CN104808064A - 一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，涉及惠斯通电桥测量领域，该惠斯通电桥测量电路包括：微控制器，微控制器控制数模转换器输出正负周期对称的三角波电压信号，三角波电压信号经过电压电流转换器转换成三角波电流信号，三角波电流信号激励惠斯通电桥；将惠斯通电桥的电压输出信号经由放大器放大后输入到模数转换器，模数转换器将转换结果输入到微控制器；微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。本发明降低了恒流源电路和后续测量电路的复杂度，提高了惠斯通电桥测量的精度。

Description

一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路

技术领域

本发明涉及阻抗测量领域，尤其涉及一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路。

背景技术

惠斯通电桥(又称单臂电桥)是一种可以精确测量的仪器。惠斯通电桥常常用于精密的电子测量中。在各种惠斯通电桥测量方法中，常常需要高精度的正弦波恒流源激励惠斯通电桥，但产生稳定而准确的正弦信号幅值和频率的电路复杂而昂贵，后续测量电路同样是复杂和昂贵。

发明内容

本发明提供了一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，本发明降低了恒流源电路和后续测量电路的复杂度，提高了惠斯通电桥测量的精度，详见下文描述：

一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的数模转换器、模数转换器；所述数模转换器连接电压电流转换器，所述电压电流转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器控制所述数模转换器输出正负周期对称的三角波电压信号，所述三角波电压信号经过所述电压电流转换器转换成三角波电流信号，所述三角波电流信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

另一实施例，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的电流数模转换器、模数转换器；所述电流数模转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器控制所述电流数模转换器输出正负周期对称的三角波电流信号，所述三角波电流信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

另一实施例，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的积分器、模数转换器；所述积分器连接电压电流转换器，所述电压电流转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器输出互为反相、占空比为50％的两路方波电压信号，所述两路方波电压信号经过所述积分器转换成两路三角波电压信号，所述两路三角波电压信号再经过所述电压电流转换器合并成差动三角波电流信号，所述三角波电流信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

所述微控制器的第一通用口线和第二通用口线输出互为反相、占空比为50％的两路方波电压信号。

所述积分器由第一电阻、第二电阻和电容组成。

另一实施例，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的数模转换器、模数转换器，所述数模转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器控制所述数模转换器输出正负周期对称的三角波电压信号，所述三角波电压信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出；本发明不仅可以简化常规测量中所需的正弦恒流源激励电路本身，还能简化后续测量电路，以及显著提高惠斯通电桥的测量精度。

附图说明

图1为实施例1的一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路的结构示意图；

图2为实施例1的三角波电压信号示意图；

图3为实施例2的一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路的结构示意图；

图4为实施例2的三角波电流信号示意图；

图5为实施例3的一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路的结构示意图；

图6为实施例3的方波电压信号示意图；

图7为实施例4的一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

MCU：微控制器；        DAC：数模转换器；

VCC：电压电流转换器；  A：放大器；

ADC：模数转换器；      IDAC：电流数模转换器；

GPIO₁：第一通用口线；  GPIO₂：第二通用口线；

R₁：第一电阻；         R₂：第二电阻；

C₁：电容；             I_i：三角波电流信号；

V_i：电压信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器MCU、数模转换器DAC、电压电流转换器VCC、放大器A、模数转换器ADC；

微控制器MCU控制数模转换器DAC输出如图2所示的正负周期对称的三角波电压信号，三角波电压信号经过电压电流转换器VCC转换成三角波电流信号I_i，三角波电流信号I_i激励惠斯通电桥，将惠斯通电桥的电压输出信号V_i经由放大器A放大后输入到模数转换器ADC，模数转换器ADC将转换结果输入到微控制器MCU，微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

即，将一定时间(整数个三角波周期)内的每个三角波的正半个周期的采样值v_i累加得到累加和，每个三角波的负半个周期的采样值v_j累加得到累加和，这两个累加和相减，得到的结果(实际为三角波的面积)正比于惠斯通电桥的输出，可以推导如下：

以一个周期为例计算三角波的面积，每个周期采样2k次，前k次累加和后k次累加：

在一个三角波周期内采样值的平均值为：

$\stackrel{\‾}{V}=\frac{1}{2k}\underset{1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}v---\left(1\right)$

在一个三角波周期内三角形的面积为：

$S=\underset{1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}|v-\stackrel{\‾}{V}|---\left(2\right)$

当在正半个周期采样时，采样值v为v_i；当在负半个周期采样时，采样值v为v_j。

即， $S=\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(v_i-\stackrel{\‾}{V})+\underset{k+1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\‾}{V}-v_j)---\left(3\right)$

前一项：时计算正半周期，后一项：计算负半周期。

$S=\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i+\underset{k+1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}\left({-v}_j\right)---\left(4\right)$

注意前后两项的是相同的值，但且v_j＞0，所以

$S=\underset{1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i-\underset{k+1}{\overset{2k}{\mathrm{\Σ}}}{v}_j---\left(5\right)$

对幅值为x的被采样值，如果在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[x_i\right]=\frac{1}{N}N\left(\right[x]+{\mathrm{\Δx}}_i)=\left[x\right]+{\mathrm{\Δx}}_i---\left(6\right)$

