CN106370212A - 基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法 - Google Patents

Abstract

一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法，包括:共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器、电阻采样电路及地线电流采样电路，其中二维阻性传感单元阵列中的阻性传感单元按照M×N的二维结构分布，扫描控制器控制行多路选择器与列多路选择器完成阵列中任一待测阻性传感单元的单个选定。在常规零电势法二维阻性传感阵列读出电路的基础上增加额外的一个地线电流采样电路，包括一个运算放大器和一个电阻。在地线电流采样电路与被测阻性传感单元测量方法的共同作用下，可以有效减小二维阻性传感单元阵列中其它阻性传感单元、行与列多路选择器的内阻对当前被测阻性传感单元测量的干扰。

Description

基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法

技术领域

本发明涉及一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法，属于电路技术领域。

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阻性传感器单独选定引入的多路选择器也对检测精度带来不确定性；将扫描控制器与电阻采样电路和多路选择器结合，虽然可以实现待测阻性传感器的单个选定，仅仅是理想状态下的与阵列中其他阻性传感器的虚拟隔离，但如果想屏蔽掉待测阻性传感器所在公共行线与列线的多路选择器内阻以及其他相邻阻性传感器引起的干扰，就需要在阵列的每一行都设置扫描控制器与电阻采样电路，因此仅仅在扫描控制器与电阻采样电路的控制下，阻性传感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，专利CN201410183065.4公开了一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，实现对有故障或有变化的器件的快速检测，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电阻与行多路选择器的内阻的干扰，提高了阻性阵列的检测精度。但是，它并没有屏蔽列多路选择器内阻以及被测电阻所在列线上相邻电阻对测量结果的干扰，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和行、列多路选择器内阻的隔离。

发明内容

针对阻性传感阵列检测的需要，本发明提出一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法，本电路可以对有故障或有变化的器件实现快速检测，且可以有效减少当前被测阻性传感单元所在阵列的其余阻性传感单元和行、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。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器及电阻采样电路，所述二维阻性传感单元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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器的y_ri端相连接，阻性传感单元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b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_I相连，所述扫描控制器输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器，所述列控制信号控制列多路选择器，所述读出电路还包括地线电流采样电路，地线电流采样电路的采样端至少与所述行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口和所述列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口中的一组未选端口连接，并且，所述地线电流采样电路产生一电流，使得地线电流采样电路的采样端与未选端口的连接节点的电势V_zp为零。

本发明所述的一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出方法，取二维阻性传感单元阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器及电阻采样电路，所述二维阻性传感单元阵列采用共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列，所述二维阻性传感单元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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij且i＝1…M,j＝1…N表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器的y_ri端相连接，阻性传感单元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b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_I相连，所述扫描控制器输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器，所述列控制信号控制列多路选择器，然后将电阻采样电路中运算放大器的同相输入端接地，利用电阻采样电路的运算放大器中电流I_L获取流过被测阻性传感单元所在的行多路选择器的行线电流；再至少在所述行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口和所述列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口中的一组未选端口上连接地线电流采样电路且与所述地线电流采样电路的采样端，地线电流采样电路包括运算放大器，将地线电流采样电路中的运算放大器的同相输入端接地，利用地线电流采样电路的运算放大器中电流I_CG获得误差电流，最后通过常规计算获得当前被测阻性传感单元的准确测量值。

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y_ri端与a_ri端或是与b_ri端相连；列控制信号控制列多路选择器的x_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连。二维阻性传感单元阵列中的阻性传感单元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。当待测阻性传感单元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x_cj端与a_cj端相连，a_cj端与测试电压V_I相连，测试电压V_I是已知的精确值，而其他列与地线电流采样电路的零电势点V_zp相连，行控制信号控制行多路选择器第i行的y_ri端与b_ri端相连，b_ri端与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，输入端电压表示为V_re，而其他行与地线电流采样电路的零电势点V_zp相连，此时待测阻性传感单元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当前被测阻性传感单元R_ij后经由行多路选择器输入到电阻采样电路的放大器反相输入端，当前被测阻性传感单元R_ij所在行线(第i行)上的电压表示为V_ri，所在列线(第j列)上的电压表示为V_cj，而除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元与地线电流采样电路的零电势点V_zp连接，由于阻性传感单元阵列共用行、列线，测试电压V_I也经由除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元而流入地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端，此时，当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)更准确的测量值采用如下测量方法求得：

