CN104024870B - 可变电阻装置、测量桥电路和用于校准测量桥电路的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量桥电路（100），具有第一和第二分支。在第一分支中串联有第一电阻（R₂(x)）和不变电阻（R_fix,1），其中在第一测量参量敏感电阻（R₂(x)）和不变电阻（R_fix,1）之间布置第一截取点（104）。在第二分支中串联有第二测量参量敏感电阻（R₁(x)）和可变电阻装置（102）。该可变电阻装置（102）具有带不变电阻值的第一器件（R_fix,2）和具有可变电阻值的第二器件（M），其中第二器件与第一器件（R_fix,2）并联，以便改变电阻装置（102）的总电阻值。在第二测量参量敏感电阻（R₁(x)）和电阻装置（102）之间布置第二截取点（106）。第一分支和第二分支并联。在第一截取点（104）和第二截取点（106）之间能布置测量仪器。

Description

可变电阻装置、测量桥电路和用于校准测量桥电路的方法

技术领域

本发明涉及一种可变电阻装置、一种测量桥电路、一种用于校准测量桥电路的方法以及一种对应的控制设备和计算机程序产品。

背景技术

在基于例如两条支路中的电平衡的电路中，由于构件公差和制造公差而需要用于调准支路中的至少一条支路的电阻的可能性。例如可以借助于不可逆的调准方法、诸如激光微调或者齐纳消灭（Zener-Zapping）来跨接或者短路电阻的级联装置中的单个电阻，以便匹配该装置的结果得到的电阻。在例如由于支路中的构件老化而对平衡造成干扰的情况下，需要重新调准。为此可以更换和调准级联装置。

由DE 4 115 288A1已知一种用于均衡传感器信号的装置。

发明内容

基于该背景，利用本发明根据独立权利要求提出一种可变电阻装置、一种测量桥电路、一种用于校准测量桥电路的方法以及最后提出一种对应的控制设备和计算机程序产品。有利的构型从相应的从属权利要求和后面的描述中得出。

本发明基于如下认识，即忆阻器可以存储写入的电阻器，只要忆阻器在极限频率以上和/或在极限电流强度以下被运行。当利用低于极限频率和/或高于极限电流强度的电流对忆阻器通电时，所述电阻值可以增大或者减小。具有忆阻器的电路可以为了校准电路而在极限频率以下和/或在极限电流强度以上被运行。具有忆阻器的电路可以在运行中在极限频率以上和/或在极限电流强度以下被运行并且校准保持下来。

有利地，占据较小面积的单个忆阻器可以代替大量的单个构件，所述大量的单个构件传统上被维持用于校准并且占据大的面积。由此可以把具有忆阻器的电路实施得较小。因为忆阻器总是可以被再次校准，因此电路可以固定构建，因为不需要电路更换。由于较小的部件数量，电路还可以被成本有利地提供。

本发明提出一种具有以下特征的可变电阻装置：

具有不变电阻值的第一器件；和

具有可变电阻值的忆阻器，所述忆阻器与第一器件并联，以便改变所述电阻装置的总电阻值。

此外，本发明提出一种测量桥电路，其具有以下特征：

第一分支，其具有串联的第一电阻和不变电阻，其中在第一电阻和不变电阻之间布置第一截取点；和

第二分支，其具有串联的第二电阻和根据这里提出的方案所述的可变电阻装置，其中在第二电阻和电阻装置之间布置第二截取点，其中第一分支和第二分支并联并且在第一截取点和第二截取点之间能布置测量仪器。

此外本发明提出一种用于校准根据这里提出的方案所述的测量桥电路的方法，其中所述方法具有以下步骤：

当第一电阻经受物理校准参量并且第二电阻同样经受物理校准参量时，确定测量仪器的测量值；和

改变可变电阻装置的忆阻器的电阻值，直至测量值在公差范围中在预先确定的值附近为止，以便校准测量桥电路。

具有不变电阻值的器件可以理解为在容差范围内随着其使用寿命保持相同的电阻。忆阻器可以理解为具有可变电阻值的器件。并联电路的总电阻值可以理解为第一器件的电阻值倒数和忆阻器或第二器件的电阻值倒数之和的倒数。第一器件和第二器件可以是单个的分立器件。测量桥电路可以具有用于馈送电压的第一端子点和用于馈送电压的第二端子点。第一分支可以在端子点处与第二分支电连接。截取点可以是端子点。测量仪器可以是电流测量设备或者电压测量设备。物理校准参量例如可以理解为预先确定的力。例如，校准参量可以这样定义，即没有外部作用作用于电阻上。校准参量可以是相等的。为了改变电阻值，例如可以将经整流的电压或者经整流的电流施加到忆阻器上。通过将经整流的部件接通到忆阻器上，忆阻器中的载流子可以经历位置改变，这些载流子可以增大或减小忆阻器的电阻。经整流的部件可以具有最小大小和/或最小持续时间。

