一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路的製作方法
2024-03-07 05:50:15
本發明涉及電阻測量領域，尤其涉及一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路。
背景技術：
電阻的測量十分普遍，在各種電阻測量方法中，伏安法又以精度高而普遍應用。伏安法通過利用歐姆定律：R＝U/I來測出電阻值。對被測電阻施加已知激勵電壓(恆壓源電路)，然後測量被測電阻中的電流，或對被測電阻施加已知激勵電流(恆流源電路)，然後測量被測電阻中的電壓，可計算出未知電阻的阻值。
為了提高信號的採集質量，現有技術中的公告號為CN 104808063A，公告日為2015年7月29的專利申請利用三角波作為激勵信號來提高電阻測量的質量。
發明人在實現本發明的過程中，發現上述現有技術中至少存在以下缺點和不足：
由於現有的測量電路無一例外地均採用模數轉換器，模數轉換器在靠近輸入極限(最大或最小幅值)時存在顯著的非線性，特別是輸入模數轉換器的模擬信號電平越低，得到的數字轉換結果的不確定度越大。
因此，採用純淨三角波作為激勵信號時，在三角波的低電平部分得到的數位訊號的信噪比就很低，從而影響了信號的採集精度。
技術實現要素：
本發明提供了一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路，本發明通過將三角波調整為抬高預設電平的三角波，提高了電阻的測量精度，詳見下文描述：
一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路，包括：微控制器，與所述微控制器連接的數模轉換器、模數轉換器；所述數模轉換器連接電壓電流轉換器，所述電壓電流轉換器和所述模數轉換器之間還設置有放大器，
所述微控制器控制所述數模轉換器輸出正負周期對稱的抬高預設電平三角波電壓信號，所述抬高預設電平三角波電壓信號經過所述電壓電流轉換器轉換成抬高預設電流值三角波電流信號，所述抬高預設電流值三角波電流信號激勵被測電阻產生電壓信號；
所述電壓信號經由所述放大器放大後輸入到所述模數轉換器，所述模數轉換器將轉換結果輸入到所述微控制器；
在模數轉換器轉換的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，數位訊號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段，獲取到數位訊號的信噪比，進而提高了輸入到微處理中的數位訊號的精度；
所述微控制器將抬高預設電平三角波的正、負半周期各自數據的累加和相減得到的結果即正比於被測電阻，計算出所述被測電阻的阻值。
其中，作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的高電平部分，提高了獲取到數位訊號的信噪比。
其中，預設電平的取值為數位訊號的動態範圍一半以上最佳。
一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路，包括：微控制器，與所述微控制器連接的電流數模轉換器、模數轉換器；所述電流數模轉換器和所述模數轉換器之間還設置有放大器，
所述微控制器控制所述電流數模轉換器輸出正負周期對稱的抬高預設電流值三角波電流信號，所述抬高預設電流值三角波電流信號激勵被測電阻產生電壓信號；
所述電壓信號經由所述放大器放大後輸入到所述模數轉換器，所述模數轉換器將轉換結果輸入到所述微控制器；
在模數轉換器轉換的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，數位訊號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段，獲取到數位訊號的信噪比，進而提高了輸入到微處理中的數位訊號的精度；
所述微控制器將抬高預設電平三角波的正、負半周期各自數據的累加和相減得到的結果即正比於被測電阻，計算出所述被測電阻的阻值。
其中，作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的高電平部分，提高了獲取到數位訊號的信噪比。
其中，預設電平的取值為數位訊號的動態範圍一半以上最佳。
本發明提供的技術方案的有益效果是：本發明通過微控制器將抬高預設電平三角波的正、負半周期各自數據的累加和相減得到的結果即正比於被測電阻，計算出被測電阻的阻值；本發明相較於背景技術中的公告號為CN 104808063A，公告日為2015年7月29的專利申請，本發明顯著地提高了數位訊號的精度，進而提高了輸入到微處理器中的數位訊號的精度，使得微控制器計算出較高精度的被測電阻。本發明實現了高速度、大信息的高精度測量，且具有結構和電路簡單、器件和工藝要求低、調試容易、可靠性高等優點。
附圖說明
圖1為實施例1的一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路的結構示意圖；
圖2為實施例1的抬高預設電平三角波電壓信號示意圖；
圖3為實施例2的一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路的結構示意圖；
圖4為實施例2的抬高預設電流值三角波電流信號示意圖；
附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
MCU：微控制器； DAC：數模轉換器；
VCC：電壓電流轉換器； A：放大器；
ADC：模數轉換器； Zx：被測電阻；
IDAC：電流數模轉換器； Ii：抬高預設電流值三角波電流信號；
Vi：抬高預設電平三角波電壓信號。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
