CN101943712B - 电阻电桥架构和方法 - Google Patents
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Abstract
一个或多个实施例涉及具有一前一后工作的两个电压测量电路的电阻电桥。在一个实施例中,可以向两个串联耦合的电阻器施加恒定电流源,其中第一电阻器具有已知电阻,第二电阻器的电阻有待确定或验证。第一测量电路可以测量第一电阻器两端的第一电压,第二测量电路基本同时可以测量第二电阻器两端的第二电压。将每个电阻器的电压转换成比值。基于所述比值和第一电阻器的电阻,可以计算第二电阻器的电阻。
Description
技术领域
本发明涉及电阻电桥架构,更具体而言,一个或多个实施例涉及利用两个测量电路的电阻电桥架构。
背景技术
电阻电桥是一种通过测量电阻器之间的比值来比较电阻器的装置。例如,电阻电桥可以用于确定电耦合至第二电阻器的第一电阻器的电阻值。电阻电桥测量两个电阻器的电参数,耦合到电阻电桥的微处理器基于电测量结果计算两个电阻器的比值。电阻电桥可以用于多种使用电阻测量的应用中,例如温度计、电阻器校准器、万用表等。通常,电阻电桥测量电路提供高精确度的测量。然而,任何电路的精度都取决于电路之内电气部件的稳定性。因此,电阻电桥测量电路的精度可能受限于电桥架构之内电气部件的稳定性。例如,如果电阻电桥测量电路的电流源中存在漂移,该漂移可能会影响到电阻电桥中测量的精度。尽管可以改善电流源的性能,但由于电气部件中的实际局限,仍然会残留一些电流漂移。
图1是现有技术中耦合到两个电阻器Rs104和Rx106的电阻电桥测量电路100的示意图。电阻电桥测量电路100包括电流源102、开关108和测量电路101。测量电路101可以包括放大器110和模拟数字转换器(ADC)112。电阻器Rs104是标准或基准电阻器,具有已知的电阻。电阻器Rx106可以具有未知电阻,例如是要校准或测试的电阻器。基准电阻器Rs104和传感器电阻器Rx106串联连接。在电流源102向电路提供电流时,电流同时流经基准电阻器Rs104和传感器电阻器Rx106。在电流流经每个电阻器Rs104和Rx106时,产生每个电阻器两端的电压,该电压与每个电阻器的电阻成正比。放大器110和ADC112依次测量每个电阻器两端的电压。例如,Rs104两端的电压为Vs,Rx106两端的电压为Vx。由于一次仅能够测量一个电压,设置开关108以在两个电阻器Rs104和Rx106之间耦合放大器110和ADC112。一旦已经测量了每个电阻器Rs104和Rx106两端的电压,可以将电压转换成电压比,电压比与电阻比对应:
因为电阻器Rs104的值是已知的,所以可以从该比值确定Rx106的值。
因为每个电阻器Rs104和Rx106是依次测量的,所以电流源102中的任何漂移或电路中的噪声都可能导致不精确的测量结果。例如,图1示出了测量电路100,开关108耦合到电阻器Rs104。在这种状态下,放大器110和ADC112测量电阻器Rs104两端的电压。一旦已经进行了测量,开关108可以改变状态,从而将放大器110和ADC112耦合到电阻器Rx106,从而可以测量电阻器Rx106两端的电压。因此,如果在测量电阻器Rs104时和测量电阻器Rx106时之间电流源发生漂移,该比值会包含误差,该误差会影响测量电路100的精度。此外,测量期间电路100中的任何噪声也可能影响测量的精度。
因此,需要一种更精确的电阻电桥测量电路,减小电路中的噪声或电流源中的漂移的影响。
发明内容
根据本发明的一方面,提供一种电阻电桥测量电路,其配置成耦合到第一电阻器和第二电阻器,所述第一和第二电阻器串联耦合,所述电阻电桥测量电路包括:耦合到所述第一和第二电阻器的电流源;第一电压测量电路和第二电压测量电路,所述第一电压测量电路配置成测量所述第一电阻器两端的第一电压,所述第二电压测量电路配置成测量所述第二电阻器两端的第二电压,所述第一电压和所述第二电压是基本同时测量的;以及两个开关或两对开关,可选择性地配置为将所述第一电压测量电路耦合至所述第二电阻器两端以测量所述第二电阻器两端的第三电压,以及将所述第二电压测量电路耦合至所述第一电阻器两端以测量所述第一电阻器两端的第四电压,其中所述第三电压和所述第四电压是基本同时测量的。
