一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路的制作方法
【專利摘要】一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，包括：共用行線和列線的二維電阻陣列、行多路選擇器及列多路選擇器、掃描控制器及反饋電路，其中二維電阻陣列中的物理敏感電阻按照M×N的二維結(jié)構(gòu)分布，掃描控制器輸出掃描控制信號，分別控制行多路選擇器與列多路選擇器陣列中任一待測電阻的單個選定。運算放大器與分壓電路組成反饋電路，分壓電路中電阻R1與電阻R2選用特定阻值的電阻，R1∶R2=Rr∶RS，Rr表示行多路選擇器的通道內(nèi)阻，RS表示采樣電阻。在反饋電路與相應(yīng)的連接方式的作用下，可以限制位于待測電阻所在行的相鄰列電阻的兩端電壓相等，有效減小待測電阻的相鄰列電阻和列多路選擇器的內(nèi)阻對被測電阻測量的干擾。
【專利說明】—種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于電阻式傳感陣列的電壓反饋隔離電路，屬于電路【技術(shù)領(lǐng)域】。本電路可以對有故障或有變化的器件的快速檢測，且可以有效隔離待測器件的相鄰列電阻和列多路選擇器內(nèi)阻對檢測結(jié)果的影響，使得測量誤差大大降低。
【背景技術(shù)】
[0002]陣列式傳感裝置就是將具有相同性能的多個傳感元件，按照二維陣列的結(jié)構(gòu)組合在一起，它可以通過感測聚焦在陣列上的參數(shù)變化，改變或生成相應(yīng)的形態(tài)與特征。這個特性被廣泛應(yīng)用于生物傳感、溫度觸覺和基于紅外傳感器等的熱成像等方面。
[0003]阻性傳感陣列被廣泛應(yīng)用于紅外成像仿真系統(tǒng)、力觸覺感知與溫度觸覺感知。以溫度觸覺為例，由于溫度覺感知裝置中涉及熱量的傳遞和溫度的感知，為得到物體的熱屬性，裝置對溫度測量精度和分辨率提出了較高的要求，而為了進(jìn)一步得到物體不同位置材質(zhì)所表現(xiàn)出的熱屬性，則對溫度覺感知裝置提出了較高的空間分辨能力要求。
[0004]阻性傳感陣列的質(zhì)量或分辨率是需要通過增加陣列中的傳感器的數(shù)量來增加的。然而，當(dāng)傳感器陣列的規(guī)模加大，對所有元器件的信息采集和信號處理就變得困難。一般情況下，要對一個MXN陣列的所有的傳感器的進(jìn)行逐個訪問，而每個傳感器具有兩個端口，共需要2XMXN根連接線。共用行線與列線的二維陣列降低了器件互連的復(fù)雜性，但陣列網(wǎng)絡(luò)的互串效應(yīng)與為實現(xiàn)待測電阻單獨選定引入的多路選擇器也對檢測精度帶來不確定性；將掃描控制器與運算放大電路和多路選擇器結(jié)合，雖然可以實現(xiàn)待測電阻的單個選定，僅僅是理想狀態(tài)下的與陣列中其他電阻的虛擬隔離，但如果想屏蔽掉待測電阻所在公共行線與列線的其他相鄰電阻引起的干擾，就需要在陣列的每一行都設(shè)置掃描控制器與運算放大電路，因此僅僅在掃描控制器與運算放大電路的控制下，阻性陣列的檢測電路無法同時達(dá)到較低的器件互連的復(fù)雜性與較高的檢測精度。
[0005]關(guān)于電阻式傳感陣列的檢測研究,2006年R.S.Saxena等人提出了基于紅外熱成像的陣列檢測技術(shù)，測試結(jié)構(gòu)是基于電阻傳感網(wǎng)絡(luò)配置，基于電阻的線性與齊次性使用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)定理和疊加網(wǎng)絡(luò)定理開發(fā)了該電阻網(wǎng)絡(luò)的理論模型。使用16X16陣列網(wǎng)絡(luò)熱輻射計陣列驗證，僅使用32個引腳，已經(jīng)證實，該模型針對器件損壞或器件值的微小變化都可以有效分辨，但是它對待測元件所在行與所在列的其他元件的串?dāng)_沒有起到很好的隔離作用。2009年Y.J.Yang等人提出了一個32X32陣列的溫度和觸覺傳感陣列，用于機(jī)械手臂的人造皮膚，在陣列網(wǎng)絡(luò)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(dá)每秒3，000像素，但該電路為了保證檢測精度，屏蔽陣列內(nèi)非待測電阻的干擾，在陣列的每一列都引入了運算放大電路，其電路復(fù)雜，同時多個運放性能的微小差異也會導(dǎo)致多個通道間測量結(jié)果的一致性較差。
