CN103616919B - 惠斯通电桥装置及其调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种惠斯通电桥装置及其调试方法，其中，所述惠斯通电桥装置包括：惠斯通电桥；及与所述惠斯通电桥的电源端和输出端相连接的电流源组；所述电流源组包括多个电流源，每个电流源的一端各通过一个开关元件与电源端连接，每个电流源的另一端共同通过两个正、负开关分别与正、负输出端连接。在本发明提供的惠斯通电桥装置及其调试方法中，通过调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等，由此，能够十分方便地消除/基本消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起的误差（即失调电压）。

Description

惠斯通电桥装置及其调试方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种惠斯通电桥装置及其调试方法。

背景技术

惠斯通电桥广泛应用于磁传感器和压力传感器等传感器中，它的差分结构可以用来提高器件的分辨率和灵敏度，减小温度系数影响。但它的四个电阻由于制作工艺的偏差，不能做的完全匹配，这个不匹配所引起的误差会导致传感器检测能力下降。

以各向异性磁阻(AMR)的惠斯通电桥在磁传感器中的应用为例：假设在无外部磁场情况下，惠斯通电桥的失调电压(由于制造和不匹配等原因引起)为12mV；在地球磁场(0.5高斯)下，由地球磁场引起的惠斯通电桥输出电压为1mV；惠斯通电桥的输出电压为30mV时，ADC(模数转换器)的输出饱和。所以，正常情况下，饱和磁场可以测到接近15高斯；而在有失调电压存在的情况下，饱和磁场只能测到接近9高斯，此时惠斯通电桥总的输出电压为30mV，包括惠斯通电桥的失调电压12mV和外部9高斯磁场引起的输出电压18mV，失调电压占了总输出电压的40％。惠斯通电桥的失调电压引起的热漂移会进一步降低磁传感器的检测能力。

具体的，请参考图1，其为惠斯通电桥的电路图。如图1所示，电阻R1～R4是各向异性磁阻，其中，电阻R1和R2构成了II臂，电阻R3和R4构成了I臂。通过控制磁化方向和电流方向，可以使惠斯通电桥单臂上的两个电阻在磁场作用下的磁阻效应变化趋势相反(如R1减小，R2增大)，而双臂同一位置上的两个电阻变化趋势也相反(如R1减小，R3增大)。

其中，在有外部磁场的情况下：假设R1＝R2＝R3＝R4＝R,Vb为桥电压，ΔR为由外部磁场引起的电阻变化量。无失调电压存在时，

I臂：V₀₊＝V_b[(R+ΔR)/2R]

II臂：V_0-＝V_b[(R-ΔR)/2R]

V_out＝V₀₊-V_0-＝V_b{[(R+ΔR)/2R]-[(R-ΔR)/2R]}＝V_b(ΔR/R)

有失调电压V_OS存在时，

Vout＝V_b(△R/R)+V_OS

这个惠斯通电桥的失调电压在使用过程中都保持不变，因此在制造完成后只需补偿一次。传统的消除这个失调电压的方法主要包括：烧断电阻方法及开关电容方法等。

请参考图2，其为通过烧断电阻方法消除失调电压的电路原理图。具体的，在无外部磁场情况下，通过并联一个或多个烧断电阻到惠斯通电桥的输出端和电源之间，以重新使惠斯通电桥平衡。为了减小烧断电阻的数量，首先要找到惠斯通电桥的四个电阻中最大的电阻。通过一个自动测试装置(ATE)找到大的输出端，然后并联上一个计算出来的烧断电阻。这种方法的不足之处是需要在四个位置都放置烧断电阻，而且还要有一个大的变化量。

请参考图3，其为通过开关电容方法消除失调电压的电路原理图。具体的，通过在放大器输入端产生一个负的电压来消除惠斯通电桥的失调电压。如果惠斯通电桥有一个10mV的失调电压，通过调整(trimming)电阻产生一个反向电流，相当于在惠斯通电桥的输出端产生一个V_b/2-10mV的电压，用来消除失调电压。此种方法的缺点是电阻匹配度低，导致调节精度有限。

传统的消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起误差的方法都较为复杂，因此提出一种新的、较简便的方法消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起误差的方法成了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种惠斯通电桥装置及其调试方法，以解决现有的消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起误差的方法较为复杂或者精度有限的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种惠斯通电桥装置，所述惠斯通电桥装置包括：惠斯通电桥；及与所述惠斯通电桥的电源端和输出端相连接的电流源组；所述电流源组包括多个电流源，每个电流源的一端各通过一个开关元件与电源端连接，每个电流源的另一端共同通过两个正、负开关分别与正、负输出端连接。

