CN103925934B - 一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路 - Google Patents

Abstract

一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，包括：共用行线和列线的二维电阻阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器及反馈电路，其中二维电阻阵列中的物理敏感电阻按照<i>M</i><i>×</i><i>N</i>的二维结构分布，扫描控制器输出扫描控制信号，分别控制行多路选择器与列多路选择器阵列中任一待测电阻的单个选定。运算放大器与分压电路组成反馈电路，分压电路中电阻<i>R₁</i>与电阻<i>R₂</i>选用特定阻值的电阻，<i>R₁</i>∶<i>R₂=R_r</i>∶<i>R_S</i>，<i>R_r</i>表示行多路选择器的通道内阻，<i>R_S</i>表示采样电阻。在反馈电路与相应的连接方式的作用下，可以限制位于待测电阻所在行的相邻列电阻的两端电压相等，有效减小待测电阻的相邻列电阻和列多路选择器的内阻对被测电阻测量的干扰。

Description

一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路

技术领域

本发明涉及一种基于电阻式传感阵列的电压反馈隔离电路，属于电路技术领域。本电路可以对有故障或有变化的器件的快速检测，且可以有效隔离待测器件的相邻列电阻和列多路选择器内阻对检测结果的影响，使得测量误差大大降低。

背景技术

阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合在一起，它可以通过感测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。

阻性传感阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。

阻性传感阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情况下，要对一个M×N阵列的所有的传感器的进行逐个访问，而每个传感器具有两个端口，共需要2×M×N根连接线。共用行线与列线的二维阵列降低了器件互连的复杂性，但阵列网络的互串效应与为实现待测电阻单独选定引入的多路选择器也对检测精度带来不确定性；将扫描控制器与运算放大电路和多路选择器结合，虽然可以实现待测电阻的单个选定，仅仅是理想状态下的与阵列中其他电阻的虚拟隔离，但如果想屏蔽掉待测电阻所在公共行线与列线的其他相邻电阻引起的干扰，就需要在阵列的每一行都设置扫描控制器与运算放大电路，因此仅仅在扫描控制器与运算放大电路的控制下，阻性阵列的检测电路无法同时达到较低的器件互连的复杂性与较高的检测精度。

关于电阻式传感阵列的检测研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于红外热成像的阵列检测技术，测试结构是基于电阻传感网络配置，基于电阻的线性与齐次性使用补偿网络定理和叠加网络定理开发了该电阻网络的理论模型。使用16×16阵列网络热辐射计阵列验证，仅使用32个引脚，已经证实，该模型针对器件损坏或器件值的微小变化都可以有效分辨，但是它对待测元件所在行与所在列的其他元件的串扰没有起到很好的隔离作用。2009年Y.J.Yang等人提出了一个32×32阵列的温度和触觉传感阵列，用于机械手臂的人造皮肤，在阵列网络中加入多路选择器，行选择与列选择速度大大加快，最大检测速率高达每秒3,000像素，但该电路为了保证检测精度，屏蔽阵列内非待测电阻的干扰，在阵列的每一列都引入了运算放大电路，其电路复杂，同时多个运放性能的微小差异也会导致多个通道间测量结果的一致性较差。

基于阻性阵列检测的相关专利，目前国内并没有相关专利出现，与阻性阵列有关的专利也多有关于阵列的制备方面，专利CN201110148963.2公开了一种阵列式温度触觉传感装置，采用电阻传感阵列实现温度触觉的传感，其反馈驱动隔离电路将待测电阻所在行的电压经行选择器后的端电压V_SG反馈回非选定行线与列线，虽然可以起到一定的隔离作用，但它的反馈电压V_SG位于行选择器与列选择器的外侧，由于多路选择器中的内阻具有分压作用，因而待测电阻所在行线与列线上的相邻电阻两端电压不相等，电阻内有电流通过，会对测量结果产生干扰，因此该阵列中的反馈驱动隔离电路更倾向于如何实现将待测电阻从阵列中单个选出，并未从真正意义上实现对待测电阻所在行线与列线的相邻电阻的隔离。