[0006]基于阻性陣列檢測的相關(guān)專利，目前國內(nèi)并沒有相關(guān)專利出現(xiàn)，與阻性陣列有關(guān)的專利也多有關(guān)于陣列的制備方面，專利CN201110148963.2公開了一種陣列式溫度觸覺傳感裝置，采用電阻傳感陣列實現(xiàn)溫度觸覺的傳感，其反饋驅(qū)動隔離電路將待測電阻所在行的電壓經(jīng)行選擇器后的端電壓Vse反饋回非選定行線與列線，雖然可以起到一定的隔離作用，但它的反饋電壓Vse位于行選擇器與列選擇器的外側(cè)，由于多路選擇器中的內(nèi)阻具有分壓作用，因而待測電阻所在行線與列線上的相鄰電阻兩端電壓不相等，電阻內(nèi)有電流通過，會對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此該陣列中的反饋驅(qū)動隔離電路更傾向于如何實現(xiàn)將待測電阻從陣列中單個選出，并未從真正意義上實現(xiàn)對待測電阻所在行線與列線的相鄰電阻的隔離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對阻性傳感陣列檢測的需要，本發(fā)明提出一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，本電路可以實現(xiàn)對有故障或有變化的器件的快速檢測，且可以有效隔離待測器件所在行的其余器件對檢測結(jié)果的影響，使得測量誤差大大降低。
[0008]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，包括:共用行線和列線的二維 電阻陣列、行多路選擇器及列多路選擇器、掃描控制器及反饋電路:
[0009]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MXN的二維結(jié)構(gòu)分布的物理敏感電阻陣列，陣列中的各個物理敏感電阻一端連接相應(yīng)的行線，另一端連接相應(yīng)的列線，處于第i行第j列的電阻用Ru表示，其中，M為行數(shù)，N為列數(shù)，陣列分布一般N>M，物理敏感電阻Rij的一端與行多路選擇器的端相連接，溫度敏感電阻Rij的另一端與列多路選擇器的X?！苟诉B接，行多路選擇器的art、ar2,…、端口和列多路選擇器的bu、bc2>…、1?端口與反饋電路的輸出端相連,行多路選擇器的brt、br2>…、brM端口與反饋電路的輸入端相連，列多路選擇器的ac2,…、a。,端口與測試電壓V1相連，掃描控制器(4)輸出掃描控制信號，行控制信號控制行多路選擇器(2)，列控制信號控制列多路選擇器(3)。
[0010]所述反饋電路包括運算放大器與分壓電路，所述運算放大器的同相輸入端作為反饋電路的輸入端，在反饋電路的輸入端上連接有采樣電阻Rs，并且，反饋電路的輸入端與采樣電阻Rs的一端相連，采樣電阻Rs的另一端接地，分壓電路由串聯(lián)的電阻R1與電阻R2組成，電阻R1的一端與電阻R2的一端相連且與所述運算放大器的異相輸入端連接，電阻R2的另一端接地，電阻R1的另一端與所述運算放大器的輸出端相連且作為反饋電路的輸出端，所述分壓電路中電阻R1與電阻R2選用特定阻值的電阻，將電阻R1與電阻R2的比值限定為R1: R2 = Rr: Rs，其中，Rr表示行多路選擇器的通道內(nèi)阻，Rs表示采樣電阻。
[0011]本發(fā)明的檢測電路的工作原理在于:掃描控制器輸出掃描控制信號，控制多路選擇器內(nèi)端口的連接方式，行控制信號控制行多路選擇器的Vh端與端或是與bri端相連；列控制信號控制列多路選擇器的Vcu.端與\端或是與h端相連。二維電阻傳感陣列中的物理敏感電阻可將各自所處位置的待測物理量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻阻值變化。當(dāng)待測電阻Ru被選定，其處于陣列第i行第j列，列控制信號控制列多路選擇器第j列的Vcj端與acJ端相連，acJ端與測試電壓V1相連，而其他列與反饋電壓Vf相連，行控制信號控制行多路選擇器第i行的^端與端相連，bri端與反饋電路的輸入端相連，輸入電壓為Vse，而其他行與反饋電壓Vf相連。此時待測電阻Rij被選定。測試電壓V1經(jīng)過列多路選擇器的選定通道作用于待測的電阻Rij后經(jīng)由行多路選擇器輸出，行多路選擇器的選定通道的端口電壓為Vse，該電壓被作為反饋電路的輸入電壓，經(jīng)反饋電路作用后得到反饋電壓VF，Vf被反饋回非選定的行線和列線，反饋電路中分壓電路的電阻R1與電阻R2的比值限定為R1: R2 =Rr: Rs，在反饋電路與上述相應(yīng)的連接方式的作用下，反饋電路的輸出端的反饋電壓Vf =VsgX (Rr+Rs)/Rs，反饋電壓Vf作用于分壓電路的電阻R1與電阻R2，在電阻R1與電阻R2的比值限定與反饋電壓Vf放大系數(shù)的限定下，分壓電路的電阻R2與運算放大器反相輸入端相連端點的電壓為Vse，采樣電阻Rs與運算放大器正相輸入端相連端點的電壓也為Vse，已知分壓電路的電阻R1與電阻R2的比值限定為R1: R2 = Rr: Rs，此時行多路選擇器的通道內(nèi)阻Rr與分壓電路的電阻R1具有相同的分壓效果，行多路選擇器的端也是待測電阻所在行的行電壓^與反饋電路輸出端的反饋電壓Vf相等，位于被選定行線上的相鄰列電阻位于列多路選擇器的非選定列線上，且其b。