可选的，在所述的惠斯通电桥装置中，所述多个电流源输出的电流以二进制比例增加。

可选的，在所述的惠斯通电桥装置中，连接于电流源和电源端的开关元件均受控于寄存器或者数模转换器；正、负开关均受控于比较器。

本发明还提供一种惠斯通电桥装置的调试方法，所述惠斯通电桥装置的调试方法包括：

提供如上所述的惠斯通电桥装置；

调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等。

可选的，在所述的惠斯通电桥装置的调试方法中，在调节电流源组输出的电流之前，还包括：

获取惠斯通电桥的正输出端和负输出端之间的失调电压。

可选的，在所述的惠斯通电桥装置的调试方法中，

当正输出端的电压大于负输出端的电压时，电流源组输出的电流加载于负输出端；

当负输出端的电压大于正输出端的电压时，电流源组输出的电流加载于正输出端。

可选的，在所述的惠斯通电桥装置的调试方法中，

当正输出端的电压大于负输出端的电压时，连接于电流源和电源端的开关元件部分或者全部导通，负开关导通；

当负输出端的电压大于正输出端的电压时，连接于电流源和电源端的开关元件部分或者全部导通，正开关导通。

在本发明提供的惠斯通电桥装置及其调试方法中，通过调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等，由此，能够十分方便地消除/基本消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起的误差(即失调电压)。

附图说明

图1是惠斯通电桥的电路图；

图2是通过烧断电阻方法消除失调电压的电路原理图；

图3是通过开关电容方法消除失调电压的电路原理图；

图4是本发明实施例的惠斯通电桥装置的电路图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的惠斯通电桥装置及其调试方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图4，其为本发明实施例的惠斯通电桥装置的电路图。如图4所示，所述惠斯通电桥装置包括：惠斯通电桥10；及与所述惠斯通电桥10的电源端VCC和输出端V₀₊/V_0-相连接的电流源组11；所述电流源组11包括多个电流源，每个电流源的一端各通过一个开关元件与电源端连接，每个电流源的另一端共同通过两个正、负开关分别与正、负输出端连接。

具体的，所述电流源组包括n+1个电流源(其中n+1为自然数)，分别为电流源I₀……电流源I_n，其中，电流源I₀～I_n的一端分别通过开关元件K₀～K_n与电源端VCC连接；电流源I₀～I_n的均通过两个正开关K+和负开关K-分别与正输出端V0+和负输出端V0-连接。在此，电流源I₀～I_n与正开关K+和负开关K-的连接，通过如下方式予以实现：电流源I₀～I_n均与一连接点连接，所述连接点与正开关K+和负开关K-连接。

在本实施例中，连接于电流源和电源端的开关元件(即开关元件K₀～K_n)均受控于寄存器或者数模转换器；正开关K+和负开关K-均受控于比较器。以开关元件K₀～K_n受控于一个八位寄存器为例，假设电流源组11中包括八个电流源，可通过八位寄存器和比较器控制该八个电流源是否将电流输出以及输出至正输出端V₀₊还是负输出端V_0-。具体的，首先，通过比较器比较正输出端V₀₊和负输出端V₀-的电压，如果V₀₊>V0-，则连接到V₀₊的正开关K+关断，连接到V₀-的负开关K-导通；反之，则相反。然后，根据二进制算法，先通过寄存器把控制最大电流的开关打开，若输出结果跟第一次比较结果一致，则把次大电流的开关打开，否则，把最大电流的开关关断，把次大电流的开关打开。根据逐次逼近原理，得到最接近零失调电压的开关结果。其中多个电流源输出的电流以二进制比例增加，假如I₀＝IREF，则I_n＝2ⁿ*IREF，其中，IREF为一恒定电流源，其可由装置内部电路产生，不随电源电压变化而变化，其温度系数很小。

在上述的惠斯通电桥装置中，通过调节电流源组输出的电流，便可使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等，由此，能够十分方便地消除/基本消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起的误差(即失调电压)。

进一步的，本实施例还提供了一种惠斯通电桥装置的调试方法，具体包括：

提供一惠斯通电桥装置，所述惠斯通电桥装置包括：惠斯通电桥；及与所述惠斯通电桥的电源端和输出端相连接的电流源组；所述电流源组包括多个电流源，每个电流源的一端各通过一个开关元件与电源端连接，每个电流源的另一端共同通过两个正、负开关分别与正、负输出端连接；

调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等。

进一步的，在调节电流源组输出的电流之前，还包括：获取惠斯通电桥的正输出端和负输出端之间的失调电压。具体的，可以在无外部磁场条件下，通过高精度的万用表测得惠斯通电桥两端的失调电压(V_O+-V_O-)；也可以通过设置(SET)和重置(RESET)时的模数转换器(ADC)的输出计算得到失调电压，等等多种方案予以实现。