发明内容

针对阻性传感阵列检测的需要，本发明提出一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，本电路可以实现对有故障或有变化的器件的快速检测，且可以有效隔离待测器件所在行的其余器件对检测结果的影响，使得测量误差大大降低。

本发明采用如下技术方案：一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，包括：共用行线和列线的二维电阻阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器及反馈电路：

所述二维电阻阵列包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的物理敏感电阻阵列，阵列中的各个物理敏感电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，其中，M为行数，N为列数，阵列分布一般N>M，物理敏感电阻R_ij的一端与行多路选择器的y_ri端相连接，温度敏感电阻R_ij的另一端与列多路选择器的x_cj端连接，行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM端口和列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与反馈电路的输出端相连，行多路选择器的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与反馈电路的输入端相连，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_I相连，扫描控制器(4)输出扫描控制信号，行控制信号控制行多路选择器(2)，列控制信号控制列多路选择器(3)。

所述反馈电路包括运算放大器与分压电路，所述运算放大器的同相输入端作为反馈电路的输入端，在反馈电路的输入端上连接有采样电阻R_S，并且，反馈电路的输入端与采样电阻R_S的一端相连，采样电阻R_S的另一端接地，分压电路由串联的电阻R₁与电阻R₂组成，电阻R₁的一端与电阻R₂的一端相连且与所述运算放大器的异相输入端连接，电阻R₂的另一端接地，电阻R₁的另一端与所述运算放大器的输出端相连且作为反馈电路的输出端，所述分压电路中电阻R₁与电阻R₂选用特定阻值的电阻，将电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，其中，R_r表示行多路选择器的通道内阻，R_S表示采样电阻。

本发明的检测电路的工作原理在于：扫描控制器输出扫描控制信号，控制多路选择器内端口的连接方式，行控制信号控制行多路选择器的V_ri端与a_ri端或是与bri端相连；列控制信号控制列多路选择器的V_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连。二维电阻传感阵列中的物理敏感电阻可将各自所处位置的待测物理量的变化转换为相应电阻阻值变化。当待测电阻R_ij被选定，其处于阵列第i行第j列，列控制信号控制列多路选择器第j列的V_cj端与a_cj端相连，a_cj端与测试电压V_I相连，而其他列与反馈电压V_F相连，行控制信号控制行多路选择器第i行的V_ri端与b_ri端相连，b_ri端与反馈电路的输入端相连，输入电压为V_SG，而其他行与反馈电压V_F相连。此时待测电阻R_ij被选定。测试电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于待测的电阻R_ij后经由行多路选择器输出，行多路选择器的选定通道的端口电压为V_SG，该电压被作为反馈电路的输入电压，经反馈电路作用后得到反馈电压V_F，V_F被反馈回非选定的行线和列线，反馈电路中分压电路的电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，在反馈电路与上述相应的连接方式的作用下，反馈电路的输出端的反馈电压V_F＝V_SG×(R_r+R_S)/R_S，反馈电压V_F作用于分压电路的电阻R₁与电阻R₂，在电阻R₁与电阻R₂的比值限定与反馈电压V_F放大系数的限定下，分压电路的电阻R₂与运算放大器反相输入端相连端点的电压为V_SG，采样电阻R_S与运算放大器正相输入端相连端点的电压也为V_SG，已知分压电路的电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，此时行多路选择器的通道内阻R_r与分压电路的电阻R₁具有相同的分压效果，行多路选择器的y_ri端也是待测电阻所在行的行电压V_ri与反馈电路输出端的反馈电压V_F相等，位于被选定行线上的相邻列电阻位于列多路选择器的非选定列线上，且其b_cj′端的电压值为V_F，则相邻列电阻的两端电压V_cj′＝V_ri＝V_F，位于待测电阻所在行的相邻列电阻内电流近似为0，相邻列电阻以及列多路选择器的内阻对测量结果的干扰基本排除。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明公开的增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，是针对阻性传感阵列的检测需要，在不提高电阻阵列互连复杂性的基础上，以增强电压反馈为关键技术，在反馈电路与特定的连接方式的作用下，可以使位于待测电阻所在行的相邻列电阻两端电压保持等电位，将其中的电流限制到基本为零，有效屏蔽掉了被测电阻所在行线上相邻列电阻与列多路选择器3的内阻的干扰，提高了阻性阵列的检测精度，不仅可以实现对待测电阻的单个选定，而且可以有效减少被测电阻所在行线上相邻列电阻与列多路选择器的内阻的干扰，大大提高了其测量精度。