根据本发明的另一方面,提供一种配置成测量传感器电阻器两端的电压的温度计,包括:微处理器;第一电压测量电路和第二电压测量电路,所述第一电压测量电路和所述第二电压测量电路耦合到所述微处理器;包括第一电阻器的温度探针,所述第一电阻器配置成与所述传感器电阻器串联耦合;电流源,被配置成耦合到所述第一电阻器和所述传感器电阻器,所述电流源被配置成向所述第一电阻器和所述传感器电阻器供应电流;以及第一开关和第二开关,所述第一开关耦合到所述第一电压测量电路,所述第二开关耦合到所述第二电压测量电路,每个开关配置成将其对应的电压测量电路耦合到所述第一电阻器和所述传感器电阻器以及将其对应的电压测量电路从所述第一电阻器和所述传感器电阻器解耦,所述第一开关和所述第二开关可选择性地进行配置,其中所述第一电压测量电路配置成测量所述第一电阻器两端的第一电压,所述第二电压测量电路配置成测量所述传感器电阻器两端的第二电压,所述第一电压和所述第二电压是基本同时测量的,并且其中所述第一电压测量电路配置为测量所述传感器电阻器两端的第三电压,所述第二电压测量电路配置为测量所述第一电阻器两端的第四电压,所述第三电压和所述第四电压是基本同时测量的。
根据本发明的再一方面,提供一种确定电路中电阻的方法,所述电路具有串联耦合的第一电阻器和第二电阻器,所述方法包括:测量所述第一电阻器两端的第一电压;测量所述第二电阻器两端的第二电压;所述第一电压是独立于所述第二电压并与其基本同时测量的,其中,所述第一电压是由第一电压测量电路测量的,所述第二电压是由与所述第一电压测量电路不同的第二电压测量电路测量的;测量所述第一电阻器两端的第三电压;测量所述第二电阻器两端的第四电压,所述第三电压是独立于所述第四电压并与其基本同时测量的,其中所述第三电压是由所述第一电压测量电路测量的,所述第四电压是由所述第二电压测量电路测量的;以及基于所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获得比值,并使用所述比值和所述第一电阻器的电阻确定所述第二电阻器的电阻。
附图说明
图1是现有技术中电阻电桥测量电路的示意图。
图2是根据本发明一个实施例的电阻电桥测量电路的示意图。
图3是根据本发明一个实施例包括电阻电桥测量电路的系统框图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及使用两个测量电路的电阻电桥架构,更具体而言,一个或多个实施例涉及使用一前一后两个测量电路的电阻电桥架构。在下文中将对某些细节加以阐述,以提供对本发明的充分理解。但是,对于本领域技术人员而言,显然可以在不需要这些具体细节的情况下实践本发明。
一个或多个实施例利用具有两个电压测量电路的电阻电桥,两个电压测量电路一前一后地工作以测量两个电阻器两端的电压。使用每个电阻器两端的电压计算比值,可以使用该比值来确定电阻器之一的电阻。例如,可以向串联耦合的两个电阻器施加恒定电流。第一测量电路可以测量第一电阻器两端的第一电压,第一电阻器是电阻已知的标准电阻器。同时,第二测量电路测量第二电阻器两端的第二电压,第二电阻器具有未知的电阻。在一个实施例中,可以在微处理器中将第一和第二电压转换成比值。例如,电阻未知的电阻器两端的第一电压可以除以已知电阻器两端的电压(或反之)以获得电压比,电压比与电阻比对应。从比值和已知电阻器的电阻可以确定未知电阻器的电阻。通过基本同时测量每个电阻器,两个测量电路将包括在测量期间可能发生的任何噪声或电流漂移。因此,电流漂移将在每次测量中,因此在将测量结果转换成比值时将至少部分被抵消。