在本实施例中，当正输出端的电压大于负输出端的电压时，将电流源组输出的电流加载于负输出端；当负输出端的电压大于正输出端的电压时，将电流源组输出的电流加载于正输出端。进一步的，当正输出端的电压大于负输出端的电压时，连接于电流源和电源端的开关元件部分或者全部导通，负开关导通；当负输出端的电压大于正输出端的电压时，连接于电流源和电源端的开关元件部分或者全部导通，正开关导通。

具体的，假如R1＝1000Ω，R2＝1002Ω，R3＝1003Ω，R4＝1001Ω，Vb＝3V，则：

$V_{0+}=\frac{R2}{R1+R2}*V_b=\frac{1002}{1000+1002}*3=\frac{1002}{2002}*3V$

$V_{0-}=\frac{R4}{R3+R4}*V_b=\frac{1001}{1003+1001}*3=\frac{1001}{2004}*3V$

$V_{0+}-V_{0-}=(\frac{1002}{2002}-\frac{1001}{2004})*3V\≈9.985\×{10}^{-4}V$

由此可知，V_O+>V_O-，此时将连到正输出端的正开关K+断开，连到负输出端的负开关K-导通。其中，补偿电流大小如下：

假设IREF＝200nA，则需要5个IREF，即把连接电流源I₀和电流源I₂的开关K₀和K₂导通，输出电流I₀和I₂加载到负输出端V_0-。使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等，从而消除/基本消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起的误差(即失调电压)。其中，在本申请中使用了用语“电压相等或者基本相等”，其用意是使得电压尽可能相当，当然，在某些情况下，完全相等很困难或者基本不可能，则基本相等或者接近相等即可。

又假设R1＝1003Ω，R2＝1001Ω，R3＝1000Ω，R4＝1002Ω，Vb＝3V，则：

$V_{0+}=\frac{R2}{R1+R2}*V_b=\frac{1001}{1003+1001}*3=\frac{1001}{2004}*3V$

$V_{0-}=\frac{R4}{R3+R4}*V_b=\frac{1002}{1000+1002}*3=\frac{1002}{2002}*3V$

$V_{0+}-V_{0-}=(\frac{1001}{2004}-\frac{1002}{2002})*3V\≈-9.985\×{10}^{-4}V$

由此可知，V_O+<V_O-，此时将连到正输出端的正开关K+导通，连到负输出端的负开关K-断开。其中，补偿电流大小如下：

假设IREF＝200nA，则需要5个IREF，即把连接电流源I₀和电流源I₂的开关K₀和K₂导通，输出电流I₀和I₂加载到正输出端V₀₊。使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等，从而消除/基本消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起的误差(即失调电压)。

综上可见，在本发明实施例提供的惠斯通电桥装置及其调试方法中，通过调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等，由此，能够十分方便地消除/基本消除惠斯通电桥中电阻不匹配引起的误差(即失调电压)。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种惠斯通电桥装置，其特征在于，包括：惠斯通电桥；及与所述惠斯通电桥的电源端和输出端相连接的电流源组；所述电流源组包括多个电流源，每个电流源的一端各通过一个开关元件与电源端连接，每个电流源的另一端共同通过两个正、负开关分别与正、负输出端连接，所述多个电流源输出的电流以二进制比例增加，调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等。

2.如权利要求1所述的惠斯通电桥装置，其特征在于，连接于电流源和电源端的开关元件均受控于寄存器或者数模转换器；正、负开关均受控于比较器。

3.一种惠斯通电桥装置的调试方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求1～2中任一项所述的惠斯通电桥装置；

调节电流源组输出的电流，使得惠斯通电桥的正输出端和负输出端所输出的电压相等或者基本相等；

在调节电流源组输出的电流之前，还包括：

获取惠斯通电桥的正输出端和负输出端之间的失调电压。

4.如权利要求3所述的惠斯通电桥装置的调试方法，其特征在于，

当正输出端的电压大于负输出端的电压时，电流源组输出的电流加载于负输出端；

当负输出端的电压大于正输出端的电压时，电流源组输出的电流加载于正输出端。

5.如权利要求4所述的惠斯通电桥装置的调试方法，其特征在于，

当正输出端的电压大于负输出端的电压时，连接于电流源和电源端的开关元件部分或者全部导通，负开关导通，正开关断开；

当负输出端的电压大于正输出端的电压时，连接于电流源和电源端的开关元件部分或者全部导通，正开关导通，负开关断开。