(2)在保证测量精度的前提下，可采用价格较低、内阻较大的列多路选择器，降低成本。

(3)采用列数大于行数的方式时，可确保阵列中所有待测电阻的测量精度较高。

(4)采用运算放大器与分压电路构成增强电压反馈的反馈电路，仅需使用一个运放就可以隔离待测电阻所在行相邻电阻与列多路选择器内阻的干扰，避免了由于布置多个运放而使得器件互连变得复杂，也避免了由于不同运放之间的性能参数的微小差异带来的测量误差。

(5)采用共用行线与列线的二维电阻阵列，将M×N分布的阻性阵列的连线数目减少为M+N根，减少了器件互连的复杂性，保证了阵列中的每一个电阻都有唯一的行与列组合的访问方式。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

图1是本发明基于的共用行线与列线的二维电阻阵列示意图；

图2是本发明的增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路示意图；

图3是检测待测电阻时阻性传感阵列的区域划分示意图；

图4是引入分压电路前阻性阵列检测的电路示意图；

图5是引入分压电路后阻性阵列检测的电路示意图；

图6是引入分压电路后阻性阵列检测中待测电阻的电路示意图；

图7是引入分压电路后阻性阵列检测中待测电阻所在行线的电路示意图；

图8是引入分压电路后阻性阵列检测中待测电阻所在列线的电路示意图；

图9是引入分压电路后阻性阵列检测的简化电路示意图；

图10是基于增强电压反馈结构与一般反馈结构的阵列规模变化对等效电阻R_sg的误差影响；

图11是基于增强电压反馈结构与一般反馈结构的R_xy/R₀的变化对等效电阻R_sg的误差影响；

图12是基于一般反馈结构的8×8电阻阵列中相邻行元素变化对等效电阻R_sg的误差影响；

图13是基于一般反馈结构的8×8电阻阵列中相邻列元素变化对等效电阻R_sg的误差影响；

图14是基于增强电压反馈结构的8×8电阻阵列中相邻行元素变化对等效电阻R_sg的误差影响；

图15是基于增强电压反馈结构的8×8电阻阵列中相邻列元素变化对等效电阻R_sg的误差影响。

具体实施方式

一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，包括：共用行线和列线的二维电阻阵列1、行多路选择器2及列多路选择器3、扫描控制器4及反馈电路5。所述二维电阻阵列1包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的物理敏感电阻阵列，阵列中的各个物理敏感电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，其中，M为行数，N为列数，阵列分布一般N>M，物理敏感电阻R_ij的一端与行多路选择器2的y_ri端相连接，温度敏感电阻R_ij的另一端与列多路选择器3的x_cj端连接，行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM端口和列多路选择器3的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与反馈电路5的输出端相连，行多路选择器2的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与反馈电路5的输入端相连，列多路选择器3的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_I相连，扫描控制器4输出扫描控制信号，行控制信号控制行多路选择器2，列控制信号控制列多路选择器3，所述反馈电路5包括运算放大器与分压电路，所述运算放大器的同相输入端作为反馈电路5的输入端，在反馈电路5的输入端上连接有采样电阻R_S，并且，反馈电路5的输入端与采样电阻R_S的一端相连，采样电阻R_S的另一端接地，分压电路由串联的电阻R₁与电阻R₂组成，电阻R₁的一端与电阻R₂的一端相连且与所述运算放大器的异相输入端连接，电阻R₂的另一端接地，电阻R₁的另一端与所述运算放大器的输出端相连且作为反馈电路5的输出端，所述分压电路中电阻R₁与电阻R₂选用特定阻值的电阻，将电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，其中，R_r表示行多路选择器2的通道内阻，R_S表示采样电阻。本实施例中，所述二维电阻阵列1中的N>M。