步骤1，根据基本的反馈放大电路原理，得到当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)的所在行线(第i行)上的电压V_ri＝-V_Lij/R_L×R_r；

步骤2，在加入地线电流采样电路后，可以得到流过当前被测量列(第j列)多路选择器上的电流I_in＝I_CG+I_L，从而得到当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)所在列线(第j列)上的电压V_cj＝V_I+I_in×R_c；

步骤3，进而求得当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)的精确电压V_ri-V_cj；

步骤4，根据基本反馈放大电路原理，可以计算得到当前被测阻性传感单元更准确的测量值：R_ij＝(V_ri-V_cj)/V_Lij×R_L＝-(V_I+(V_CG/R_CG+V_Lij/R_L)×R_c+V_Lij/R_L×R_r)/V_Lij×R_L(i＝1…M,j＝1…N)。

这样可以减小二维阻性传感单元阵列中除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性单元、行多路选择器与列多路选择器的内阻对当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)测量的干扰。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明公开的基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的方法及电路，是针对阻性传感单元阵列的检测需要，在不提高阻性传感单元阵列互连复杂性的基础上，以改进零电势法为关键技术，在地线电流采样电路与被测阻性传感单元测量方法的共同作用下，可以准确得到流过被测阻性传感单元所在列多路选择器的电流I_in和流过被测阻性传感单元所在行多路选择器的电流I_L，从而排除当前被测阻性传感单元所在行、列的多路选择器的通道内阻的电压，准确得到当前被测阻性传感单元两端的电压，而一般零电势法电路中，流过被测阻性传感单元所在列多路选择器的电流I_in忽略了流到地线的一部分电流，就是地线电流采样电路所采集到的电流I_CG，这就不能准确得到当前被测阻性传感单元两端的电压，因此，在引入地线电流采样电路后，可以有效减少二维阻性传感单元阵列中除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元、行多路选择器与列多路选择器的内阻对被测当前被测阻性传感单元测量的干扰，提高了阻性单元阵列的检测精度，不仅可以实现对待测单元的单个选定，而且可以有效减少当前被测阻性传感单元所在行、列线上多路选择器的内阻和除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性单元的干扰，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)采用一个运算放大器与一个电阻构成地线电流采样电路，仅需多使用一个运算放大器与一个电阻就可以减少当前被测阻性传感单元所在行、列多路选择器内阻和除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元的干扰，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。

(4)采用共用行线与列线的二维阻性传感单元阵列，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阻性传感单元都有唯一的行与列组合的访问方式。

(5)加入地线电流采样电路后，可以精确得到地线采样电流I_CG，再结合电阻采样电路的电流I_L，进而得到流入整个二维阻性传感单元阵列中的电流值I_in＝I_CG+I_L，根据电流值可以计算得到整个二维阻性传感单元阵列的功耗。