第一电阻和/或第二电阻可以是测量参量敏感电阻，并且被构造为将传感器处的物理参量的改变反映在电阻值的对应改变中。测量参量敏感电阻例如可以是压阻式压力传感器或者长度传感器。

第一测量参量敏感电阻可以连接在不变电阻之前。可变电阻装置可以连接在第二测量参量敏感电阻之前。通过这种布置可以实现半桥电路。该电路也可以构造为具有仅仅一个测量参量敏感电阻的四分之一桥。

可变电阻装置可以具有至少一个从外部可接近的校准端子。经由校准端子可以直接对忆阻器通电。由此可以使其他器件对校准过程的影响最小化。

在第一截取点和第二截取点之间可以布置电压测量装置。测量桥电路可以被用恒定电流通电。测量参量敏感电阻的改变可以通过改变电压测量装置处的电压值来反映。

在改变步骤中，电阻值可以一直在一个方向上持续增大，直至该测量值离开公差范围为止。在测量值进入公差范围和测量值离开公差范围之间的电阻值的间隔可以被确定。接着，电阻值可以在所述间隔的预先确定的部分、尤其是一半附近被持续减小。或者可以在改变步骤中一直持续减小电阻值，直至测量值离开公差范围为止。在测量值进入公差范围和测量值离开公差范围之间的电阻值的间隔可以被确定。接着，电阻值可以在所述间隔的预先确定的部分、尤其是一半附近被持续增大，以便校准测量桥电路。通过在进入公差范围时检测电阻的第一值和在离开公差范围时检测电阻的第二值得出一电阻带，可以在该电阻带的中间调整电阻值，以便调谐测量桥。间隔可以代表电阻带的宽度。电阻值例如可以被增大，直至离开公差范围为止。于是电阻带可以再次被减小，直至达到所述间隔的预先确定的部分。

本发明还提出一种控制设备，其构造为用于以对应的装置执行或实施本发明方法的步骤。通过本发明的控制设备形式的该实施变型，也可以快速和高效地解决本发明所基于的任务。

控制设备在此可以理解为电设备，其处理传感器信号并且据此输出控制信号。控制设备可以具有接口，所述接口可以按照硬件和/或软件方式构造。在按照硬件方式构造的情况下，所述接口例如可以是所谓的系统ASIC的包含控制设备的非常不同的功能的部分。但是也可能的是，所述接口是特有的集成电路或者至少部分地由分立器件构成。在按照软件方式构造的情况下，所述接口可以是软件模块，所述软件模块例如存在于微控制器上的其他软件模块旁。

有利地还提出一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码可以存储在机器可读载体上（诸如半导体存储器、固盘存储器或者光学存储器）并且用于执行根据前述实施方式之一所述的方法，其中所述程序在计算机或者设备上实施。

附图说明

下面根据附图示例性地详细阐述本发明。

图1示出根据本发明一个实施例的具有可变电阻装置的测量桥电路的框图；和

图2示出根据本发明一个实施例的用于校准测量桥电路的方法的流程图。

具体实施方式

在下面对本发明的优选实施例的描述中，对于在不同附图中所示的和起相似作用的元件使用相同的或相似的附图标记，其中放弃对这些元件的重复描述。

图1示出根据本发明一个实施例的具有可变电阻装置102的测量桥电路100的框图。该测量桥电路100具有两条分支。在其中一条分支中串联有第一测量参量敏感电阻R₁(x)和可变电阻装置102。在这两者之间布置第一截取点104。在其中另一条分支中串联有第二测量参量敏感电阻R₂(x)和第一不可变电阻R_fix,1。在这两者之间布置第二截取点106。两条分支相互并联在第一端子108和第二端子110之间。可变电阻装置102具有第二不可变电阻R_fix,2和与其并联的忆阻器M。