在一些实施例中,每个测量电路可以测量每个电阻器两端的电压。然后可以对每个相应电阻器两端的两个电压求平均。如上所述,可以使用每个电阻器的平均电压计算对应的电阻比。于是,如果任一测量电路具有增益误差,增益误差将在两个平均电压中都存在,因此至少部分被抵消。此外,通过对每个相应电阻器两端的两个电压求平均,由电路噪声或电流源漂移对测量导致的任何影响都可以减小。本领域的普通技术人员将明了,使用两个电压测量电路基本同时测量每个电阻器两端的电压提高了测量精度。
图2是根据本发明一个实施例的电阻电桥测量电路200的示意图。电阻电桥测量电路200包括电流源202、两个测量电路201和203。类似于图1中的电阻电桥测量电路100,电阻电桥测量电路200耦合到标准或基准电阻器Rs204以及传感器电阻器Rx206。电阻器Rs204和电阻器Rx206串联连接。电阻器Rs204具有已知电阻值。电阻器Rx206可以是未知的或是待校准或测试的电阻器。电阻器Rs204和Rx206可以是任何类型的电阻器,例如电阻介于0和500千欧的电阻器。在一些实施例中,电阻器具有5和400欧姆之间的电阻。
电流源202向电路200提供电流,使得电流同时流经电阻器Rs204和Rx206,在每个电阻器Rs204和Rx206的两端产生电压电势。在一个实施例中,电流源202是可逆的。两个测量电路201和203可以配置成测量电参数,例如电压。测量电路201和203可以相同或彼此不同。在一些实施例中,测量电路201和203分别包括放大器210和211以及ADC212和213。每个测量电路201和203分别耦合到开关208和开关209。开关208和209可以是任何种类的用于改变状态的开关。开关208和209可以是单个开关或一前一后工作的两个分立开关。在一个实施例中,开关208和209可以是继电器开关,例如机电继电器开关。在另一实施例中,开关208和开关209可以是模拟开关。在这一实施例中,测量电路201和/或203分别可以不包括放大器210或211。例如,模拟开关208和209可以直接分别耦合到ADC212和213。
在一个或多个实施例中,每个测量电路201和203基本同时测量相应电阻器Rs204和Rx206的电压。因此,电流源中的噪声或漂移可能存在于两个测量中,一旦将测量结果作为比值提供,可以至少部分抵消电流源中的噪声或漂移。更具体而言,如果与测量电路203测量电阻器Rs204两端电压基本同时,测量电路201测量电阻器Rx206两端的电压,两次测量都可能包括电流源202产生的噪声。例如,在图2所示的状态下,放大器210的第一节点由开关208耦合到电阻器Rx206的第一节点,放大器210的第二节点由开关208耦合到电阻器Rx206的第二节点,使得测量电路201可以测量电阻器Rx206两端的电压电势Vx。此外,放大器211的第一节点由开关209耦合到电阻器Rs204的第一节点,放大器211的第二节点由开关209耦合到电阻器Rs204的第二节点,使得测量电路203可以测量电阻器Rs204两端的电压电势Vs。本领域的普通技术人员将明了,可以使每次电压测量的定时同时或在时间上充分接近,使得两个测量电路201和203都部分或全部测量到电流源中的任何噪声。
在微处理器(未示出)中,可以将电压电势Vs和Vx表达为电压比,该电压比与电阻比对应。例如,在一些实施例中,因为电阻与电压成正比,且电流恒定,因此可以从电压电势Vs和Vx计算电阻比。例如,使用V=IR,并知道电流源恒定,可以如下表达电阻器Rs204和Rx206两端的电压:
因此,因为电压电势Vs、电压电势Vx和电阻器Rs204的电阻值是已知的,所以可以计算电阻器Rx206的电阻值。