(6)基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法，同样适用于低成本的单极性电源场合。

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阻性传感单元阵列示意图；

图2是本发明的基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的方法及电路示意图；

图3是检测待测阻性传感单元时阻性传感单元阵列的区域划分示意图；

图4是引入地线电流采样电路前阻性传感单元阵列检测的电路示意图；

图5是引入地线电流采样电路后阻性传感单元阵列检测的电路示意图；

图6是引入地线电流采样电路后单独接行多路选择器的阻性阵列检测的一个电路示意图；

图7是引入地线电流采样电路后单独接行多路选择器的阻性阵列检测的另一个电路示意图；

图8是引入地线电流采样电路后单独接列多路选择器的阻性阵列检测的一个电路示意图；

图9是引入地线电流采样电路后单独接列多路选择器的阻性阵列检测的另一个电路示意图；

图10是运用单极性电源作用于本发明的检测电路示意图；

图11是改进零电势结构与一般零电势结构的多路选择器内阻变化对被测阻性单元的误差影响。

具体实施方式

实施例1

一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列1、行多路选择器2及列多路选择器3、扫描控制器4及电阻采样电路5，所述二维阻性传感单元阵列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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器2的y_ri端相连接，阻性传感单元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b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路5中运算放大器的反相输入端相连，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，所述扫描控制器4输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器2，所述列控制信号控制列多路选择器3，所述读出电路还包括地线电流采样电路6，地线电流采样电路6的采样端至少与所述行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口和所述列多路选择器3的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口中的一组未选端口连接，并且，所述地线电流采样电路6产生一电流，使得地线电流采样电路6的采样端与未选端口的连接节点的电势V_zp为零。所述至少与行、列多路选择器的未选端口中的一组未选端口连接可以是以下三例子中的任意一个：例1，参照图6，地线电流采样电路6的采样端与行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口连接；例2，参照图8，地线电流采样电路6的采样端与列多路选择器3的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口连接；例3，参照图5，地线电流采样电路6的采样端同时与行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口、列多路选择器3的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口连接。

在本实施例中，所述地线电流采样电路6包括一个运算放大器和一个电阻R_CG，电阻R_CG值为100欧姆，所述电阻R_CG的一端与运算放大器的反相输入端相连且作为地线电流采样电路6的采样端，电阻R_CG的另一端接所述运算放大器的输出端相连且作为地线电流采样电路6的输出端。

参照图5、图6和图8，上述例1、例2和例3的区别在于：由于地线电流采样电路连接的区别，导致阻性传感单元在选中测量时的电流回路存在一定的差别，以R₁₁做待测阻性传感单元为例，测试电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于待测阻性传感单元R₁₁后经由行多路选择器的选定通道输入到电阻采样电路，而在例1的图6中，测试电压V_I也作用于待测阻性传感单元R₁₁所在列的其它阻性传感单元后经行多路选择器的未选定通道输入到地线电流采样电路，这部分电流影响比较大，对测量精度影响较大，在例2的图8中，测试电压V_I也作用于待测阻性传感单元R₁₁所在行的其它阻性传感单元后经由列多路选择器的未选定通道输入到地线电流采样电路，由于测试电压V_I作用的阻性传感单元较多，这部分电流值相对较小，对测量精度影响相对较小，在例3的图5中，就包含了例1和例2中的电流情况，而且把这两部分电流值结合在一起表示出来，更加的精确，使测量结果更加精确。综上所述，例3中图5的地线电流最大，例1中图6的地线电流次之，例2中图8的地线电流最小。

在引入地线电流采样电路前，参照图4，图4中测量精度的误差来源于主要是通过各个多路开关的准确电流值未知，其通道内阻的电压就不知道，因而无法得到被测阻性传感单元的精确电压，从而影响了测量精度。在本设计的三个实例中，通过前述可知，都能够得到被测阻性传感单元的精确电压，从而都能计算得到被测单元的精确阻值，减少了测量误差。

实施例2

一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出方法，取二维阻性传感单元阵列、行多路选择器2及列多路选择器3、扫描控制器4及电阻采样电路5，所述二维阻性传感单元阵列采用共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列1，所述二维阻性传感单元阵列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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij且i＝1…M,j＝1…N表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器2的y_ri端相连接，阻性传感单元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b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路5中运算放大器的反相输入端相连，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，所述扫描控制器4输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器2，所述列控制信号控制列多路选择器3，将电阻采样电路5中运算放大器的同相输入端接地，利用电阻采样电路5的运算放大器中电流I_L获取流过被测阻性传感单元所在的行多路选择器的行线电流；再至少在所述行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口和所述列多路选择器3的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口中的一组未选端口上连接地线电流采样电路6且与所述地线电流采样电路6的采样端，地线电流采样电路6包括运算放大器，将地线电流采样电路6中的运算放大器的同相输入端接地，利用地线电流采样电路6的运算放大器中电流I_CG获得误差电流，最后通过常规计算获得当前被测阻性传感单元的准确测量值。