/端的電壓值為Vf，則相鄰列電阻的兩端電壓V。/ =Vri = Vf，位于待測電阻所在行的相鄰列電阻內(nèi)電流近似為O，相鄰列電阻以及列多路選擇器的內(nèi)阻對測量結(jié)果的干擾基本排除。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0013](I)本發(fā)明公開的增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，是針對阻性傳感陣列的檢測需要，在不提高電阻陣列互連復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，以增強(qiáng)電壓反饋為關(guān)鍵技術(shù)，在反饋電路與特定的連接方式的作用下，可以使位于待測電阻所在行的相鄰列電阻兩端電壓保持等電位，將其中的電流限制到基本為零，有效屏蔽掉了被測電阻所在行線上相鄰列電阻與列多路選擇器3的內(nèi)阻的干擾，提高了阻性陣列的檢測精度，不僅可以實現(xiàn)對待測電阻的單個選定，而且可以有效減少被測電阻所在行線上相鄰列電阻與列多路選擇器的內(nèi)阻的干擾，大大提高了其測量精度。
[0014](2)在保證測量精度的前提下，可采用價格較低、內(nèi)阻較大的列多路選擇器，降低成本。
[0015](3)采用列數(shù)大于行數(shù)的方式時，可確保陣列中所有待測電阻的測量精度較高。
[0016](4)采用運算放大器與分壓電路構(gòu)成增強(qiáng)電壓反饋的反饋電路，僅需使用一個運放就可以隔離待測電阻所在行相鄰電阻與列多路選擇器內(nèi)阻的干擾，避免了由于布置多個運放而使得器件互連變得復(fù)雜，也避免了由于不同運放之間的性能參數(shù)的微小差異帶來的
測量誤差。
[0017](5)采用共用行線與列線的二維電阻陣列，將MXN分布的阻性陣列的連線數(shù)目減少為M+N根，減少了器件互連的復(fù)雜性，保證了陣列中的每一個電阻都有唯一的行與列組合的訪問方式。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。
[0019]圖1是本發(fā)明基于的共用行線與列線的二維電阻陣列示意圖；
[0020]圖2是本發(fā)明的增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路示意圖；
[0021]圖3是檢測待測電阻時阻性傳感陣列的區(qū)域劃分示意圖；
[0022]圖4是引入分壓電路前阻性陣列檢測的電路示意圖； [0023]圖5是引入分壓電路后阻性陣列檢測的電路示意圖；
[0024]圖6是引入分壓電路后阻性陣列檢測中待測電阻的電路示意圖；[0025]圖7是引入分壓電路后阻性陣列檢測中待測電阻所在行線的電路示意圖；
[0026]圖8是引入分壓電路后阻性陣列檢測中待測電阻所在列線的電路示意圖；
[0027]圖9是引入分壓電路后阻性陣列檢測的簡化電路示意圖；
[0028]圖10是基于增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)與一般反饋結(jié)構(gòu)的陣列規(guī)模變化對等效電阻Rsg的誤差影響；
[0029]圖11是基于增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)與一般反饋結(jié)構(gòu)的Rxy/RQ的變化對等效電阻Rsg的誤差影響；
[0030]圖12是基于一般反饋結(jié)構(gòu)的8X8電阻陣列中相鄰行元素變化對等效電阻Rsg的誤差影響；
[0031]圖13是基于一 般反饋結(jié)構(gòu)的8X8電阻陣列中相鄰列元素變化對等效電阻Rsg的誤差影響；
[0032]圖14是基于增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)的8X8電阻陣列中相鄰行元素變化對等效電阻Rsg的誤差影響；
[0033]圖15是基于增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)的8X8電阻陣列中相鄰列元素變化對等效電阻Rsg的誤差影響。
【具體實施方式】
