一種電阻的交流方式測量電路的製作方法

2023-12-06 12:03:16 1

專利名稱：一種電阻的交流方式測量電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電阻測量電路，特別涉及一種以交流方式測量電阻的電路。
背景技術：
在一些電阻型傳感器(如溼度、氣體成分傳感器等)中，由於傳感元器件採用諸如無機鹽或者高分子等穩定性不好的材料製造，因此當以直流方式測量這類傳感器的電阻時，將發生電解現象，使元器件內部功能材料的性質發生變化，從而導致失效。為此可採用交流檢測方法來測量傳感器電阻，使這些元器件的兩極極性在測量過程中交替變化，從而避免直流測量方式下的電解，由此既能測量出傳感器的電阻阻值，又使器件免遭損壞。
圖1示出了一種常用的電阻交流方式測量原理示意圖。如圖1所示，傳感元器件在測量電路中等效為一個可變的待測電阻Rs，其一端與交流驅動電路11的輸出端相連，另一端接地。交流檢波器12的輸入端與交流驅動電路11的輸出端相連，輸出端與A/D轉換器13的輸入端相連。其測量原理為，交流驅動電路11產生的交流電流加載到待測電阻Rs上，使電阻Rs兩端產生一個交流電壓，交流檢波器12採樣該交流電壓並轉換為直流信號，再由A/D轉換器13變換為數位訊號從而得到待測電阻Rs的阻值。
上述測量方法需要採用交流驅動電路和交流檢波器，電路具有一定的複雜度，而且需要比較好的穩定性，因此電路成本較高，功耗、體積等指標也會變差。

發明內容
本實用新型的目的是提供一種電阻的交流方式測量電路，其具有結構簡單、功耗低和便於小型化的優點。
本實用新型的上述目的通過下述技術方案實現。
一種電阻的交流方式測量電路，包含交流測量信號發生單元，其包含模擬多路開關、第一電阻、第二電阻和第三電阻，模擬多路開關其中一側包含第一節點、第二節點和第三節點而另一側包含第四節點，其中，第一節點依次經第二電阻和第一電阻連接至恆壓源，第二節點依次經第三電阻和第一電阻連接至恆壓源，第三節點經第一電阻連接至恆壓源，並且所述第一與第二節點之間連接有待測電阻；測量信號採樣單元，其輸入端與模擬多路開關的第四節點相連；以及控制器，其與所述模擬多路開關的選擇埠相連以選定導通的通道。
比較好的是，在上述電阻的交流方式測量電路中，所述測量信號採樣單元包括第四電阻和模擬信號轉換電路，其中，第四電阻的一端和模擬信號轉換電路的輸入端共接於模擬多路開關的第四節點，第四電阻的另一端接地。更好的是，所述模擬信號轉換電路為A/D轉換器或V/F變換器。
比較好的是，在上述電阻的交流方式測量電路中，所述測量信號採樣單元包括第一電容和模擬信號轉換電路，其中，第一電容的一端和模擬信號轉換電路的輸入端共接於模擬多路開關的第四節點，第一電容的另一端接地。更好的是，所述模擬信號轉換電路為RC時間轉換電路。
比較好的是，在上述電阻的交流方式測量電路中，所述控制器為單片機，其還與所述模擬信號轉換電路的信號輸出端和控制端相連。
本實用新型的電阻的交流方式測量電路具有成本低、運行功耗和待機功耗非常小以及便於小型化的優點，特別適用於精度要求一般、數據轉換速度要求不高的民用和工業場合，例如空調、家電、環境監控設備等需要使用交流型溼度、氣體成分傳感器的場合。


圖1示出了一種常用的電阻交流方式測量原理示意圖。
圖2為按照本實用新型第一較佳實施例的測量電路原理圖。
圖3為測量過程中的信號時序圖。
圖4為按照本實用新型第二較佳實施例的測量電路原理圖。
具體實施方式
以下藉助附圖描述本實用新型的較佳實施方式。
第一實施例圖2為按照本實用新型第一較佳實施例的測量電路原理圖。圖2所示測量電路包含第一～第四電阻R1～R4、模擬多路開關U1、控制器U2和模擬信號轉換電路U3，其中，電阻R1～R3和模擬多路開關U1構成交流測量信號發生單元，電阻R4和模擬信號轉換電路U3構成測量信號採樣單元，控制器U3則負責整個測量過程的控制。