其中，二维电阻阵列1共用行线与列线，即用两组正交的线路作为行线和列线，阵列中的电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，阵列中的每个电阻都有唯一的行线与列线的组合。其有益效果是按照M×N的二维结构分布的阵列，只需要M+N根连线数目即可保证任何一个特定的电阻元件可以通过控制行线和列线的相应组合被访问。按照M×N的二维阵列结构分布，其中，M为行数，N为列数，处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，阵列分布一般N>M。

为了对阵列中的在电路中待测电阻R_ij进行单个扫描，引入行多路选择器2、列多路选择器3与扫描控制器4，其中，行多路选择器2的y_ri端与温度敏感电阻R_ij的一端连接,行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM端口与运算放大电路5的输出电压V_F相连，行多路选择器2的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与运算放大电路3的正相输入端相连；列多路选择器3的x_cj端与温度敏感电阻R_ij的另一端连接,列多路选择器3的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_I相连，列多路选择器3的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与反馈电路5输出的反馈电压V_F相连。多路选择器内置可控单刀双掷开关，扫描控制器4输出扫描控制信号，控制多路选择器内端口的连接方式，行多路选择器2通过行控制信号，控制V_ri端与a_ri端或是与b_ri端相连；列多路选择器3通过列控制信号，控制V_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连。其有益效果是可以对阵列中的待测电阻R_ij选中进行单个检测，并且可以保证实现遍历阵列中的所有待测电阻。

二维电阻传感阵列1中的物理敏感电阻可将各自所处位置的待测物理量的变化转换为相应电阻阻值变化。当待测电阻R_ij被选定，其处于阵列第i行第j列，扫描控制器4输出扫描控制信号，列控制信号控制列多路选择器3的第j列的V_cj端与a_cj端相连，a_cj端与测试电压V_I相连，而其他列与反馈电压V_F相连，行控制信号控制行多路选择器2的第i行的V_ri端与b_ri端相连，b_ri端与反馈电路5的输入端相连，输入电压为V_SG，而其他行与反馈电压V_F相连。此时待测电阻R_ij被选定。

考虑到整个阵列并非完全理想，引入的行多路选择器2、列多路选择器3与扫描控制器4并不能完全实现屏蔽位于待测电阻所在共用行线与列线的其他相邻电阻的干扰，为了满足更高精度的测量需要，将运算放大器与分压电路相结合，组成增强电压反馈的反馈电路5，测试电压V_I经过列多路选择器3的选定通道作用于待测的电阻R_ij后经由行多路选择器输出，行多路选择器2的选定通道的端口电压为V_SG，该电压被作为反馈电路5的输入电压，经反馈电路5作用后得到反馈电压V_F，V_F被反馈回非选定的行线i′和列线j′，反馈电路5中分压电路的电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，在反馈电路5与上述相应的连接方式的作用下，反馈电路5的输出端的反馈电压V_F＝V_SG×(R_r+R_S)/R_S，反馈电压V_F作用于分压电路的电阻R₁与电阻R₂，在电阻R₁与电阻R₂的比值限定与反馈电压V_F放大系数的限定下，分压电路的电阻R₂与运算放大器反相输入端相连端点的电压为V_SG，采样电阻R_S与运算放大器正相输入端相连端点的电压也为V_SG，已知分压电路的电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，此时行多路选择器2的通道内阻R_r与分压电路的电阻R₁具有相同的分压效果，行多路选择器2的y_ri端也是待测电阻所在行i的行电压V_ri与反馈电路输出端的反馈电压V_F相等，位于被选定行线上的相邻列电阻位于列多路选择器3的非选定列线j′上，且其b_cj′端的电压值为V_F，则相邻列电阻的两端电压V_cj′＝V_ri＝V_F，位于待测电阻所在行的相邻列电阻内电流近似为0，相邻列电阻以及列多路选择器的内阻对测量结果的干扰基本排除。阵列分布采用N>M的方式时，测量精度容易得到保证。对共用行线与列线的二维电阻阵列中的待测电阻进行单个选定检测时，保证了较低的器件互连的复杂性与较高的测量精度。下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明。