[0034]一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，包括:共用行線和列線的二維電阻陣列1、行多路選擇器2及列多路選擇器3、掃描控制器4及反饋電路5。所述二維電阻陣列I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MXN的二維結(jié)構(gòu)分布的物理敏感電阻陣列，陣列中的各個物理敏感電阻一端連接相應(yīng)的行線，另一端連接相應(yīng)的列線，處于第i行第j列的電阻用Ru表示，其中，M為行數(shù)，N為列數(shù)，陣列分布一般N>M，物理敏感電阻Ru的一端與行多路選擇器2的L端相連接，溫度敏感電阻Ru的另一端與列多路選擇器3的Xej端連接，行多路選擇器2的art、ar2、…、端口和列多路選擇器3的bcl、bc2>…、^端口與反饋電路5的輸出端相連,行多路選擇器2的brt、br2>…、1?端口與反饋電路5的輸入端相連，列多路選擇器3的a" ac2,…、a。,端口與測試電壓V1相連，掃描控制器4輸出掃描控制信號，行控制信號控制行多路選擇器2，列控制信號控制列多路選擇器3，所述反饋電路5包括運算放大器與分壓電路，所述運算放大器的同相輸入端作為反饋電路5的輸入端，在反饋電路5的輸入端上連接有采樣電阻Rs，并且，反饋電路5的輸入端與采樣電阻Rs的一端相連，采樣電阻Rs的另一端接地，分壓電路由串聯(lián)的電阻R1與電阻R2組成，電阻R1的一端與電阻R2的一端相連且與所述運算放大器的異相輸入端連接，電阻R2的另一端接地，電阻R1的另一端與所述運算放大器的輸出端相連且作為反饋電路5的輸出端，所述分壓電路中電阻札與電阻R2選用特定阻值的電阻，將電阻札與電阻R2的比值限定為R1: R2 = Rr: Rs，其中，Rr表示行多路選擇器2的通道內(nèi)阻，Rs表示采樣電阻。本實施例中，所述二維電阻陣列I中的N>M。
[0035]其中，二維電阻陣列I共用行線與列線，即用兩組正交的線路作為行線和列線，陣列中的電阻一端連接相應(yīng)的行線，另一端連接相應(yīng)的列線，陣列中的每個電阻都有唯一的行線與列線的組合。其有益效果是按照MXN的二維結(jié)構(gòu)分布的陣列，只需要M+N根連線數(shù)目即可保證任何一個特定的電阻元件可以通過控制行線和列線的相應(yīng)組合被訪問。按照MXN的二維陣列結(jié)構(gòu)分布，其中，M為行數(shù)，N為列數(shù)，處于第i行第j列的電阻用Ru表示，陣列分布一般N>M。
[0036]為了對陣列中的在電路中待測電阻Ru進(jìn)行單個掃描，引入行多路選擇器2、列多路選擇器3與掃描控制器4，其中，行多路選擇器2的端與溫度敏感電阻Ru的一端連接，行多路選擇器2的^、知、…、端口與運算放大電路5的輸出電壓Vf相連，行多路選擇器2的brt、brt、…、1?端口與運算放大電路3的正相輸入端相連；列多路選擇器3的Xej端與溫度敏感電阻Ru的另一端連接，列多路選擇器3的a^a。^…、a。,端口與測試電壓V1相連，列多路選擇器3的1^、13。2、…、1^端口與反饋電路5輸出的反饋電SVf相連。多路選擇器內(nèi)置可控單刀雙擲開關(guān)，掃描控制器4輸出掃描控制信號,控制多路選擇器內(nèi)端口的連接方式，行多路選擇器2通過行控制信號，控制Vri端與端或是與k端相連；列多路選擇器3通過列控制信號，控制Vcu.端與a。]端或是與by端相連。其有益效果是可以對陣列中的待測電阻Rij選中進(jìn)行單個檢測，并且可以保證實現(xiàn)遍歷陣列中的所有待測電阻。
[0037]二維電阻傳感陣列I中的物理敏感電阻可將各自所處位置的待測物理量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電阻阻值變化。當(dāng)待測電阻Ru被選定，其處于陣列第i行第j列，掃描控制器4輸出掃描控制信號，列控制信號控制列多路選擇器3的第j列的Vcu.端與\端相連，acJ端與測試電壓V1相連，而其他列與反饋電壓Vf相連，行控制信號控制行多路選擇器2的第i行的^端與1^端相連，端與反饋電路5的輸入端相連，輸入電壓為Vse，而其他行與反饋電壓Vf相連。此時待測電阻Ru被選定。
[0038]考慮到整個陣列并非完全理想，引入的行多路選擇器2、列多路選擇器3與掃描控制器4并不能完全實現(xiàn)屏蔽位于待測電阻所在共用行線與列線的其他相鄰電阻的干擾，為了滿足更高精度的測量需要，將運算放大器與分壓電路相結(jié)合，組成增強(qiáng)電壓反饋的反饋電路5，測試電壓V1 經(jīng)過列多路選擇器3的選定通道作用于待測的電阻Rij后經(jīng)由行多路選擇器輸出，行多路選擇器2的選定通道的端口電壓為Vse，該電壓被作為反饋電路5的輸入電壓，經(jīng)反饋電路5作用后得到反饋電壓％，1被反饋回非選定的行線i'和列線j'，反饋電路5中分壓電路的電阻R1與電阻R2的比值限定為R1: R2 = Rr: Rs，在反饋電路5與上述相應(yīng)的連接方式的作用下，反饋電路5的輸出端的反饋電壓Vf = VsgX (RJRs) /Rs,反饋電壓Vf作用于分壓電路的電阻R1與電阻R2，在電阻R1與電阻R2的比值限定與反饋電壓Vf放大系數(shù)的限定下，分壓電路的電阻R2與運算放大器反相輸入端相連端點的電壓為Vse，采樣電阻Rs與運算放大器正相輸入端相連端點的電壓也為Vse，已知分壓電路的電阻R1與電阻R2的比值限定為R1: R2 = Rr: Rs，此時行多路選擇器2的通道內(nèi)阻Rr與分壓電路的電阻R1具有相同的分壓效果，行多路選擇器2的端也是待測電阻所在行i的行電壓Vh與反饋電路輸出端的反饋電壓Vf相等，位于被選定行線上的相鄰列電阻位于列多路選擇器3的非選定列線乂上，且其b。