可變電阻裝置、測量橋電路和用於校準測量橋電路的方法
2023-10-24 02:10:22
可變電阻裝置、測量橋電路和用於校準測量橋電路的方法
【專利摘要】本發明涉及一種測量橋電路（100），具有第一和第二分支。在第一分支中串聯有第一電阻（R2(x)）和不變電阻（Rfix，1），其中在第一測量參量敏感電阻（R2(x)）和不變電阻（Rfix，1）之間布置第一截取點（104）。在第二分支中串聯有第二測量參量敏感電阻（R1(x)）和可變電阻裝置（102）。該可變電阻裝置（102）具有帶不變電阻值的第一器件（Rfix，2）和具有可變電阻值的第二器件（M），其中第二器件與第一器件（Rfix，2）並聯，以便改變電阻裝置（102）的總電阻值。在第二測量參量敏感電阻（R1(x)）和電阻裝置（102）之間布置第二截取點（106）。第一分支和第二分支並聯。在第一截取點（104）和第二截取點（106）之間能布置測量儀器。
【專利說明】可變電阻裝置、測量橋電路和用於校準測量橋電路的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可變電阻裝置、一種測量橋電路、一種用於校準測量橋電路的方法以及一種對應的控制設備和電腦程式產品。
【背景技術】
[0002]在基於例如兩條支路中的電平衡的電路中，由於構件公差和製造公差而需要用於調準支路中的至少一條支路的電阻的可能性。例如可以藉助於不可逆的調準方法、諸如雷射微調或者齊納消滅(Zener-Zapping)來跨接或者短路電阻的級聯裝置中的單個電阻，以便匹配該裝置的結果得到的電阻。在例如由於支路中的構件老化而對平衡造成幹擾的情況下，需要重新調準。為此可以更換和調準級聯裝置。
[0003]由DE 4 115 288A1已知一種用於均衡傳感器信號的裝置。
【發明內容】
[0004]基於該背景，利用本發明根據獨立權利要求提出一種可變電阻裝置、一種測量橋電路、一種用於校準測量橋電路的方法以及最後提出一種對應的控制設備和電腦程式產品。有利的構型從相應的從屬權利要求和後面的描述中得出。
[0005]本發明基於如下認識，即憶阻器可以存儲寫入的電阻器，只要憶阻器在極限頻率以上和/或在極限電流強度以下被運行。當利用低於極限頻率和/或高於極限電流強度的電流對憶阻器通電時，所述電阻值可以增大或者減小。具有憶阻器的電路可以為了校準電路而在極限頻率以下和/或在極限電流強度以上被運行。具有憶阻器的電路可以在運行中在極限頻率以上和/或在極限電流強度以下被運行並且校準保持下來。
[0006]有利地，佔據較小面積的單個憶阻器可以代替大量的單個構件，所述大量的單個構件傳統上被維持用於校準並且佔據大的面積。由此可以把具有憶阻器的電路實施得較小。因為憶阻器總是可以被再次校準，因此電路可以固定構建，因為不需要電路更換。由於較小的部件數量，電路還可以被成本有利地提供。
[0007]本發明提出一種具有以下特徵的可變電阻裝置:
具有不變電阻值的第一器件；和
具有可變電阻值的憶阻器，所述憶阻器與第一器件並聯，以便改變所述電阻裝置的總電阻值。
[0008]此外，本發明提出一種測量橋電路，其具有以下特徵:
第一分支，其具有串聯的第一電阻和不變電阻，其中在第一電阻和不變電阻之間布置第一截取點；和
第二分支，其具有串聯的第二電阻和根據這裡提出的方案所述的可變電阻裝置，其中在第二電阻和電阻裝置之間布置第二截取點，其中第一分支和第二分支並聯並且在第一截取點和第二截取點之間能布置測量儀器。
[0009]此外本發明提出一種用於校準根據這裡提出的方案所述的測量橋電路的方法，其中所述方法具有以下步驟:
當第一電阻經受物理校準參量並且第二電阻同樣經受物理校準參量時，確定測量儀器的測量值；和
改變可變電阻裝置的憶阻器的電阻值，直至測量值在公差範圍中在預先確定的值附近為止，以便校準測量橋電路。