图1为本发明基于的共用行线与列线的二维电阻阵列，图1中的阵列分布为4×4为例，在实际中，阵列分布可以是任意的M×N。为了保证所有的器件可以单独扫描，且不增加器件互连复杂性的基础上，该二维电阻阵列共用行线与列线，即用两组正交的线路作为行线和列线，阵列中的电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，阵列中的每个电阻都有唯一的行线与列线的组合。其有益效果是按照M×N的二维结构分布的阵列，只需要M+N根连线数目即可保证任何一个特定的电阻元件可以通过控制行线和列线的相应组合被访问。其中，M为行数，N为列数，处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，其中i＝1、2、…、M，j＝1、2、…、N，阵列分布一般N>M。

图2为本发明的增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路示意图，图中以R₁₁做待测电阻为例，扫描控制器输出控制信号，控制行多路选择器与列多路选择器的通道分别与不同的端口相连，其中，行多路选择器的y_r1端与行多路选择器的b_r1端相连，列多路选择器的x_c1端与列多路选择器的a_c1端相连。图3为本发明的检测待测电阻时阻性传感阵列的区域划分示意图。该图以R₁₁做待测电阻为例，待测电阻R₁₁的一端y_r1与行多路选择器的b_r1端相连，另一端c_c1与列多路选择器的a_c1端相连，此时R₁₁被选中，进行单个扫描。通过待测电阻R₁₁将二维电阻阵列分为4个区域：

1)I区：待测电阻R₁₁，此时电阻所在行1的y_r1端与b_r1端相连，b_r1端的电压值为V_SG，电阻所在列1的x_c1端与a_c1端相连，a_c1端的电压值为V_I，此时电阻R₁₁被选定；

2)II区：位于待测电阻所在列1的非待测的相邻行电阻，共(M-1)个器件，由于二维电阻阵列共用行线和列线，该(M-1)个非待测的相邻行电阻共用列线为待测电阻R₁₁的列线，列1的x_c1端与a_c1端相连，a_c1端的电压值为V_I，由于这些器件的行线未被选中，将这些未选中的行线表示为行i′，因而其电阻所在行i′的y_ri′端与a_ri′端相连，a_ri′端的电压值为V_F；

3)III区：位于待测电阻所在行1的非待测的相邻列电阻，共(N-1)个器件，由于二维电阻阵列共用行线和列线，该(N-1)个非待测的相邻列电阻共用行线为待测电阻R₁₁的行线，行1的y_r1端与b_r1端相连，b_r1端的电压值为V_SG，由于这些器件的列线未被选中，将这些未选中的列线表示为列j′，因而其电阻所在列j′的x_cj′端与b_cj′端相连，b_cj′端的电压值为V_F；

4)IV区：行线与列线均未被选中的电阻区域，共(M-1)×(N-1)个器件，由于这些电阻的行线与列线均未被选中，其电阻所在行i′的y_ri′端与a_ri′端相连，a_ri′端的电压值为V_F，电阻所在列j′的x_cj′端与b_cj′端相连，b_cj′端的电压值为V_F；