/端的電壓值為Vf，則相鄰列電阻的兩端電壓V。/ =Vh = Vf，位于待測電阻所在行的相鄰列電阻內(nèi)電流近似為0，相鄰列電阻以及列多路選擇器的內(nèi)阻對測量結(jié)果的干擾基本排除。陣列分布采用N>M的方式時，測量精度容易得到保證。對共用行線與列線的二維電阻陣列中的待測電阻進(jìn)行單個選定檢測時，保證了較低的器件互連的復(fù)雜性與較高的測量精度。下面參照附圖，對本發(fā)明的具體實施方案做出更為詳細(xì)的說明。
[0039]圖1為本發(fā)明基于的共用行線與列線的二維電阻陣列，圖1中的陣列分布為4X4為例，在實際中，陣列分布可以是任意的MXN。為了保證所有的器件可以單獨掃描，且不增加器件互連復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，該二維電阻陣列共用行線與列線，即用兩組正交的線路作為行線和列線，陣列中的電阻一端連接相應(yīng)的行線，另一端連接相應(yīng)的列線，陣列中的每個電阻都有唯一的行線與列線的組合。其有益效果是按照MXN的二維結(jié)構(gòu)分布的陣列，只需要M+N根連線數(shù)目即可保證任何一個特定的電阻元件可以通過控制行線和列線的相應(yīng)組合被訪問。其中，M為行數(shù)，N為列數(shù)，處于第i行第j列的電阻用Ru表示，其中i = l、2、…、M，j = 1、2、…、N，陣列分布一般N>M。
[0040] 圖2為本發(fā)明的增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路示意圖，圖中以R11做待測電阻為例，掃描控制器輸出控制信號，控制行多路選擇器與列多路選擇器的通道分別與不同的端口相連，其中，行多路選擇器的端與行多路選擇器的端相連，列多路選擇器的Xc;1端與列多路選擇器的端相連。圖3為本發(fā)明的檢測待測電阻時阻性傳感陣列的區(qū)域劃分示意圖。該圖以R11做待測電阻為例，待測電阻R11的一端yri與行多路選擇器的
端相連，另一端Ccl與列多路選擇器的端相連，此時R11被選中，進(jìn)行單個掃描。通過待測電阻R11將二維電阻陣列分為4個區(qū)域:
[0041]1)1區(qū):待測電阻R11,此時電阻所在行I的端與端相連，端的電壓值為Vsg,電阻所在列I的Xel端與ael端相連，acl端的電壓值為V1，此時電阻R11被選定；
[0042]2) II區(qū):位于待測電阻所在列I的非待測的相鄰行電阻，共(M-1)個器件，由于二維電阻陣列共用行線和列線，該(M-1)個非待測的相鄰行電阻共用列線為待測電阻R11的列線，列I的Xca端與Sca端相連，acl端的電壓值為V1,由于這些器件的行線未被選中，將這些未選中的行線表示為行P，因而其電阻所在行P的yj端與端相連，aj端的電壓值為Vf ;
[0043]3)111區(qū):位于待測電阻所在行I的非待測的相鄰列電阻，共(N-1)個器件，由于二維電阻陣列共用行線和列線，該(N-1)個非待測的相鄰列電阻共用行線為待測電阻R11的行線，行I的yri端與端相連，brt端的電壓值為Vse，由于這些器件的列線未被選中，將這些未選中的列線表示為列V，因而其電阻所在列V的X。/端與b。/端相連，b。/端的電壓值為Vf ；
[0044]4) IV區(qū):行線與列線均未被選中的電阻區(qū)域，共(M-1) X (N-1)個器件，由于這些電阻的行線與列線均未被選中，其電阻所在行y的yj端與aj端相連，端的電壓值為Vf，電阻所在列j'的X。/端與b。/端相連，b。/端的電壓值為Vf ;
[0045]現(xiàn)以R11做待測電阻為例，圖4表示了引入分壓電路前阻性陣列檢測的電路示意圖。由圖4可知，在未引入分壓電路前，受多路選擇器內(nèi)阻電流干擾，、端的電壓不完全等于Vse，因此，位于待測電阻R11所在行的其他相鄰列電阻，盡管其Vcu.，端電壓等于Vf =Vse，但由于Vrt端的電壓不完全等于Vse，所以其他相鄰列電阻的R。/內(nèi)可能有電流通過，會對測量結(jié)果造成干擾。因此，在僅加入運算放大電路構(gòu)成的一般反饋結(jié)構(gòu)對阻性傳感陣列進(jìn)行掃描，當(dāng)對待測電阻進(jìn)行測量時，位于待測電阻所在列的相鄰行電阻與位于待測電阻所在行的相鄰列電阻內(nèi)會有電流通過，因而待測電阻的測量結(jié)果會受到這些相鄰電阻的干擾，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0046]圖5表示了引入分壓電路后阻性陣列檢測的電路示意圖。圖4仍以R11做待測電阻為例，結(jié)合圖3的分區(qū)方法，待測電阻R11所在區(qū)域為I區(qū)，它的電路示意圖如圖6所示；位于待測電阻R11所在公共行線的相鄰列電阻所在區(qū)域為II區(qū)，待測電阻所在行線的電路示意圖如圖7所示；位于待測電阻R11所在公共列線的相鄰行電阻所在區(qū)域為III區(qū)，待測電阻所在列線的電路示意圖如圖8所示。