在运行中，借助于第一端子108和第二端子110之间的供电电压Uv通过测量桥电阻100的两条分支对测量桥电路100供电。第二端子110可以位于零电势GND上。当两条分支彼此处于平衡时，在第一截取点104和第二截取点106之间没有电流流动并且没有电压U。当测量桥电路100例如由于测量参量敏感电阻R₁(x)、R₂(x)的漂移而失谐时，尽管两个测量参量敏感电阻R₁(x)、R₂(x)未被加负荷，也需要对测量桥电阻100进行校准，以便阻止在截取点104、106之间的电流流动。为了校准测量桥电路100，改变可变电阻装置102，直至再次建立起平衡。为了改变忆阻器M的电阻值，从忆阻器端子到第二端子110经由忆阻器M地施加忆阻器电流I_M。该忆阻器电流I_M可以具有高的直流电流分量。通过该忆阻器电流I_M，载流子在忆阻器M内移动，由此传导性、也即忆阻器M的电阻值得到改变。

在用具有如下传输频率的电压Uv运行测量桥电路100期间——其中所述传输频率高于忆阻器M的极限频率，忆阻器M的电阻值不改变。于是在截取点104、106之间可以截取经幅度调制的信号U，该信号U构成测量参量敏感电阻R₁(x)、R₂(x)处的测量参量。

图2示出根据本发明一个实施例的用于校准测量桥电路的方法200的流程图。方法200具有确定202步骤和改变204步骤。在确定202步骤中，当第一测量参量敏感电阻经受物理校准参量并且第二测量参量敏感电阻同样经受物理校准参量时，确定测量仪器的测量值。这些校准参量尤其可以是一致的，或者在符号相反的情况下大小相同。所述测量参量敏感电阻例如可以仅仅经受其自重或者基本负荷。在改变204步骤中，可变电阻装置（忆阻器）的第二器件的电阻值被改变，直至测量值在公差范围中在预先确定的值附近为止。所述预先确定的值例如可以是预先确定的电压水平，如零伏特。所述公差范围例如可以在考虑测量精确性的情况下被明确。

换句话说，忆阻器M可以代替用于均衡传感器R₁(x)、R₂(x)的电阻网络。这样的电阻网络例如可以在均衡时刻通过激光微调或者通过齐纳消灭被调整到期望值。

忆阻器M的原理在理论上最好与其他无源器件相比较地被描述。所有器件基于电荷及其导数（电流）以及磁流及其导数（电压）的结合。在此基础上，电阻对应于电压对电流的导数，电感对应于磁流对电流的导数，（逆）电容对应于电压对电荷的导数，以及忆阻率对应于磁流对电荷的导数。

在忆阻器的微系统技术的实现中，在铂电极之间施加非常薄（几个nm）的二氧化钛层。如果现在TiO₂层的一部分被掺杂氧晶格缺陷，则在这部分中出现高的导电性，而未掺杂部分是绝缘体。通过施加电场、也即电压，区域之间的分隔线被移动并且因此层的总电阻改变。但是在此不仅场的大小起决定作用，而且场变化曲线的历史也起决定作用（与在电容器情况下所存储的电荷与通电历史有关类似）。场变化的速度也起重要作用。特性因此（如在电感和电容情况下也如此）与频率强烈相关。这被利用来将忆阻器用作为非易失性模拟存储器。忆阻器的电阻可以用低频率和高场来调整（描述），而读取用小的高频电压来进行，所述电压不改变忆阻器的状态，因为电流的时间积分保持恒定。

通过忆阻器可以避免需要比较多空间的齐纳消灭级联或者微调电阻网络。空间需求在均衡值应当被调整得越精确并且均衡范围越大的情况下提高得越多，因为级联或网络的每个部分仅代表一个二进制值。利用齐纳消灭级联或者微调电阻网络调整的值仅可被有条件地校正，事后重新均衡以便例如在工厂中校正传感器随着使用寿命的漂移大多仅仅在一个方向上可行（参见Haareschneiden）。在忆阻器作为均衡元件的情况下，可以利用单个的或者少数几个器件在空间需求小的情况下存储模拟均衡值，所述模拟均衡值可以在事后在需要时进行校正。通过传感器装置中的忆阻器（如这里介绍的那样），可以在空间需求减小的情况下以模拟方式、而不是以数字方式存储均衡值，并且均衡值可以在事后没有限制地被改变。