现以R₁₁做待测电阻为例，图4表示了引入分压电路前阻性阵列检测的电路示意图。由图4可知，在未引入分压电路前，受多路选择器内阻电流干扰，V_r1端的电压不完全等于V_SG，因此，位于待测电阻R₁₁所在行的其他相邻列电阻，尽管其V_cj′端电压等于V_F＝V_SG，但由于V_r1端的电压不完全等于V_SG，所以其他相邻列电阻的R_cj′内可能有电流通过，会对测量结果造成干扰。因此，在仅加入运算放大电路构成的一般反馈结构对阻性传感阵列进行扫描，当对待测电阻进行测量时，位于待测电阻所在列的相邻行电阻与位于待测电阻所在行的相邻列电阻内会有电流通过，因而待测电阻的测量结果会受到这些相邻电阻的干扰，影响测量结果的准确性。

图5表示了引入分压电路后阻性阵列检测的电路示意图。图4仍以R₁₁做待测电阻为例，结合图3的分区方法，待测电阻R₁₁所在区域为I区，它的电路示意图如图6所示；位于待测电阻R₁₁所在公共行线的相邻列电阻所在区域为II区，待测电阻所在行线的电路示意图如图7所示；位于待测电阻R₁₁所在公共列线的相邻行电阻所在区域为III区，待测电阻所在列线的电路示意图如图8所示。

由图6可知，位于I区的待测电阻R₁₁，测试电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于待测电阻R₁₁后经由行多路选择器的选定通道输出，行多路选择器的选定通道的端口电压为V_SG，该电压被作为反馈电路的输入电压，经反馈电路作用后得到反馈电压V_F，且V_F＝V_SG×(R_r+R_S)/R_S，由于行多路选择器内阻R_r与采样电阻R_S，反馈电路(5)输出端的反馈电压V_F与待测电阻所在行1的行电压V_r1相等，所以此时待测电阻R₁₁两端电压V_r1＝V_F，V_c1≠V_F，待测电阻R₁₁有电流通过，被选中扫描。

由图7可知，位于待测电阻所在行1的行电压V_r1＝V_F，位于II区的待测电阻R₁₁所在公共行线的相邻列电阻，它们的列多路选择器的通道与反馈电路的输出电压V_F相连，两端电压相等，因而V_cj′＝V_r1＝V_F，位于II区的待测电阻R₁₁所在公共行线的相邻列电阻电流基本为0，相邻列电阻及列多路选择器的内阻干扰被基本排除。

由图8可知，位于待测电阻所在列1的列电压V_c1≠V_F，位于III区的待测电阻R₁₁所在公共列线的相邻行电阻，它们之间仍有电流通过，其干扰暂无法排除。

因此，在引入分压电路后，可将位于II区的待测电阻R₁₁所在公共行线的相邻列电阻上的电流限制到基本为0，相邻列电阻及列多路选择器的内阻干扰被基本排除。但位于III区的待测电阻R₁₁所在公共列线的相邻行电阻，它们之间仍有电流通过，其干扰暂无法排除。将图5所示的阻性阵列检测的电路示意图简化，如图9所示。

最终，在对待测电阻的测量过程中，当待测电阻R_ij被选中，恒定测试电压V_I被加载到该待测电阻R_ij一端，经过采样电阻R_S连接到地，测试电压VI在在两电阻上产生分压，通过电压V_SG、采样电阻R_S与测试电压V_I的值苛求求解出待测电阻R_ij的等效值，用R_sg表示，此时待测电阻R_ij的测量结果可等效为等效电阻R_sg，如图5右侧所示。

考虑到由运算放大器与分压电路构成增强电压反馈的反馈电路，保证被扫描行线上相邻的列电阻上的电流为0，列多路选择器的内阻干扰可以被屏蔽，设置列多路选择器多于行多路选择器通道，阻性阵列的二维分布M×N，N>M其中，M为行数，N为列数。