在交流測量信號發生單元中，模擬多路開關U1通常可選用CD4051/4052或者類似的器件，如圖2所示，第一節點A、第二節點B和第三節點C位於開關的左側，第四節點D位於開關的右側，節點C經電阻R1連接至恆壓源Vref，節點A依次經電阻R2和電阻R1連接至恆壓源Vref，節點B依次經電阻R3和電阻R1連接至恆壓源Vref。傳感元器件在測量電路中等效為一個可變的待測電阻Rs，其連接在模擬多路開關U1的節點A與B之間。
在測量信號採樣單元中，U3為模擬信號轉換電路，它可以是A/D轉換器或V/F變換器，如圖2所示，其輸入端和電阻R4的一端共接於模擬多路開關U1的節點D，電阻R4的另一端接地。
控制器U2通常為單片機，如圖2所示，其一方面與模擬多路開關U1的通道選擇埠E相連，因此可利用產生的選擇信號Select在節點A與D、B與D和C與D之間的三條通道中選通一條通道，另一方面其還與模擬信號轉換電路U3的信號輸出端F和控制端G相連以接收轉換後的測量信號並控制信號轉換過程。
以下藉助圖3描述上述測量電路的信號時序。圖3中的select信號由控制器U2產生，用於選通節點A與D之間、節點B與D之間和C與D之間的通道，UA和UB表示節點A和B的電平信號，UA-B表示節點A與B之間的電位差信號，Vx表示節點D處的電平信號。當select信號選通節點A與D之間的通道時，電流從B點流向A點再流向D點，因此電阻Rs兩端的電位是UB高於UA。經過一個給定時間間隔以後，當控制器U2產生選通節點B與D之間通道的控制信號Select時，電流從A點流向B點再流向D點，因此電阻Rs兩端的電位是UA於UB。如果不斷以等間隔產生上述兩種Select控制信號，則在電阻Rs上有交變電流通過，從而使A點與B點之間的電壓信號UA-B交替變化，並且佔空比為50％。為簡單起見，假設偏置電阻R2與R3相等，則根據對稱性，加載在被測電阻Rs兩端的信號UA-B將是一個如圖3所示佔空比為50％且平均值為0V的信號，由此使得在電阻Rs上不會出現電解現象。
以下描述傳感器電阻的計算方法。在經過A點和B點的通道交替選通時，可以通過測量節點D的電壓Vx來計算待測電阻Rs的阻值。當選通A點通道時，電阻R2、R3和RS的連接情形為電阻R3與Rs串聯後再與電阻R2並聯，將這種連接狀態下A點與B點之間的電阻記為Rab，則有Rab=VrefVxR4-R1-R4-Rd---(1)]]>這裡，R1和R4為第一和第四電阻的阻值，Vref為恆壓源的參考電壓，Rd為模擬多路開關U1的內部導通電阻，也即節點A與D之間的電阻，Vx為節點D處的電壓。
當選通B點通道時，電阻R2、R3和RS的連接情形為電阻R2與Rs串聯後再與電阻R3並聯，將這種連接狀態下A點與B點之間的電阻記為Rba，則有Rba=VrefVxR4-R1-R4-Rd---(2)]]>這裡，Rd為模擬多路開關U1的內部導通電阻，也即節點B與D之間的電阻。
根據Rab以及Rba，經過如下的計算公式即可得到Rs的數值Rs=11Rab-1R2-R3---(3)]]>由上可見，Rs值的精度取決於節點D處電壓Vx的測量精度，通常可以通過測量多個選通周期內的電壓Vx並取其平均值來提高測量精度。如圖3所示，在select選通信號發生變化的位置附近電壓Vx不夠穩定，因此每次測量應在電壓Vx由過渡階段進入穩定階段後進行。
在信號選通時，多路模擬開關U1的內部電阻Rd大約在10～300歐姆範圍並隨著溫度和時間的變化而變化，因此如果要保證數據轉換的精度，則需要消除該電阻的影響，為此採用如下的方法來進行校準。
控制器U2產生選通C點通道而關閉A點通道和B點通道的控制信號Select，使得基準電阻R1與R4直接相連，從而有Rd=VrefVxR4-R4-R1---(4)]]>由於R1、R4和Vref已知，Vx通過測量確定，因此可計算出節點C與D之間通道的電阻Rd。雖然歷經節點A、B和C的三條通道的導通電阻存在差異，但是通常不會超過10％甚至更少，因此可以將經過節點A或B的通道的導通電阻取值為經過節點C的通道的導通電阻Rd。
在Select控制信號切換過程中，Vx會有一些幹擾，雖然通常不會對轉換造成嚴重的不良影響，但是如果有必要，也可以在電阻R4旁邊並聯一個濾波電容即可。