[0010]具有不變電阻值的器件可以理解為在容差範圍內隨著其使用壽命保持相同的電阻。憶阻器可以理解為具有可變電阻值的器件。並聯電路的總電阻值可以理解為第一器件的電阻值倒數和憶阻器或第二器件的電阻值倒數之和的倒數。第一器件和第二器件可以是單個的分立器件。測量橋電路可以具有用於饋送電壓的第一端子點和用於饋送電壓的第二端子點。第一分支可以在端子點處與第二分支電連接。截取點可以是端子點。測量儀器可以是電流測量設備或者電壓測量設備。物理校準參量例如可以理解為預先確定的力。例如，校準參量可以這樣定義，即沒有外部作用作用於電阻上。校準參量可以是相等的。為了改變電阻值，例如可以將經整流的電壓或者經整流的電流施加到憶阻器上。通過將經整流的部件接通到憶阻器上，憶阻器中的載流子可以經歷位置改變，這些載流子可以增大或減小憶阻器的電阻。經整流的部件可以具有最小大小和/或最小持續時間。
[0011]第一電阻和/或第二電阻可以是測量參量敏感電阻，並且被構造為將傳感器處的物理參量的改變反映在電阻值的對應改變中。測量參量敏感電阻例如可以是壓阻式壓力傳感器或者長度傳感器。
[0012]第一測量參量敏感電阻可以連接在不變電阻之前。可變電阻裝置可以連接在第二測量參量敏感電阻之前。通過這種布置可以實現半橋電路。該電路也可以構造為具有僅僅一個測量參量敏感電阻的四分之一橋。
[0013]可變電阻裝置可以具有至少一個從外部可接近的校準端子。經由校準端子可以直接對憶阻器通電。由此可以使其他器件對校準過程的影響最小化。
[0014]在第一截取點和第二截取點之間可以布置電壓測量裝置。測量橋電路可以被用恆定電流通電。測量參量敏感電阻的改變可以通過改變電壓測量裝置處的電壓值來反映。
[0015]在改變步驟中，電阻值可以一直在一個方向上持續增大，直至該測量值離開公差範圍為止。在測量值進入公差範圍和測量值離開公差範圍之間的電阻值的間隔可以被確定。接著，電阻值可以在所述間隔的預先確定的部分、尤其是一半附近被持續減小。或者可以在改變步驟中一直持續減小電阻值，直至測量值離開公差範圍為止。在測量值進入公差範圍和測量值離開公差範圍之間的電阻值的間隔可以被確定。接著，電阻值可以在所述間隔的預先確定的部分、尤其是一半附近被持續增大，以便校準測量橋電路。通過在進入公差範圍時檢測電阻的第一值和在離開公差範圍時檢測電阻的第二值得出一電阻帶，可以在該電阻帶的中間調整電阻值，以便調諧測量橋。間隔可以代表電阻帶的寬度。電阻值例如可以被增大，直至離開公差範圍為止。於是電阻帶可以再次被減小，直至達到所述間隔的預先確定的部分。
[0016]本發明還提出一種控制設備，其構造為用於以對應的裝置執行或實施本發明方法的步驟。通過本發明的控制設備形式的該實施變型，也可以快速和高效地解決本發明所基於的任務。
[0017]控制設備在此可以理解為電設備，其處理傳感器信號並且據此輸出控制信號。控制設備可以具有接口，所述接口可以按照硬體和/或軟體方式構造。在按照硬體方式構造的情況下，所述接口例如可以是所謂的系統ASIC的包含控制設備的非常不同的功能的部分。但是也可能的是，所述接口是特有的集成電路或者至少部分地由分立器件構成。在按照軟體方式構造的情況下，所述接口可以是軟體模塊，所述軟體模塊例如存在於微控制器上的其他軟體模塊旁。
[0018]有利地還提出一種具有程序代碼的電腦程式產品，所述程序代碼可以存儲在機器可讀載體上(諸如半導體存儲器、固盤存儲器或者光學存儲器)並且用於執行根據前述實施方式之一所述的方法，其中所述程序在計算機或者設備上實施。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面根據附圖示例性地詳細闡述本發明。
[0020]圖1示出根據本發明一個實施例的具有可變電阻裝置的測量橋電路的框圖；和 圖2示出根據本發明一個實施例的用於校準測量橋電路的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]在下面對本發明的優選實施例的描述中，對於在不同附圖中所示的和起相似作用的元件使用相同的或相似的附圖標記，其中放棄對這些元件的重複描述。
[0022]圖1示出根據本發明一個實施例的具有可變電阻裝置102的測量橋電路100的框圖。該測量橋電路100具有兩條分支。在其中一條分支中串聯有第一測量參量敏感電阻R1(X)和可變電阻裝置102。在這兩者之間布置第一截取點104。在其中另一條分支中串聯有第二測量參量敏感電阻R2(X)和第一不可變電阻Rfix, I。在這兩者之間布置第二截取點106。兩條分支相互並聯在第一端子108和第二端子110之間。可變電阻裝置102具有第二不可變電阻Rfix, 2和與其並聯的憶阻器M。