實施例1
參見圖1，一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路，包括：微控制器MCU、數模轉換器DAC、電壓電流轉換器VCC、放大器A、模數轉換器ADC；
微控制器MCU控制數模轉換器DAC輸出如圖2所示的正負周期對稱的抬高預設電平三角波電壓信號，抬高預設電平三角波電壓信號經過電壓電流轉換器VCC轉換成抬高預設電流值三角波電流信號Ii，抬高預設電流值三角波電流信號Ii激勵被測電阻Zx，產生電壓信號Vi＝IiZx，電壓信號經由放大器A放大後輸入到模數轉換器ADC，模數轉換器ADC將轉換結果輸入到微控制器MCU，微控制器MCU將三角波的正、負半周期各自數據的累加和相減得到的結果即正比於被測電阻Zx，可以計算出被測電阻Zx。
本發明實施例抬高預設電平後，在電壓信號經由放大器A放大後輸入到模數轉換器ADC的過程中，噪聲水平沒有發生變化，但作為驅動的三角波信號由於抬高了預設電平，在三角波信號的低電平部分，三角波信號相較於噪聲改善明顯，從而提高了在三角波信號低電平段的數位訊號的信噪比；相較於背景技術中的公告號為CN 104808063A，公告日為2015年7月29以純淨三角波作為激勵信號的專利申請，本發明實施例顯著地提高了在三角波信號低電平段的數位訊號的信噪比，進而改善了輸入到微控制器中的轉換結果的精度。
另外，由於抬高預設電平，噪聲水平沒有變化，在三角波信號的高電平部分，三角波信號相較於噪聲也有一定的改善，提高了在三角波信號高電平段的數位訊號的信噪比。
由於模數轉換器ADC的轉換結果精度得到提高，進而提高了輸入到微控制器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行處理，可以計算出被測電阻Zx。
其中，預設電平的取值優選模數轉換器ADC轉換的數位訊號動態範圍一半以上，當大於等於1/2動態範圍時，抬高預設電平的三角波信號的失真最小，通過模數轉換器ADC採集到的數位訊號質量最高。
即，將一定時間(整數個三角波周期)內的每個三角波的正半個周期的採樣值vi累加得到累加和，每個三角波的負半個周期的採樣值vj累加得到累加和，這兩個累加和相減，得到的結果(實際為三角波的面積)正比於被測電阻Zx，可以計算出被測電阻Zx，推導如下：
以一個周期為例計算三角波的面積，每個周期採樣2k次，前k次累加和後k次累加：
在一個三角波周期內採樣值的平均值為：
在一個三角波周期內三角形的面積為：
當在正半個周期採樣時，採樣值v為vi；當在負半個周期採樣時，採樣值v為vj。
即，
前一項：時計算正半周期，後一項：計算負半周期。
注意前後兩項的是相同的值，但且vj＞0，所以
對幅值為x的被採樣值，如果在一定的時間內均勻採樣N(>>1)點並進行平均，得到的平均值是
其中，[x]是模數轉換器對x進行量化，也即按四捨五入圓整得到的正整數。xi是第i點的幅值，[xi]是模數轉換器對xi進行量化，也即按四捨五入圓整得到的正整數。
(6)式表明，對一個比較「乾淨」的信號採樣多次進行平均，並不能提高其精度，所得到的平均值的誤差與單次採樣的誤差相同，為Δxi。
如果對幅值為x的被採樣鋸齒波，同樣在一定的時間內均勻採樣N(>>1)點並進行平均，得到的平均值是
其中，xi＝mi+Δxi，mi＝[xi]。也即是圓整得到正整數，而是被四捨五入後丟去的「隨機」誤差。
(7)式可以進一步利用等差級數求和公式得到：
(8)式中的前一項是量化後的值，雖然比(6)式的結果小了一半，但按照誤差理論，一個數據的精度並不因乘以一個固定非零常數而改變。但後面一項中是零均值的隨機數，相比(6)式中的要降低倍，因此，對鋸齒波或三角波激勵信號進行過採樣後同樣可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高頻擾動信號。
本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
綜上所述，由於本發明實施例相對於背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的數位訊號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的數位訊號的信噪比，進而提高了輸入到微控制器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行處理，可以計算出被測電阻Zx。
實施例2
參見圖3，一種抬高預設電平三角波激勵的電阻測量電路，包括：微控制器MCU、電流數模轉換器IDAC、放大器A、模數轉換器ADC；
微控制器MCU控制電流數模轉換器IDAC輸出如圖4所示的正負周期對稱的三角波電流信號Ii，三角波電流信號Ii激勵被測電阻Zx，產生電壓信號Vi＝IiZx，電壓信號經由放大器A放大後輸入到模數轉換器ADC，模數轉換器ADC將轉換結果輸入到微控制器MCU，微控制器MCU將三角波的正、負半周期各自數據的累加和相減得到的結果即正比於被測電阻Zx，可以計算出被測電阻Zx。
其中，本實施例中的微控制器MCU將三角波的正、負半周期各自數據的累加和相減得到的結果即正比於被測電阻Zx的詳細操作步驟與實施例1相同，在此不作贅述。
本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
綜上所述，由於本發明實施例相對於背景技術中的申請文件，顯著地提高了在三角波低電平段的數位訊號的信噪比，且也提高了在三角波信號高電平段的數位訊號的信噪比，進而提高了輸入到微控制器中的數位訊號的精度，微處理器對數位訊號進行處理，可以計算出被測電阻Zx。
本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。