[0047]由圖6可知，位于I區(qū)的待測電阻R11,測試電壓V1經(jīng)過列多路選擇器的選定通道作用于待測電阻R11后經(jīng)由行多路選擇器的選定通道輸出，行多路選擇器的選定通道的端口電壓為Vse，該電壓被作為反饋電路的輸入電壓，經(jīng)反饋電路作用后得到反饋電壓Vf，且Vf=VscX (Rr+Rs)/Rs，由于行多路選擇器內(nèi)阻Rr與采樣電阻Rs，反饋電路(5)輸出端的反饋電壓Vf與待測電阻所在行I的行電壓Vrt相等，所以此時待測電阻R11兩端電壓Vrt = Vf,Vcl Φ Vf，待測電阻R11有電流通過，被選中掃描。
[0048]由圖7可知，位于待測電阻所在行I的行電壓Vrt = Vf，位于II區(qū)的待測電阻R11所在公共行線的相鄰列電阻，它們的列多路選擇器的通道與反饋電路的輸出電壓Vf相連，兩端電壓相等，因而V。/ = Vrl = Vf，位于II區(qū)的待測電阻R11所在公共行線的相鄰列電阻電流基本為0，相鄰列電阻及列多路選擇器的內(nèi)阻干擾被基本排除。
[0049]由圖8可知，位于待測電阻所在列I的列電壓Vel幸Vf，位于III區(qū)的待測電阻R11所在公共列線的相鄰行電阻，它們之間仍有電流通過，其干擾暫無法排除。
[0050]因此，在引入分壓電路后，可將位于II區(qū)的待測電阻R11所在公共行線的相鄰列電阻上的電流限制到基本為0，相鄰列電阻及列多路選擇器的內(nèi)阻干擾被基本排除。但位于III區(qū)的待測電阻R11所在公共列線的相鄰行電阻，它們之間仍有電流通過，其干擾暫無法排除。將圖5所示的阻性陣列檢測的電路示意圖簡化，如圖9所示。
[0051]最終，在對待測電阻的測量過程中，當(dāng)待測電阻Ru被選中，恒定測試電壓V1被加載到該待測電阻Rij —端，經(jīng)過采樣電阻Rs連接到地，測試電壓VI在在兩電阻上產(chǎn)生分壓，通過電壓Vse、采樣電阻Rs與測試電壓V1的值苛求求解出待測電阻Rij的等效值，用Rsg表示，此時待測電阻Ru的測量結(jié)果可等效為等效電阻Rsg，如圖5右側(cè)所示。
[0052]考慮到由運算放大器與分壓電路構(gòu)成增強(qiáng)電壓反饋的反饋電路，保證被掃描行線上相鄰的列電阻上的電流為0，列多路選擇器的內(nèi)阻干擾可以被屏蔽，設(shè)置列多路選擇器多于行多路選擇器通道，阻性陣列的二維分布MXN，N>M其中，M為行數(shù)，N為列數(shù)。
[0053]下面，為了進(jìn)一步測試阻性傳感陣列在引入增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)后具有比一般反饋結(jié)構(gòu)更優(yōu)越的性能，我們分別針對陣列規(guī)模的變化、Rxy對Rtl的比值變化、位于待測電阻所在行的相鄰列電阻與位于待測電阻所在列的相鄰行電阻的阻值變化對等效電阻Rsg的誤差影響做了仿真，其分析結(jié)果如下。
[0054](I)基于NIMultisiml2的陣列規(guī)模變化影響仿真
[0055]研究發(fā)現(xiàn)，陣列的規(guī)模大小，如陣列的行數(shù)M和列數(shù)N的變化會對二維電阻陣列的性能產(chǎn)生影響。在這些陣列中，行數(shù)M和列數(shù)N對其性能的影響較為相似。我們基于NIMultisiml2仿真軟件，針對陣列中加入分壓電路后的增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)與未加分壓電路前的一般反饋結(jié)構(gòu)兩種不同的電路，分析了由于行數(shù)M和列數(shù)N的變化對陣列產(chǎn)生的影響。在本例中，已修正電阻值的采樣電阻Rs和阻性傳感器陣列中的所有電阻器件的阻值為在IOk Ω，行數(shù)M和列數(shù)N的初始值均為8，R0的阻值是I Ω，行數(shù)M和列數(shù)N的測試值分別是