下面参照附图，对本实施例做出更为详细的说明：

基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的方法及电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列1、行多路选择器2及列多路选择器3、扫描控制器4、电阻采样电路5及地线电流采样电路6。所述二维阻性传感单元阵列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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，阵列分布一般N>M，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器2的y_ri端相连接，阻性传感单元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端口与地线电流采样电路6中运算放大器的反相输入端相连，行多路选择器2的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路5中运算放大器的反相输入端相连，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，所述地线电流采样电路6包括一个运算放大器和一个电阻R_CG，电阻R_CG选用100欧姆的值，运算放大器采用型号为OPA340，所述电阻R_CG的一端与运算放大器的反相输入端相连且作为地线电流采样电路的采样端，电阻R_CG的另一端接所述运算放大器的输出端相连且作为地线电流采样电路的输出端，地线电流采样电路的采样端作为改进的零电势点，用电势V_zp表示。

其中，二维阻性传感单元阵列1共用行线与列线，即用两组正交的线路作为行线和列线，阵列中的阻性传感单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，阵列中的每个阻性传感单元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阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij(i＝1…M,j＝1…N)表示。

为了对阵列中的待测阻性传感单元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端与阻性传感单元R_ij的一端连接，行多路选择器2的a_r1、a_r2、…、a_rM端口与地线电流采样电路6中运算放大器的反相输入端的等效零电势点V_zp相连，行多路选择器2的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路5中运算放大器的反相输入端相连；列多路选择器3的x_cj端与阻性传感单元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端口与地线采样电路6的零电势点V_zp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y_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x_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阻性传感单元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阻性传感单元。

二维阻性传感单元阵列1中的阻性传感单元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。当阻性传感单元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x_cj端与a_cj端相连，a_cj端与测试电压V_I相连，而其他列与地线电流采样电路的零电势点V_zp相连，行控制信号控制行多路选择器2的第i行的y_ri端与b_ri端相连，b_ri端与电阻采样电路5中运算放大器的反相输入端相连，输入电压为V_re，而其他行与地线电流采样电路的零电势点V_zp相连，此时待测阻性传感单元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阻性传感单元所在阵列的其它阻性传感单元的干扰以及多路选择器的内阻干扰，为了满足更高精度的测量需要，将运算放大器与电阻相结合，组成地线电流采样电路6，测试电压V_I经过列多路选择器3的选定通道作用于当前被测的阻性传感单元R_ij后经由行多路选择器2输入到电阻采样电路5中运算放大器反相输入端，当前被测阻性传感单元R_ij所在行线(第i行)上的电压表示为V_ri，所在列线(第j列)上的电压表示为V_cj，而除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元与地线电流采样电路6连接，由于阻性传感单元阵列共用行、列线，测试电压V_I也经由除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元而流入地线电流采样电路6中运算放大器的反相输入端，此时，当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)更准确的测量值采用如下测量方法求得：

步骤1，根据基本的反馈放大电路原理，得到当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)的所在行线(第i行)上的电压V_ri＝-V_Lij/R_L×R_r；

步骤2，在加入地线电流采样电路后，可以得到流过当前被测量列(第j列)多路选择器上的电流I_in＝I_CG+I_L，从而得到当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)所在列线(第j列)上的电压V_cj＝V_I+I_in×R_c；

步骤3，进而求得当前被测阻性传感单元R_ij(i＝1…M,j＝1…N)的精确电压V_ri-V_cj；

步骤4，根据基本反馈放大电路原理，可以计算得到当前被测阻性传感单元更准确的测量值：R_ij＝(V_ri-V_cj)/V_Lij×R_L＝-(V_I+(V_CG/R_CG+V_Lij/R_L)×R_c+V_Lij/R_L×R_r)/V_Lij×R_L(i＝1…M,j＝1…N)。