[0023]在運行中，藉助於第一端子108和第二端子110之間的供電電壓Uv通過測量橋電阻100的兩條分支對測量橋電路100供電。第二端子110可以位於零電勢GND上。當兩條分支彼此處於平衡時，在第一截取點104和第二截取點106之間沒有電流流動並且沒有電壓U。當測量橋電路100例如由於測量參量敏感電阻R1UhR2(X)的漂移而失諧時，儘管兩個測量參量敏感電阻R1 (x)、R2 (x)未被加負荷，也需要對測量橋電阻100進行校準，以便阻止在截取點104、106之間的電流流動。為了校準測量橋電路100，改變可變電阻裝置102，直至再次建立起平衡。為了改變憶阻器M的電阻值，從憶阻器端子到第二端子110經由憶阻器M地施加憶阻器電流IM。該憶阻器電流Im可以具有高的直流電流分量。通過該憶阻器電流IM，載流子在憶阻器M內移動，由此傳導性、也即憶阻器M的電阻值得到改變。
[0024]在用具有如下傳輸頻率的電壓Uv運行測量橋電路100期間一其中所述傳輸頻率高於憶阻器M的極限頻率，憶阻器M的電阻值不改變。於是在截取點104、106之間可以截取經幅度調製的信號U，該信號U構成測量參量敏感電阻R1 (x)、R2 (x)處的測量參量。
[0025]圖2示出根據本發明一個實施例的用於校準測量橋電路的方法200的流程圖。方法200具有確定202步驟和改變204步驟。在確定202步驟中，當第一測量參量敏感電阻經受物理校準參量並且第二測量參量敏感電阻同樣經受物理校準參量時，確定測量儀器的測量值。這些校準參量尤其可以是一致的，或者在符號相反的情況下大小相同。所述測量參量敏感電阻例如可以僅僅經受其自重或者基本負荷。在改變204步驟中，可變電阻裝置(憶阻器)的第二器件的電阻值被改變，直至測量值在公差範圍中在預先確定的值附近為止。所述預先確定的值例如可以是預先確定的電壓水平，如零伏特。所述公差範圍例如可以在考慮測量精確性的情況下被明確。
[0026]換句話說，憶阻器M可以代替用於均衡傳感器R1UhR2(X)的電阻網絡。這樣的電阻網絡例如可以在均衡時刻通過雷射微調或者通過齊納消滅被調整到期望值。
[0027]憶阻器M的原理在理論上最好與其他無源器件相比較地被描述。所有器件基於電荷及其導數(電流)以及磁流及其導數(電壓)的結合。在此基礎上，電阻對應於電壓對電流的導數，電感對應於磁流對電流的導數，(逆)電容對應於電壓對電荷的導數，以及憶阻率對應於磁流對電荷的導數。
[0028]在憶阻器的微系統技術的實現中，在鉬電極之間施加非常薄(幾個nm)的二氧化鈦層。如果現在TiO2層的一部分被摻雜氧晶格缺陷，則在這部分中出現高的導電性，而未摻雜部分是絕緣體。通過施加電場、也即電壓，區域之間的分隔線被移動並且因此層的總電阻改變。但是在此不僅場的大小起決定作用，而且場變化曲線的歷史也起決定作用(與在電容器情況下所存儲的電荷與通電歷史有關類似)。場變化的速度也起重要作用。特性因此(如在電感和電容情況下也如此)與頻率強烈相關。這被利用來將憶阻器用作為非易失性模擬存儲器。憶阻器的電阻可以用低頻率和高場來調整(描述)，而讀取用小的高頻電壓來進行，所述電壓不改變憶阻器的狀態，因為電流的時間積分保持恆定。
[0029]通過憶阻器可以避免需要比較多空間的齊納消滅級聯或者微調電阻網絡。空間需求在均衡值應當被調整得越精確並且均衡範圍越大的情況下提高得越多，因為級聯或網絡的每個部分僅代表一個二進位值。利用齊納消滅級聯或者微調電阻網絡調整的值僅可被有條件地校正，事後重新均衡以便例如在工廠中校正傳感器隨著使用壽命的漂移大多僅僅在一個方向上可行(參見Haareschneiden)。在憶阻器作為均衡元件的情況下，可以利用單個的或者少數幾個器件在空間需求小的情況下存儲模擬均衡值，所述模擬均衡值可以在事後在需要時進行校正。通過傳感器裝置中的憶阻器(如這裡介紹的那樣)，可以在空間需求減小的情況下以模擬方式、而不是以數字方式存儲均衡值，並且均衡值可以在事後沒有限制地被改變。