8、15、29、57、113、225或449，基于NMultisiml2仿真軟件，對于陣列中加入分壓電路后的增強(qiáng)電壓反饋隔離結(jié)構(gòu)與未加分壓電路前的隔離一般反饋結(jié)構(gòu)兩種不同的電路，其陣列規(guī)模效應(yīng)對測量結(jié)果的影響如圖10所示。[0056]從圖10可以看出，不論是增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)還是一般反饋結(jié)構(gòu)，等效電阻Rsg的絕對誤差都會隨著陣列中行數(shù)與列數(shù)的增加而增加；其中，當(dāng)陣列的行數(shù)增加時，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)中的等效電阻Rsg的誤差變化趨勢相似于一般反饋結(jié)構(gòu)中等效電阻Rsg的誤差變化；當(dāng)陣列中的列數(shù)增加時，一般反饋結(jié)構(gòu)中等效電阻Rsg的誤差變化呈正相關(guān)性而增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)則呈負(fù)相關(guān)性，且增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)中等效電阻Rsg的絕對誤差與一般反饋結(jié)構(gòu)中等效電阻Rsg的絕對誤差相比有顯著減小。因此，在增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)的作用下，待測電阻所在行的相鄰列電阻對于等效電阻Rsg的誤差影響已大為降低；由此可見，使用增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，阻性傳感陣列的列數(shù)比行數(shù)更多時其測量精度更容易得到保證。
[0057](2)基于 NMultisiml2 的 Rxy/RQ 的影響仿真
[0058]研究發(fā)現(xiàn)，Rxy對Rtl的比值也會影響二維阻性傳感網(wǎng)絡(luò)的性能。我們基于NIMultisiml2仿真軟件,針對在增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)中Rxy和Rci之間的比率變化對陣列的影響做了仿真比較。其中，將二維阻性傳感網(wǎng)絡(luò)的行數(shù)M和列數(shù)N的測試值固定為8，Rtl的阻值是I Ω，阻性傳感器陣列中的所有電阻器件與樣本電阻的阻值在500Ω-7ΜΩ的范圍內(nèi)同步變化，基于NIMultisiml2仿真軟件，其增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)與一般反饋結(jié)構(gòu)的兩種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果如圖11所示。
[0059]從圖11可以看出，當(dāng)Rxy〈300 Ω、Rtl = I Ω時,兩種結(jié)構(gòu)下電阻陣列的性能都不是很好，它們關(guān)于等效電阻Rsg的絕對誤差大于3.0 %，且一般反饋結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)相比具有更大的誤差。在這種情況下，兩種結(jié)構(gòu)中的運算放大器都不具有足夠的能力去驅(qū)動傳感陣列中的所有電阻器件，因此Vf與Vh大器之間的差別會變大，且能夠保證兩種電路正常性能的條件已丟失。圖11中顯示，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)下的等效電阻Rsg的誤差大約是一般反饋結(jié)構(gòu)下的等效電阻Rsg的誤差值的55%，此時Rxy〈70kQ、R0 = 1Ω ;當(dāng)Rxy>70kQ、R0= 1Ω時，兩個反饋結(jié)構(gòu)下等效電阻Rsg的誤差可以忽略不計(一般反饋結(jié)構(gòu)的Rsg的誤差值小于0.2%，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)的等效電阻Rsg的誤差值小于0.1% )。因此，當(dāng)Rxy與R0的比值小于70，000時，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)比一般反饋結(jié)構(gòu)具有更好的性能；當(dāng)Rxy與Rtl的比值大于10，000時，兩種結(jié)構(gòu)下的等效電阻Rsg的誤差小到均可以忽略不計(一般反饋結(jié)構(gòu)的Rsg的誤差值小于0.2%，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)的等效電阻Rsg的誤差值小于0.1% )。
[0060](3)基于NMultisiml2的相鄰元素影響仿真