在图1中例如示出传感器装置，其信号借助于惠斯顿桥100由两个可变电阻R(x)反映成一个电气值。所述可变电阻（例如压力传感器膜片上的压阻式电阻）与两个固定电阻（R_fix）接线。出于技术原因，在此一般出现桥100的失谐，该失谐在传统上可以通过如下方式来校正，即所述固定电阻之一被构造为由多个电阻构成的网络，所述多个电阻例如可以通过激光微调被单个地去激活。由此可以基本上补偿桥100的失谐，但是仅仅一次性地。如果如在图1中所示的替代于微调电阻网络而是使用由常规电阻（R_fix,2）和忆阻器（M）构成的组合102，则可以在均衡时刻经由附加的端子描述忆阻器。这实现了桥100的几乎任意精确的调谐。对于传感器随着使用寿命具有漂移的情况，因此也可以例如在工厂停留的情况下重新均衡传感器装置，反之却可能需要利用传统的均衡来更换传感器。忆阻器均衡的采用原则上在所有传感器的情况下都可行，在所述传感器情况下均衡在制造之后是必要的并且这些传感器不具有内部的评估逻辑。在那里该均衡无需额外花费就可行。

所描述的和在附图中所示的实施例仅仅是示例性选择的。不同的实施例可以完全地或者参照单个特征彼此组合。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征被补充。

根据本发明的方法步骤还可以重复地以及以不同于所述顺序的方式来实施。

Claims (9)

1.测量桥电路（100），具有以下特征：

第一分支，其具有串联的第一电阻（R₂(x)）和不变电阻（R_fix,1），其中在第一电阻（R₂(x)）和不变电阻（R_fix,1）之间布置第一截取点（106）；和

第二分支，其具有串联的第二电阻（R₁(x)）和用于校准测量桥电路（100）的可变电阻装置（102），其中所述可变电阻装置具有：

具有不变电阻值的第一器件（R_fix,2）；和

具有可变电阻值的忆阻器（M），该忆阻器与第一器件（R_fix,2）并联，以便改变电阻装置（102）的总电阻值，

其中在第二电阻（R₁(x)）和电阻装置（102）之间布置第二截取点（104），其中第一分支和第二分支并联并且在第一截取点（106）和第二截取点（104）之间能布置测量仪器。

2.根据权利要求1所述的测量桥电路（100），其中第一电阻（R₂(x)）和/或第二电阻（R₁(x)）是测量参量敏感电阻，所述测量参量敏感电阻被构造为将传感器处的物理参量的改变反映在电阻值的对应改变中。

3.根据权利要求1或2所述的测量桥电路（100），其中可变电阻装置（102）具有至少一个能从外部接近的校准端子。

4.根据权利要求1或2所述的测量桥电路（100），其中在第一截取点（106）和第二截取点（104）之间布置电压测量装置。

5. 用于在根据权利要求1至4之一所述的测量桥电路（100）中使用以便校准测量桥电路（100）的可变电阻装置（102），其中所述可变电阻装置具有以下特征：

具有不变电阻值的第一器件（R_fix,2）；和

具有可变电阻值的忆阻器（M），该忆阻器与第一器件（R_fix,2）并联，以便改变电阻装置（102）的总电阻值。

6.用于校准根据权利要求2至5之一所述的测量桥电路（100）的方法（200），其中该方法具有以下步骤：

当第一电阻（R₂(x)）经受物理校准参量并且第二电阻（R₁(x)）同样经受物理校准参量时，确定（202）测量仪器的测量值；和

改变（204）可变电阻装置（102）的忆阻器（M）的电阻值，直至测量值在公差范围中在预先确定的值附近为止，以便校准测量桥电路（100）。

7.根据权利要求6所述的方法（200），其中在改变（204）步骤中一直持续地增大电阻值，直至测量值离开公差范围为止，并且在测量值进入公差范围和测量值离开公差范围之间的电阻值的间隔被确定，其中电阻值接着在所述间隔的预先确定的部分附近被持续减小，和/或

其中在改变（204）步骤中电阻值被一直持续减小，直至测量值离开公差范围为止，并且在测量值进入公差范围和测量值离开公差范围之间的电阻值的间隔被确定，其中电阻值接着在所述间隔的预先确定的部分附近被持续增大，以便校准测量桥电路（100）。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述间隔的预先确定的部分是所述间隔的一半。

9.控制设备，其被构造为执行根据权利要求6至8之一所述的方法的步骤。