在一个或多个实施例中,每个测量电路201和203可以测量每个电阻器Rs204和Rx206两端的电压。因此,如果在任一个测量电路201和203中有任何缺陷,通过利用两个测量电路测量每个电阻器,可以抵消由单一测量电路导致的任何增益。更具体而言,除了如上所述测量电路201测量电阻器Rx206两端的第一电压Vx1和测量电路203测量电阻器Rs204两端的第一电压Vs1之外,可以倒转开关208和209,使得测量电路201测量电阻器Rs204两端的第二电压Vs2,测量电路203测量电阻器Rx206两端的第二电压Vx2。例如,可以倒转开关208,使得放大器210的第一节点耦合到电阻器Rs204的第一节点,放大器210的第二节点耦合到电阻器Rs204的第二节点。此外,可以倒转开关209,使得放大器211的第一节点耦合到电阻器Rx206的第一节点,放大器211的第二节点耦合到电阻器Rx206的第二节点。
在这一实施例中,可以组合每个测量电路201和203在每一相应电阻器Rs204和Rx206两端进行的每次电压测量并如上所述计算比值。例如,在一个实施例中,将电阻器Rs204两端的每个电压Vs1和Vs2共同求平均,Vs1是测量电路203测量的电压,Vs2是测量电路201测量的电压。类似地,将电阻器Rx206两端的每个电压Vx1和Vx2共同求平均,Vx1是测量电路201测量的电压,Vx2是测量电路203测量的电压。将每个电阻器Rs204和Rx206两端的电压平均值转换成对应于电阻比的电压比。例如,可以使用以下方程确定电阻比:
因此,使用电阻器Rs204的已知电阻,可以计算出Rx206的电阻。
本领域的普通技术人员将明了,在倒转开关208和/或开关209时,每个对应的测量电路201和203改变相对于另一测量电路201和203以及相对于电路中电流流动方向的地电势。因此,在一些实施例中,可以将测量电路201的电源与测量电路203的电源隔离开。例如,可以在进行测量的同时将用于每个测量电路201和203的电源与另一个隔离开。在一个实施例中,在测量电路201和203测量相应电阻器Rs204和Rx206两端的电压时,测量电路201和203可以彼此电隔离,使得每个电路由相应的储能装置,例如电池或电容器供电。在测量之间,可以对每个储能装置再充电。例如,在一个实施例中,每个储能装置可以耦合到开关模式功率转换器,该转换器用于对相应储能装置再充电。在一个实施例中,开关模式功率转换器是DC到DC转换器。在测量期间,可以从储能装置解除开关模式功率转换器的耦合和/或将其关闭。在另一实施例中,不是隔离电源,而是可以使用每个测量电路201和203的放大器来偏移与地电势间的电平。
在一些实施例中,可以进行另一组测量,其中反转电路200中的电流。通过首先测量电流沿第一方向流动的电压,然后测量电流沿相反方向流动的电压,可以消除测量电路201和203中的偏移电压,例如由于温差电动势(EMF)导致的电压。例如,在一个实施例中,电流源202沿顺时针方向向电路供应电流,使得电流从电阻器Rs204流向电阻器Rx206。与测量电路203测量电阻器Rs204两端的第一电压电势Vs1基本同时,测量电路201测量电阻器Rx206两端的第一电压电势Vx1。在完成测量后,开关208和209倒转,使得与测量电路203测量电阻器Rx206两端的电压电势Vx2基本同时,测量电路201测量电阻器Rs204两端的电压电势Vs2。
在完成以上测量之后,电流源202可以翻转电流,使得电流沿逆时针方向流经电路200。在电流沿逆时针方向流经电路200的同时,与测量电路203测量电阻器Rx206两端的电压Vx3基本同时,测量电路201可以再次测量电阻器Rs204两端的电压Vs3。在完成测量后,开关208和209倒转,使得与测量电路203测量电阻器Rs204两端的电压电势Vs4基本同时,测量电路201测量电阻器Rx206两端的电压电势Vx4。
所得的电压测量结果Vx1和Vx4是在电流沿相反反向流动时由测量电路201测量的。Vx2和Vx3是在电流沿相反方向流动时利用测量电路203测量的。在微处理器中,确定在电流沿相反方向流动时由每个测量电路和每个电阻器测量的电压之间的差异。例如,对于测量电路201和电阻器Rx206,从Vx4减去电压Vx1。对于测量电路203和电阻器Rx206,从电压Vx3减去Vx2。对于测量电路203和电阻器Rs204,从电压Vs3减去Vs1。对于测量电路203和电阻器Rs204,从电压Vs4减去Vs2。此外,可以组合由每个测量电路201和203产生的电压电势,例如通过对每个测量电路为每个相应电阻器进行的测量求平均。例如,可以使用以下方程确定比值:
从以上方程,可以通过代入Rs的已知电阻值确定Rx的电阻值。
在一个实施例中,图2的电阻电桥测量电路200可以用于温度计。具体而言,温度计探针可以包括可以串联耦合到已知电阻器的电阻器,该已知电阻器耦合到电阻电桥测量电路。一旦确定了探针中电阻器的电阻值,就可以使用该电阻值和电阻温度系数确定探针温度。在另一实施例中,图2的电阻电桥测量电路200可以用于校准或测试电阻器。
图3是根据本发明一个实施例包括电阻电桥测量电路的系统300的方框图。系统300中的很多部件与图2中的电阻电桥测量电路200中的部件以相同方式工作。因此,为了简洁,不再重复它们的结构和功能。系统300包括耦合到两个测量电路320和322的微处理器310、开关340和342以及电流源360。微处理器可以用于控制开关340和342的状态。测量电路320和322进一步耦合到相应的开关340和342。测量电路320和/或322可以包括放大器和ADC。在一些实施例中,测量电路320和/或322可以包括可耦合到开关340和342的ADC。每个测量电路320和322可以耦合到相应的隔离电源330和332。每个隔离电源330和332可以用于在进行测量时为相应测量电路320和322供电。开关340和342可以耦合到电阻器350。电阻器350可以是任意数量的电阻器。电阻器350耦合到电流源360。微处理器可以用于控制电流源360提供给电阻器350的电流。微处理器310可以用于从测量电路320和322进行的各种电压测量计算电压比。电压比与电阻比对应。此外,微处理器310可以用于使用电压或电阻比,确定电阻器之一,例如图2的电阻器Rx的电阻。
尽管已经参考所公开的实施例描述了本发明,本领域的技术人员将认识到,可以在形式和细节方面进行改变而不脱离本发明的精神和范围。例如,对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是,测量电路测量每个电阻器两端的电压的次序或通过电路提供电流的次序可以与上文例示和描述的实施例不同。这样的修改完全处于本领域技术人员的技能范围内。因此,本发明除了受到权利要求的限定外不受任何限制。
Claims (17)
1.一种电阻电桥测量电路,配置成耦合到第一电阻器和第二电阻器,所述第一和第二电阻器串联耦合,所述电阻电桥测量电路包括:
耦合到所述第一和第二电阻器的电流源;
第一电压测量电路和第二电压测量电路,所述第一电压测量电路配置成测量所述第一电阻器两端的第一电压,所述第二电压测量电路配置成测量所述第二电阻器两端的第二电压,所述第一电压和所述第二电压是基本同时测量的;以及
两个开关或两对开关,可选择性地配置为将所述第一电压测量电路耦合至所述第二电阻器两端以测量所述第二电阻器两端的第三电压,以及将所述第二电压测量电路耦合至所述第一电阻器两端以测量所述第一电阻器两端的第四电压,其中所述第三电压和所述第四电压是基本同时测量的。
2.根据权利要求1所述的电阻电桥测量电路,还包括用于从所述第一和第二电压计算比值的微处理器。
3.根据权利要求2所述的电阻电桥测量电路,其中,所述比值为电阻比。
4.根据权利要求2所述的电阻电桥测量电路,其中,所述微处理器还用于从所述第一电阻器的电阻和所述比值计算所述第二电阻器的电阻。
5.根据权利要求1所述的电阻电桥测量电路,还包括微处理器,所述微处理器用于计算所述第一和第四电压的第一平均值以及所述第二和第三电压的第二平均值,并将所述第一和第二平均值转换成比值。
6.根据权利要求1所述的电阻电桥测量电路,其中所述开关配置成将所述电压测量电路耦合到所述第一和第二电阻器以及从所述第一和第二电阻器解除所述电压测量电路的耦合。