这样可以减小二维阻性传感单元阵列中除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性单元、行多路选择器2与列多路选择器3的内阻对当前被测阻性传感单元R_ij测量的干扰。对共用行线与列线的二维阻性传感单元阵列中的待测阻性传感单元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阻性传感单元阵列，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，该二维阻性传感单元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，阵列中的阻性传感单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，阵列中的每个阻性传感单元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阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij表示，其中i＝1、2、…、M，j＝1、2、…、N，阵列分布一般N>M。

图2为本发明的基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的方法及电路示意图，图中以R₁₁做当前被测阻性传感单元为例，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阻性传感单元时阻性传感阵列的区域划分示意图。该图以R₁₁做当前被测阻性传感单元为例，当前被测阻性传感单元R₁₁的一端y_r1与行多路选择器的b_r1端相连，另一端x_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。通过当前被测阻性传感单元R₁₁将二维阻性传感单元阵列分为2个区域：

1)I区：当前被测阻性传感单元R₁₁，此时当前被测阻性传感单元所在行1的y_r1端与b_r1端相连，当前被测阻性传感单元所在第1行线上的电压值为V_r1，当前被测阻性传感单元所在第1列线上的电压值为V_c1，当前被测阻性传感单元所在列1的x_c1端与a_c1端相连，a_c1端的电压值为V_I，此时阻性传感单元R₁₁被选定；

2)II区：除当前被测阻性传感单元R₁₁外的其它阻性传感单元，共(M×N-1)个单元，由于二维阻性传感单元阵列共用行线和列线，该(M×N-1)个非被测的阻性传感单元的行端与b_r1相连或列端与b_cj相连，这些非被测的阻性传感单元与地线电流采样电路相连接构成回路；

现以R₁₁做当前被测阻性传感单元为例，图4表示了引入地线电流采样电路前阻性阵列检测的电路示意图。由图4可知，在未引入地线电流采样电路前，测试电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于当前被测阻性传感单元R₁₁后经由行多路选择器输入到电阻采样电路中运算放大器的反相输入端，同时，V_I还经过列1的其它待测阻性传感单元与行多路选择器以及行1的其它待测阻性传感单元与列多路选择器，此时，测试电压V_I不完全等于当前被测阻性传感单元R₁₁两端的电压，行、列多路选择器的内阻以及其它待测阻性传感单元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电阻采样电路对阻性传感阵列进行扫描，当对当前被测阻性传感单元进行测量时，当前被测阻性传感单元所在行、列的多路选择器以及其它待测阻性传感单元内会有电流通过，因而当前被测阻性传感单元的测量结果会受到这些多路选择器的内阻和它待测阻性传感单元的干扰，影响测量结果的准确性。

图5表示了引入地线电流采样电路后阻性阵列检测的电路示意图。图5仍以R₁₁做当前被测阻性传感单元为例，结合图4没有引入地线电流采样电路前的电路，单独把行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM端口与地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端相连，它的电路示意图如图6和图7所示；单独把列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端相连，它的电路示意图如图8和图9所示。

由图6和图7可知，单独把行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM端口与地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端相连，仍以R₁₁做当前被测阻性传感单元为例，当待测阻性传感单元R₁₁被选定，其处于阵列第1行第1列，列控制信号控制列多路选择器第1列的x_c1端与a_c1端相连，a_c1端与测试电压V_I相连，行控制信号控制行多路选择器第1行的y_r1端与b_r1端相连，b_r1端与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，而其他行与地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端相连，此时待测阻性传感单元R₁₁被选定。当待测阻性传感单元R₁₁被选定时，测试电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于当前被测阻性传感单元R₁₁后经由行多路选择器的选定通道输入到电阻采样电路，同时，测试电压V_I也作用于当前被测阻性传感单元R₁₁所在列的其它阻性传感单元后经由行多路选择器的选定通道输入到地线电流采样电路。此时，经过列多路选择器x_c1的电流I_in包括上述2部分的电流值，由于行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM端口接入到地线电流采样电路，可以得到经过行多路选择器的电流I_CG，于是可以得到经过列多路选择器x_c1的电流I_in精确值，结合多路选择器的内阻，从而排除行、列多路选择器两端的电压，得到当前被测阻性传感单元R₁₁两端更精确的电压，这样有效减小行、列多路选择器内阻以及其它待测阻性传感单元对测量结果的干扰。