下面，为了进一步测试阻性传感阵列在引入增强电压反馈结构后具有比一般反馈结构更优越的性能，我们分别针对阵列规模的变化、R_xy对R₀的比值变化、位于待测电阻所在行的相邻列电阻与位于待测电阻所在列的相邻行电阻的阻值变化对等效电阻R_sg的误差影响做了仿真，其分析结果如下。

(1)基于NIMultisim12的阵列规模变化影响仿真

研究发现，阵列的规模大小，如阵列的行数M和列数N的变化会对二维电阻阵列的性能产生影响。在这些阵列中，行数M和列数N对其性能的影响较为相似。我们基于NIMultisim12仿真软件，针对阵列中加入分压电路后的增强电压反馈结构与未加分压电路前的一般反馈结构两种不同的电路，分析了由于行数M和列数N的变化对阵列产生的影响。在本例中，已修正电阻值的采样电阻R_S和阻性传感器阵列中的所有电阻器件的阻值为在10kΩ，行数M和列数N的初始值均为8，R₀的阻值是1Ω，行数M和列数N的测试值分别是8、15、29、57、113、225或449，基于NIMultisim12仿真软件，对于阵列中加入分压电路后的增强电压反馈隔离结构与未加分压电路前的隔离一般反馈结构两种不同的电路，其阵列规模效应对测量结果的影响如图10所示。

从图10可以看出，不论是增强电压反馈结构还是一般反馈结构，等效电阻R_sg的绝对误差都会随着阵列中行数与列数的增加而增加；其中，当阵列的行数增加时，增强电压反馈结构中的等效电阻R_sg的误差变化趋势相似于一般反馈结构中等效电阻R_sg的误差变化；当阵列中的列数增加时，一般反馈结构中等效电阻R_sg的误差变化呈正相关性而增强电压反馈结构则呈负相关性，且增强电压反馈结构中等效电阻R_sg的绝对误差与一般反馈结构中等效电阻R_sg的绝对误差相比有显著减小。因此，在增强电压反馈结构的作用下，待测电阻所在行的相邻列电阻对于等效电阻R_sg的误差影响已大为降低；由此可见，使用增强电压反馈结构进行测量，阻性传感阵列的列数比行数更多时其测量精度更容易得到保证。

(2)基于NIMultisim12的R_xy/R₀的影响仿真

研究发现，R_xy对R₀的比值也会影响二维阻性传感网络的性能。我们基于NIMultisim12仿真软件，针对在增强电压反馈结构中R_xy和R₀之间的比率变化对阵列的影响做了仿真比较。其中，将二维阻性传感网络的行数M和列数N的测试值固定为8，R₀的阻值是1Ω，阻性传感器阵列中的所有电阻器件与样本电阻的阻值在500Ω-7MΩ的范围内同步变化，基于NIMultisim12仿真软件，其增强电压反馈结构与一般反馈结构的两种结构的仿真结果如图11所示。

从图11可以看出，当R_xy<300Ω、R₀＝1Ω时，两种结构下电阻阵列的性能都不是很好，它们关于等效电阻R_sg的绝对误差大于3.0％，且一般反馈结构与增强电压反馈结构相比具有更大的误差。在这种情况下，两种结构中的运算放大器都不具有足够的能力去驱动传感阵列中的所有电阻器件，因此V_F与V_ri大器之间的差别会变大，且能够保证两种电路正常性能的条件已丢失。图11中显示，增强电压反馈结构下的等效电阻R_sg的误差大约是一般反馈结构下的等效电阻R_sg的误差值的55％，此时R_xy<70kΩ、R₀＝1Ω；当R_xy>70kΩ、R₀＝1Ω时，两个反馈结构下等效电阻R_sg的误差可以忽略不计(一般反馈结构的R_sg的误差值小于0.2％，增强电压反馈结构的等效电阻R_sg的误差值小于0.1％)。因此，当R_xy与R₀的比值小于70,000时，增强电压反馈结构比一般反馈结构具有更好的性能；当R_xy与R₀的比值大于10,000时，两种结构下的等效电阻R_sg的误差小到均可以忽略不计(一般反馈结构的R_sg的误差值小于0.2％，增强电压反馈结构的等效电阻R_sg的误差值小于0.1％)。