7.根据权利要求1所述的电阻电桥测量电路,其中,在测量所述第一和第二电压时,所述第一电压测量电路和所述第二电压测量电路由彼此电隔离的电源供电。
8.根据权利要求1所述的电阻电桥测量电路,其中,所述电流源是可逆的。
9.一种配置成测量传感器电阻器两端的电压的温度计,包括:
微处理器;
第一电压测量电路和第二电压测量电路,所述第一电压测量电路和所述第二电压测量电路耦合到所述微处理器;
包括第一电阻器的温度探针,所述第一电阻器配置成与所述传感器电阻器串联耦合;
电流源,被配置成耦合到所述第一电阻器和所述传感器电阻器,所述电流源被配置成向所述第一电阻器和所述传感器电阻器供应电流;以及
第一开关和第二开关,所述第一开关耦合到所述第一电压测量电路,所述第二开关耦合到所述第二电压测量电路,每个开关配置成将其对应的电压测量电路耦合到所述第一电阻器和所述传感器电阻器以及将其对应的电压测量电路从所述第一电阻器和所述传感器电阻器解耦,所述第一开关和所述第二开关可选择性地进行配置,其中所述第一电压测量电路配置成测量所述第一电阻器两端的第一电压,所述第二电压测量电路配置成测量所述传感器电阻器两端的第二电压,所述第一电压和所述第二电压是基本同时测量的,并且其中所述第一电压测量电路配置为测量所述传感器电阻器两端的第三电压,所述第二电压测量电路配置为测量所述第一电阻器两端的第四电压,所述第三电压和所述第四电压是基本同时测量的。
10.根据权利要求9所述的温度计,其中,所述第一电压测量电路配置成在所述第一开关将所述第一电压测量电路耦合到所述第一电阻器时测量所述第一电阻器两端的第一电压,所述第二电压测量电路配置成在所述第二开关将所述第二电压测量电路耦合到所述传感器电阻器时测量所述传感器电阻器两端的第二电压,其中,所述测量是基本同时执行的。
11.根据权利要求10所述的温度计,其中,所述微处理器用于使用所述第一电阻器的电阻值和所述第一和第二电压确定所述传感器电阻器的电阻。
12.根据权利要求11所述的温度计,其中,所述微处理器还配置成使用所述传感器电阻器的电阻确定所述传感器电阻器的温度。
13.根据权利要求10所述的温度计,其中,所述第一电压测量电路和所述第二电压测量电路均包括开关和模拟数字转换器。
14.一种确定电路中电阻的方法,所述电路具有串联耦合的第一电阻器和第二电阻器,所述方法包括:
测量所述第一电阻器两端的第一电压;
测量所述第二电阻器两端的第二电压;所述第一电压是独立于所述第二电压并与其基本同时测量的,其中,所述第一电压是由第一电压测量电路测量的,所述第二电压是由与所述第一电压测量电路不同的第二电压测量电路测量的;
测量所述第一电阻器两端的第三电压;
测量所述第二电阻器两端的第四电压,所述第三电压是独立于所述第四电压并与其基本同时测量的,其中所述第三电压是由所述第一电压测量电路测量的,所述第四电压是由所述第二电压测量电路测量的;以及
基于所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获得比值,并使用所述比值和所述第一电阻器的电阻确定所述第二电阻器的电阻。
15.根据权利要求14所述的方法,其中,从所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压和所述第四电压获得比值的动作包括对所述第一电压和所述第三电压求平均值以得到第一平均电压,对所述第二电压和所述第四电压求平均值以得到第二平均电压,并从所述第一平均电压和所述第二平均电压计算比值。
16.根据权利要求14所述的方法,还包括反转流经所述第一电阻器和所述第二电阻器的电流方向并利用相应的电压测量电路在每个电阻器两端进行后续电压测量。
17.根据权利要求14所述的方法,还包括在进行测量时,由第一电源为所述第一电压测量电路供电,由第二电源为所述第二电压测量电路供电,所述第一电源与所述第二电源电隔离。
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