其中，[x]是模数转换器对x进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数，x_i是第i点的幅值，[x_i]是模数转换器对x_i进行量化，也即按四舍五入圆整得到的正整数。

(6)式表明，对一个比较“干净”的信号采样多次进行平均，并不能提高其精度，所得到的平均值的误差与单次采样的误差相同，为Δx_i。

如果对幅值为x的被采样锯齿波，同样在一定的时间内均匀采样N(>>1)点并进行平均，得到的平均值是

$\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[x_i\right]=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[m_i+{\mathrm{\Δx}}_i]---\left(7\right)$

其中，x_i＝m_i+Δx_i，m_i＝[x_i]。也即m_i是圆整得到正整数，而Δx_i是被四舍五入后丢去的“随机”误差。

(7)式可以进一步利用等差级数求和公式得到：

$\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{x}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_i+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δx}}_i=\frac{1}{N}\frac{1}{2}(0+[x\left]\right)N+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δx}}_i\\ =\frac{1}{2}\left[x\right]+\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δx}}_i\end{array}---\left(8\right)$

(8)式中的前一项是量化后的值，虽然比(6)式的结果小了一半，但按照误差理论，一个数据的精度并不因乘以一个固定非零常数而改变。但后面一项中是零均值的随机数，相比(6)式中的要降低倍，因此，对锯齿波或三角波激励信号进行过采样后同样可以得到提高精度的效果，且不需要另外加高频扰动信号。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例2

参见图3，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器MCU、电流数模转换器IDAC、放大器A、模数转换器ADC；

微控制器MCU控制电流数模转换器IDAC输出如图4所示的正负周期对称的差动三角波电流信号I_i，差动三角波电流信号I_i激励惠斯通电桥，将惠斯通电桥的电压输出信号V_i经由放大器A放大后输入到模数转换器ADC，模数转换器ADC将转换结果输入到微控制器MCU，微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

其中，本实施例中的微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出的详细操作步骤与实施例1相同，在此不作赘述。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例3

参见图5，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器MCU、积分器、电压电流转换器VCC、放大器A、模数转换器ADC；

微控制器MCU的第一通用口线GPIO₁和第二通用口线GPIO₂输出如图6所示的互为反相、占空比为50％的两路方波电压信号，两路方波电压信号经过积分器(由第一电阻R₁、第二电阻R₂和电容C₁组成，其中，积分电路能将方波信号转换成三角波信号，并具有延时和移相作用)转换成两路三角波电压信号，两路三角波电压信号再经过电压电流转换器VCC合并成差动三角波电流信号I_i，三角波电流信号I_i激励惠斯通电桥，将惠斯通电桥的电压输出信号V_i经由放大器A放大后输入到模数转换器ADC，模数转换器ADC将转换结果输入到微控制器MCU，微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

其中，本实施例中的微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出的详细操作步骤与实施例1相同，在此不作赘述。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

实施例4

参见图7，一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器MCU、数模转换器DAC、放大器A、模数转换器ADC；

微控制器MCU控制数模转换器DAC输出如图2所示的正负周期对称的三角波电压信号，三角波电压信号激励惠斯通电桥，将惠斯通电桥的电压输出信号V_i经由放大器A放大后输入到模数转换器ADC，模数转换器ADC将转换结果输入到微控制器MCU，微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

其中，本实施例中的微控制器MCU将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出的详细操作步骤与实施例1相同，在此不作赘述。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，其特征在于，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的数模转换器、模数转换器；所述数模转换器连接电压电流转换器，所述电压电流转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器控制所述数模转换器输出正负周期对称的三角波电压信号，所述三角波电压信号经过所述电压电流转换器转换成三角波电流信号，所述三角波电流信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

2.一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，其特征在于，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的电流数模转换器、模数转换器；所述电流数模转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器控制所述电流数模转换器输出正负周期对称的三角波电流信号，所述三角波电流信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

3.一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，其特征在于，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的积分器、模数转换器；所述积分器连接电压电流转换器，所述电压电流转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器输出互为反相、占空比为50％的两路方波电压信号，所述两路方波电压信号经过所述积分器转换成两路三角波电压信号，所述两路三角波电压信号再经过所述电压电流转换器合并成差动三角波电流信号，所述三角波电流信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。

4.根据权利要求3所述的一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，其特征在于，所述微控制器的第一通用口线和第二通用口线输出互为反相、占空比为50％的两路方波电压信号。

5.根据权利要求3所述的一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，其特征在于，所述积分器由第一电阻、第二电阻和电容组成。

6.一种三角波激励的惠斯通电桥测量电路，包括：微控制器，其特征在于，所述惠斯通电桥测量电路还包括：与所述微控制器连接的数模转换器、模数转换器，所述数模转换器和所述模数转换器之间还设置有放大器；

所述微控制器控制所述数模转换器输出正负周期对称的三角波电压信号，所述三角波电压信号激励惠斯通电桥；

将所述惠斯通电桥的电压输出信号经由所述放大器放大后输入到所述模数转换器，所述模数转换器将转换结果输入到所述微控制器；

所述微控制器将三角波的正、负半周期各自数据的累加和相减得到的结果即正比于惠斯通电桥的输出。