(3)基于NIMultisim12的相邻元素影响仿真

阻性传感阵列中的所有元素都会影响待测器件的测量误差，其中，与待测器件相邻的单元会对测量结果产生较大影响。已修正电阻值的非扫描器件和所有其他相邻器件的阻值为10kΩ，二维阻性传感网络的行数M和列数N的测试值固定为8，R₀的阻值是1Ω，待测电阻、位于待测电阻所在列的相邻行电阻、位于待测电阻所在列的相邻航器件均在3kΩ-20kΩ的范围内变化，则基于NIMultisim12仿真软件，基于一般反馈结构的相邻行电阻与相邻列电阻对等效电阻R_sg的误差影响如图12、图13所示，基于增强电压反馈结构的相邻行电阻与相邻列电阻对R_sg的误差影响如图14、图15所示。

从图12到图15中可以看出，关于增强电压负反馈结构的等效电阻R_sg的误差均显著低于相应的一般反馈结构的R_sg的误差；对比图12与图14可知，当待测电阻所在列的相邻行元素发生变化时，一般反馈结构与增强电压反馈结构中的R_sg的误差具有相似的变化趋势；对比图13与图15可知，当待测电阻所在行的相邻列元素发生变化时，增强电压反馈结构中的R_sg的误差变化明显小于一般电压反馈结构中的R_sg的误差变化。

综上可见，在减少由于位于待测电阻所在行的相邻列元素对等效电阻R_sg的误差干扰，增强电压反馈结构具有比一般反馈结构更好的性能。在阻性传感阵列中引入增强电压反馈结构可以有效减小列多路选择器的内阻和相邻列电阻对被测电阻测量的干扰，提高了其测量精度，且阵列分布采用列数N>行数M的方式时，阵列中待测电阻的测量精度容易得到保证。

Claims (2)

1.一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，包括：共用行线和列线的二维电阻阵列(1)、行多路选择器(2)及列多路选择器(3)、扫描控制器(4)及反馈电路(5)，所述二维电阻阵列(1)包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的物理敏感电阻阵列，阵列中的各个物理敏感电阻一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行第j列的电阻用R_ij表示，其中，i＝1、2、…、M，j＝1、2、…、N，M为行数，N为列数，物理敏感电阻R_ij的一端与行多路选择器(2)的y_ri端相连接，物理敏感电阻R_ij的另一端与列多路选择器(3)的x_cj端连接，行多路选择器(2)的a_r1、a_r2、…、a_rM端口和列多路选择器(3)的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与反馈电路(5)的输出端相连，行多路选择器(2)的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与反馈电路(5)的输入端相连，列多路选择器(3)的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_I相连，扫描控制器(4)输出扫描控制信号，行控制信号控制行多路选择器(2)，列控制信号控制列多路选择器(3)，其特征在于，

所述反馈电路(5)包括运算放大器与分压电路，所述运算放大器的同相输入端作为反馈电路(5)的输入端，在反馈电路(5)的输入端上连接有采样电阻R_S，并且，反馈电路(5)的输入端与采样电阻R_S的一端相连，采样电阻R_S的另一端接地，分压电路由串联的电阻R₁与电阻R₂组成，电阻R₁的一端与电阻R₂的一端相连且与所述运算放大器的异相输入端连接，电阻R₂的另一端接地，电阻R₁的另一端与所述运算放大器的输出端相连且作为反馈电路(5)的输出端，所述分压电路中电阻R₁与电阻R₂选用特定阻值的电阻，将电阻R₁与电阻R₂的比值限定为R₁∶R₂＝R_r∶R_S，其中，R_r表示行多路选择器(2)的通道内阻，R_S表示采样电阻。

2.根据权利要求1所述的一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，其特征在于，二维电阻阵列(1)中的N>M。