由图8和图9可知，单独把列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端相连，仍以R₁₁做当前被测阻性传感单元为例，当待测阻性传感单元R₁₁被选定，其处于阵列第1行第1列，列控制信号控制列多路选择器第1列的x_c1端与a_c1端相连，a_c1端与测试电压V_I相连，而其他列与地线电流采样电路相连，行控制信号控制行多路选择器第1行的y_r1端与b_r1端相连，b_r1端与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，此时待测阻性传感单元R₁₁被选定。当待测阻性传感单元R₁₁被选定时，测试电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于当前被测阻性传感单元R₁₁后经由行多路选择器的选定通道输入到电阻采样电路，同时，测试电压V_I还作用于当前被测阻性传感单元R₁₁所在列的待测阻性传感单元后经由列多路选择器的选定通道输入到地线电流采样电路。此时，经过列多路选择器x_c1的电流I_in包括上述2部分的电流值，由于列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口接入到地线电流采样电路，可以得到经过列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口的电流I_CG，于是可以得到经过列多路选择器x_c1的电流I_in精确值，结合多路选择器的内阻，从而排除行、列多路选择器两端的电压，得到当前被测阻性传感单元R₁₁两端更精确的电压，这样有效减小行、列多路选择器内阻以及经过其它待测阻性传感单元对测量结果的干扰。

因此，在引入地线电流采样电路后，将行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM端口和列多路选择器(3)的b_c1、b_c2、…、b_cN端口都连接到地线电流采样电路上，可准确的得到当前被测阻性传感单元两端的电压值，从而有效减小行、列多路选择器内阻以及其它待测阻性传感单元对当前被测阻性传感单元测量结果的影响。

最终，在对当前被测阻性传感单元的测量过程中，当待测阻性传感单元R_ij被选中，恒定测试电压V_I被加载到该当前被测阻性传感单元R_ij一端，通过电压V_CG、V_Lij、采样电阻R_CG、R_L以及行多路选择器内阻R_r和列多路选择器内阻R_c的值求解出当前被测阻性传感单元R_ij的有效值。

图10表示运用单极性电源作用于本发明的检测电路示意图。由图10可知，本发明公开的基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的方法及电路，同样适用于单极性电源场合，包括低成本的单极性电源、低成本的单极性运算放大器和低成本的单极性模拟数字转换器。图中电阻采样电路和地线电流采样电路中运算放大器的同相输入端共同接一个小的正测试电压V_set(如+0.5V)，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口直接接地线。而在图5中，测试电压V_I采用的是负电压值，并且与列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口连接，电阻采样电路和地线电流采样电路中运算放大器的同相输入端则直接接地线，这样就需要运用双极性的电源，双极性运算放大器和双极性模拟数字转换器，成本相对较高。

下面，为了进一步测试阻性传感单元阵列在引入地线电流采样电路后具有比一般零电势结构更优越的性能，我们针对位于当前被测阻性传感单元所在行、列的多路选择器内阻的阻值变化对当前被测阻性传感单元R_ij的误差影响做了仿真，其分析结果如下。

基于NI Multisim 12的多路选择器内阻对被测电阻影响仿真

阻性传感单元阵列中的所有元素都会影响待测阻性传感单元的测量误差，其中，待测阻性传感单元所在行列的多路选择器内阻会对测量结果产生较大影响。我们基于NIMultisim 12仿真软件，针对阵列中加入地线电流采样电路后的改进零电势结构与未加地线电流采样电路前的一般零电势结构两种不同的电路，分析了由于行和列多路选择器内阻的变化对待测阻性传感单元测量值产生的影响。在本例中，已修正电阻值的非扫描器件和所有其他器件的阻值为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，R_CG和R_L的阻值是1kΩ，阻性传感阵列中的待测阻性传感单元均在0.1kΩ-100kΩ的范围内变化，则基于NI Multisim 12仿真软件，基于一般零电势结构的行、列多路选择器内阻对当前被测阻性传感单元R_ij的误差影响和基于改进零电势结构的行、列多路选择器内阻对当前被测阻性传感单元R_ij的误差影响如图11所示，图11中ZPC表示一般零电势结构，IZPC表示改进零电势结构，R_sr表示行多路选择器内阻，R_sc表示列多路选择器内阻。

