連，行多路選擇器3的ar1、ar2、…、arM埠接地，被測單元測量電路4包括一個運算放大器OPA1和一個負反饋電阻RL，負反饋電阻RL的兩端分別連接運算放大器OPA1的反相輸入端、輸出端，被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的同相輸入端接地線，控制器1輸出行掃描控制信號，行掃描控制信號控制行多路選擇器3，所述線性讀出電路還包括標準電阻行5、輔助測量電路6，所述標準電阻行5包括一行N個電阻值已知的標準電阻，用於接入所述M×N阻性傳感器陣列，從而得到一個新的共用行線和列線的(M+1)×N電阻陣列；所述輔助測量電路6包括一個運算放大器OPAs和一個負反饋電阻RLS，負反饋電阻RLS的兩端分別連接運算放大器OPAs的反相輸入端、輸出端，所述標準電阻行5的行線與輔助測量電路6中運算放大器OPAs的反相輸入端連接，輔助測量電路6中運算放大器OPAs的同相輸入端接地。
實施例中，控制器1為電阻陣列的每一列提供列驅動信號，同時，控制器1輸出行掃描控制信號，行掃描控制信號控制行多路選擇器3，被測單元測量電路4測量當前被測單元電阻值，輔助測量電路測量6被選定標準電阻值。利用該電路，不僅可以讀出所測二維電阻陣列2，還可以有效減小二維電阻陣列中除當前被測電阻單元以外的其它電阻單元、控制器輸出列信號導通電阻和控制器輸出電壓變化對測量結果的幹擾。
下面參照附圖，對本發明做出如下說明：
圖2所示，是本發明提出的一種二維電阻陣列的線性讀出電路示意圖。控制器1輸出N個電平給列線，並且每個時刻N個電平中，只有一個高電平，對應模擬電壓Vcc，其餘都為低電平，對應模擬電壓0，高電平對應的列線被選中；同時，控制器1輸出行掃描控制信號，控制行多路選擇器內埠的連接方式，行控制信號控制行多路選擇器3的yri端與ari端或是與bri端相連。當待測電阻單元Rij被選定，其處於陣列第i行、第j列，控制器1輸出高電平給第j列的xcj端，其電壓值為Vcc，而其它列線得到的都是低電平，對應模擬電壓0，即其他列線與地線同電位；行控制信號控制行多路選擇器3第i行的yri端與bri端相連，bri端與被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的反相輸入端相連，被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的輸出電壓表示為Vij，而其他行通過行多路選擇器的ari端與地線相連，此時待測電阻單元Rij被選定。電壓Vcc經過第j列的xcj端作用於當前被測電阻單元Rij後經由行多路選擇器3輸入到被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的反相輸入端，同時作用於其採樣電阻後，輸出電壓為Vij，與此同時，當前被測列上的標準電阻其列電壓與當前被測電阻單元Rij相同，標準電阻行5所在的輔助測量電路6的輸出電壓為VSij，當前被測電阻單元Rij所在行線即第i行上的電壓表示為Vri，所在列線即第j列上的電壓表示為Vcj，除當前被測列以外的其它電阻單元兩側連接的行、列多路選擇器埠的電壓均為VZP，即電勢差為零，此時，除當前被測電阻單元以外的其它電阻單元無電流流過，除當前被測列上非被測單元上流過的電流不經過被測單元所在行，不影響被測單元精度，當前被測電阻單元Rij，其中i＝1…M，j＝1…N，的精確測量值採用如下計算方法求得：
步驟1、通過控制器1直接輸出的列信號和行多路選擇器3選擇當前被測單
元Rij，測量得到被測單元測量電路4的輸出電壓Vij為：
式中，VCC表示控制器1的電壓電壓值；RL表示被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的負反饋電阻值；Rij表示二維阻性傳感陣列第i行第j列的電阻值；
步驟2、同時選定當前參比標準電阻Rsj，測量得到輔助測量電路6的電壓輸出VSij為：
式中，RLS表示輔助測量電路6中運算放大器OPAs的負反饋電阻值；RSj表示標準電阻行5第j列的電阻值。
步驟3、將式(1)與式(2)相比，得到
根據式(3)計算得到當前被測單元Rij的精確阻值為：
式中，VSij表示標準電阻行5所在的輔助測量電路6的輸出電壓；RSj表示標準電阻行5第j列的電阻值；RL表示被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的負反饋電阻值；RLS表示輔助測量電路6中運算放大器OPAs的負反饋電阻值被測單元測量電路4中運算放大器OPA1的輸出電壓表示為Vij。
式(4)中不存在控制電源電壓VCC，這樣可以基本排除二維電阻陣列中除當前被測電阻單元以外的其它阻性單元、控制器導通電阻和控制器電壓變化對當前被測電阻單元Rij(i＝1…M,j＝1…N)測量的幹擾。
設二維阻性傳感陣列的規模為M＝N＝8，在NI Mults im軟體中對圖2所示的本發明中的一種防電源抖動二維阻性傳感陣列讀出電路IZPC和圖1所示的二維阻性傳感陣列傳統讀出電路ZPC進行仿真實驗，實驗結果如圖3和圖4所示。圖3中，橫坐標表示被測單元電阻的實際值，單位為千歐kΩ；縱坐標表示被測單元電阻的相對誤差，即測得的電阻值與實際電阻值之差，除以實際電阻值，得到的比值，用百分數表示。圖3中，RSC表示控制器1輸出高電平埠的輸出電阻值。圖4是當RSC＝1Ω時，ZPC的仿真結果曲線，以及在RSC取不同值時，IZPC的仿真結果曲線。
由圖3和圖4的實驗結果可以看出，本發明中的IZPC與傳統的ZPC相比較，對二維阻性傳感陣列的被測單元電阻的測量精度有了顯著提高。
此外需要強調的是：上述行、列為相對概念，本領域技術人員完全可以將之互換，因此，基於本發明思路的類似此種簡單變形仍為本發明技術方案所涵蓋。