[0030]在圖1中例如示出傳感器裝置，其信號藉助於惠斯頓橋100由兩個可變電阻RU)反映成一個電氣值。所述可變電阻(例如壓力傳感器膜片上的壓阻式電阻)與兩個固定電阻(Rfix)接線。出於技術原因，在此一般出現橋100的失諧，該失諧在傳統上可以通過如下方式來校正，即所述固定電阻之一被構造為由多個電阻構成的網絡，所述多個電阻例如可以通過雷射微調被單個地去激活。由此可以基本上補償橋100的失諧，但是僅僅一次性地。如果如在圖1中所示的替代於微調電阻網絡而是使用由常規電阻(Rfix，2)和憶阻器(M)構成的組合102，則可以在均衡時刻經由附加的端子描述憶阻器。這實現了橋100的幾乎任意精確的調諧。對於傳感器隨著使用壽命具有漂移的情況，因此也可以例如在工廠停留的情況下重新均衡傳感器裝置，反之卻可能需要利用傳統的均衡來更換傳感器。憶阻器均衡的採用原則上在所有傳感器的情況下都可行，在所述傳感器情況下均衡在製造之後是必要的並且這些傳感器不具有內部的評估邏輯。在那裡該均衡無需額外花費就可行。
[0031]所描述的和在附圖中所示的實施例僅僅是示例性選擇的。不同的實施例可以完全地或者參照單個特徵彼此組合。一個實施例也可以通過另一個實施例的特徵被補充。
[0032]根據本發明的方法步驟還可以重複地以及以不同於所述順序的方式來實施。
【權利要求】
1.可變電阻裝置(102)，具有以下特徵: 具有不變電阻值的第一器件(Rfix，2);和 具有可變電阻值的憶阻器(M)，該憶阻器與第一器件(Rfix，2)並聯，以便改變電阻裝置(102)的總電阻值。
2.測量橋電路(100)，具有以下特徵: 第一分支，其具有串聯的第一電阻(R200)和不變電阻(Rfix，l)，其中在第一電阻(R200)和不變電阻(Rfix, I)之間布置第一截取點(104);和 第二分支，其具有串聯的第二電阻(R1OO)和根據權利要求1所述的可變電阻裝置(102)，其中在第二電阻(R1 (X))和電阻裝置(102)之間布置第二截取點(106)，其中第一分支和第二分支並聯並且在第一截取點(104)和第二截取點(106)之間能布置測量儀器。
3.根據權利要求2所述的測量橋電路(100)，其中第一電阻(R2(X))和/或第二電阻(R1U))是測量參量敏感電阻，所述測量參量敏感電阻被構造為將傳感器處的物理參量的改變反映在電阻值的對應改變中。
4.根據前述權利要求之一所述的測量橋電路(100)，其中可變電阻裝置(102)具有至少一個能從外部接近的校準端子。
5.根據前述權利要求之一所述的測量橋電路(100)，其中在第一截取點(104)和第二截取點(106)之間布置電壓測量裝置。
6.用於校準根據權利要求2至5之一所述的測量橋電路(100)的方法(200)，其中該方法具有以下步驟: 當第一電阻(R200)經受物理校準參量並且第二電阻(R1OO)同樣經受物理校準參量時，確定(202)測量儀器的測量值；和 改變(204)可變電阻裝置(102)的憶阻器(M)的電阻值，直至測量值在公差範圍中在預先確定的值附近為止，以便校準測量橋電路(100 )。
7.根據權利要求6所述的方法(200)，其中在改變(204 )步驟中一直持續地增大電阻值，直至測量值離開公差範圍為止，並且在測量值進入公差範圍和測量值離開公差範圍之間的電阻值的間隔被確定，其中電阻值接著在所述間隔的預先確定的部分、尤其是一半附近被持續減小，和/或 其中在改變(204)步驟中電阻值被一直持續減小，直至測量值離開公差範圍為止，並且在測量值進入公差範圍和測量值離開公差範圍之間的電阻值的間隔被確定，其中電阻值接著在所述間隔的預先確定的部分、尤其是一半附近被持續增大，以便校準測量橋電路(100)。
8.控制設備，其被構造為執行根據權利要求6至7之一所述的方法的步驟。
9.電腦程式產品，其具有用於執行根據權利要求6至7之一所述的方法的程序代碼，其中所述程序在設備或者控制設備上被實施。
【文檔編號】G01R17/10GK104024870SQ201280053659
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年9月6日 優先權日:2011年11月2日
【發明者】I.赫爾曼, R.米勒-菲德勒, V.克呂格 申請人:羅伯特·博世有限公司