[0061]阻性傳感陣列中的所有元素都會影響待測器件的測量誤差，其中，與待測器件相鄰的單元會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。已修正電阻值的非掃描器件和所有其他相鄰器件的阻值為IOkQ，二維阻性傳感網(wǎng)絡(luò)的行數(shù)M和列數(shù)N的測試值固定為8，Rtl的阻值是I Ω，待測電阻、位于待測電阻所在列的相鄰行電阻、位于待測電阻所在列的相鄰航器件均在3kQ-20kQ的范圍內(nèi)變化，則基于NMultisiml2仿真軟件，基于一般反饋結(jié)構(gòu)的相鄰行電阻與相鄰列電阻對等效電阻Rsg的誤差影響如圖12、圖13所示，基于增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)的相鄰行電阻與相鄰列電阻對Rsg的誤差影響如圖14、圖15所示。
[0062]從圖12到圖15中可以看出，關(guān)于增強(qiáng)電壓負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的等效電阻Rsg的誤差均顯著低于相應(yīng)的一般反饋結(jié)構(gòu)的Rsg的誤差；對比圖12與圖14可知，當(dāng)待測電阻所在列的相鄰行元素發(fā)生變化時，一般反饋結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)中的Rsg的誤差具有相似的變化趨勢；對比圖13與圖15可知，當(dāng)待測電阻所在行的相鄰列元素發(fā)生變化時，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)中的Rsg的誤差變化明顯小于一般電壓反饋結(jié)構(gòu)中的Rsg的誤差變化。[0063]綜上可見，在減少由于位于待測電阻所在行的相鄰列元素對等效電阻Rsg的誤差干擾，增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)具有比一般反饋結(jié)構(gòu)更好的性能。在阻性傳感陣列中引入增強(qiáng)電壓反饋結(jié)構(gòu)可以有效減小列多路選擇器的內(nèi)阻和相鄰列電阻對被測電阻測量的干擾，提高了其測量精度，且陣列分布采用列數(shù)N〉行數(shù)M的方式時，陣列中待測電阻的測量精度容易得到保證。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，包括:共用行線和列線的二維電阻陣列(I)、行多路選擇器⑵及列多路選擇器(3)、掃描控制器(4)及反饋電路(5)，所述二維電阻陣列(I)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MXN的二維結(jié)構(gòu)分布的物理敏感電阻陣列，陣列中的各個物理敏感電阻一端連接相應(yīng)的行線，另一端連接相應(yīng)的列線，處于第i行第j列的電阻用Ru表示，其中，M為行數(shù)，N為列數(shù)，物理敏感電阻Rij的一端與行多路選擇器(2)的L端相連接，溫度敏感電阻Rij的另一端與列多路選擇器⑶的X?！苟诉B接，行多路選擇器⑵的art、ar2、…、端口和列多路選擇器(3)的bcl、bc2>…、^端口與反饋電路(5)的輸出端相連,行多路選擇器⑵的brt、brf、…、1?端口與反饋電路(5)的輸入端相連，列多路選擇器(3)的…、a。,端口與測試電壓V1相連，掃描控制器(4)輸出掃描控制信號，行控制信號控制行多路選擇器(2)，列控制信號控制列多路選擇器(3)，其特征在于， 所述反饋電路(5)包括運算放大器與分壓電路，所述運算放大器的同相輸入端作為反饋電路(5)的輸入端，在反饋電路(5)的輸入端上連接有采樣電阻Rs，并且，反饋電路(5)的輸入端與采樣電阻Rs的一端相連，采樣電阻Rs的另一端接地，分壓電路由串聯(lián)的電阻R1與電阻R2組成，電阻R1的一端與電阻R2的一端相連且與所述運算放大器的異相輸入端連接，電阻R2的另一端接地，電阻R1的另一端與所述運算放大器的輸出端相連且作為反饋電路(5)的輸出端，所述分壓電路中電阻札與電阻R2選用特定阻值的電阻，將電阻R1與電阻R2的比值限定為R1: R2 = Rr: Rs，其中，Rr表示行多路選擇器⑵的通道內(nèi)阻，Rs表示采樣電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增強(qiáng)電壓反饋的阻性傳感陣列的檢測電路，其特征在于,二維電阻陣列(I)中的N>M。
【文檔編號】G01D5/16GK103925934SQ201410183065
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】吳劍鋒, 李建清, 李慧康 申請人:東南大學(xué)