第二實施例圖4為按照本實用新型第二實施例的測量電路原理圖。與圖2所示的測量電路相比，在本實施例的測量信號採樣單元中，電阻R4被充放電電容C1代替，如圖4所示，模擬信號轉換電路U3的輸入端和電容C1的一端共接於模擬多路開關U1的節點D，電容C1的另一端接地。
在圖4所示的測量電路中，同樣也通過Select信號交替選通節點A與D之間通道和節點B與D之間通道從而實現交流方式的電阻測量，但是不同之處在於，本實施例通過測量其它電路參數(例如電容C1的充放電時間等)而不是測量電壓Vx來確定輸入電阻Rx，也即電容C1和模擬信號轉換電路U3共接端之前的電阻。有關這種測量方式的具體描述可以參見申請號為95190267.9和99119404.7的中國專利申請。
同樣，為了保證數據轉換的精度，需要消除多路模擬開關U1的內部電阻Rd，為此採用如下的方法來進行校準。
控制器U2產生選通C點通道而關閉A點和B點通道的控制信號Select，使得基準電阻R1與Rd相連，並通過電容C1充放電，因此總輸入電阻數值Rx為Rx＝Rd+R1(5)於是可以計算得到導通電阻RdRd＝Rx-R1(6)與上述實施例相同，也可以將經過節點A或B的通道的導通電阻取值為經過節點C的導通電阻Rd。
權利要求1.一種電阻的交流方式測量電路，其特徵在於，包含交流測量信號發生單元，其包含模擬多路開關(U1)、第一電阻(R1)、第二電阻(R2)和第三電阻(R3)，模擬多路開關(U1)其中一側包含第一節點(A)、第二節點(B)和第三節點(C)而另一側包含第四節點(D)，其中，第一節點(A)依次經第二電阻(R2)和第一電阻(R1)連接至恆壓源(Vref)，第二節點(B)依次經第三電阻(R3)和第一電阻(R1)連接至恆壓源(Vref)，第三節點(C)經第一電阻(R1)連接至恆壓源(Vref)，並且所述第一與第二節點之間連接有待測電阻(Rs)；測量信號採樣單元，其輸入端與模擬多路開關(U1)的第四節點(D)相連；以及控制器(U2)，其與所述模擬多路開關(U1)的選擇埠(E)相連以選定導通的通道。
2.如權利要求1所述的電阻的交流方式測量電路，其特徵在於，所述測量信號採樣單元包括第四電阻(R4)和模擬信號轉換電路(U3)，其中，第四電阻(R4)的一端和模擬信號轉換電路(U3)的輸入端共接於模擬多路開關(U1)的第四節點(D)，第四電阻(R4)的另一端接地。
3.如權利要求2所述的電阻的交流方式測量電路，其特徵在於，所述模擬信號轉換電路(U3)為A/D轉換器或V/F變換器。
4.如權利要求1所述的電阻的交流方式測量電路，其特徵在於，所述測量信號採樣單元包括第一電容(C1)和模擬信號轉換電路(U3)，其中，第一電容(C1)的一端和模擬信號轉換電路(U3)的輸入端共接於模擬多路開關(U1)的第四節點(D)，第一電容(C1)的另一端接地。
5.如權利要求4所述的電阻的交流方式測量電路，其特徵在於，所述模擬信號轉換電路(U3)為RC時間轉換電路。
6.如權利要求2～5中任意一項所述的電阻的交流方式測量電路，其特徵在於，所述控制器(U2)為單片機，其還與所述模擬信號轉換電路(U3)的信號輸出端(F)和控制端(G)相連。
專利摘要一種電阻的交流方式測量電路，包含交流測量信號發生單元，其包含模擬多路開關、第一電阻、第二電阻和第三電阻，模擬多路開關其中一側包含第一節點、第二節點和第三節點而另一側包含第四節點，其中，第一節點依次經第二電阻和第一電阻連接至恆壓源，第二節點依次經第三電阻和第一電阻連接至恆壓源，第三節點經第一電阻連接至恆壓源，並且所述第一與第二節點之間連接有待測電阻；測量信號採樣單元，其輸入端與模擬多路開關的第四節點相連；以及控制器，其與所述模擬多路開關的選擇埠相連以選定導通的節點。上述電阻的交流方式測量電路具有成本低、運行功耗和待機功耗非常小以及便於小型化的優點，特別適用於精度要求一般、數據轉換速度要求不高的民用和工業場合。
文檔編號G01R27/08GK2692681SQ20042002133
公開日2005年4月13日 申請日期2004年3月29日 優先權日2004年3月29日
發明者方志宏 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司