从图11中可以看出，关于改进零电势结构的当前被测阻性传感单元R_ij的误差均显著低于相应的一般零电势结构的当前被测阻性传感单元R_ij的误差；而且当行、列多路选择器内阻发生变化时，改进零电势结构中的当前被测阻性传感单元R_ij误差变化明显小于一般零电势结构中当前被测阻性传感单元R_ij的误差变化。

综上可见，在减少由于位于待测阻性传感单元所在二维阻性传感单元阵列中行多路选择器、列多路选择器的内阻和除被测单元以外的其它阻性传感单元对当前被测阻性传感单元R_ij的误差干扰，改进零电势结构具有比一般零电势结构更好的性能。在地线电流采样电路与被测阻性传感单元测量方法的共同作用下，可以有效减小行多路选择器、列多路选择器的内阻和除被测阻性单元外的其它阻性传感单元对当前被测阻性传感单元测量的干扰，提高了其测量精度。

Claims (3)

1.一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列(1)、行多路选择器(2)及列多路选择器(3)、扫描控制器(4)及电阻采样电路(5)，所述二维阻性传感单元阵列(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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器(2)的y_ri端相连接，阻性传感单元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b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路(5)中运算放大器的反相输入端相连，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，所述扫描控制器(4)输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器(2)，所述列控制信号控制列多路选择器(3)，其特征在于，所述读出电路还包括地线电流采样电路(6)，地线电流采样电路(6)的采样端至少与所述行多路选择器(2)的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口和所述列多路选择器(3)的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口中的一组未选端口连接，并且，所述地线电流采样电路(6)产生一电流，使得地线电流采样电路(6)的采样端与未选端口的连接节点的电势V_zp为零。

2.根据权利要求书1所述的基于零电势法的二维阻性传感阵列读出电路，其特征在于，所述地线电流采样电路(6)包括一个运算放大器和一个电阻R_CG，所述电阻R_CG的一端与运算放大器的反相输入端相连且作为地线电流采样电路(6)的采样端，电阻R_CG的另一端接所述运算放大器的输出端相连且作为地线电流采样电路(6)的输出端。

3.一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出方法，取二维阻性传感单元阵列、行多路选择器(2)及列多路选择器(3)、扫描控制器(4)及电阻采样电路(5)，所述二维阻性传感单元阵列采用共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列(1)，所述二维阻性传感单元阵列(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的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元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列的阻性传感单元用R_ij且i＝1…M,j＝1…N表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R_ij的一端与行多路选择器(2)的y_ri端相连接，阻性传感单元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b_r1、b_r2、…、b_rM端口与电阻采样电路(5)中运算放大器的反相输入端相连，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，所述扫描控制器(4)输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器(2)，所述列控制信号控制列多路选择器(3)，其特征在于，将电阻采样电路(5)中运算放大器的同相输入端接地，利用电阻采样电路(5)的运算放大器中电流I_L获取流过被测阻性传感单元所在的行多路选择器的行线电流；再至少在所述行多路选择器(2)的a_r1、a_r2、…、a_rM未选端口和所述列多路选择器(3)的b_c1、b_c2、…、b_cN未选端口中的一组未选端口上连接地线电流采样电路(6)且与所述地线电流采样电路(6)的采样端，地线电流采样电路(6)包括运算放大器，将地线电流采样电路(6)中的运算放大器的同相输入端接地，利用地线电流采样电路(6)的运算放大器中电流I_CG获得误差电流，最后通过常规计算获得当前被测阻性传感单元的准确测量值。