CN106500847B

CN106500847B - 一种二维阻性传感阵列的快速测量电路

Info

Publication number: CN106500847B
Application number: CN201610855068.7A
Authority: CN
Inventors: 吴剑锋; 何赏赏; 王愚; 杨坚; 王�琦; 汪峰; 李建清
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2019-03-12
Anticipated expiration: 2036-09-26
Also published as: CN106500847A

Abstract

一种二维阻性传感阵列的快速测量电路，包括共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列、列多路选择器及扫描控制器，二维阻性传感单元阵列中的各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，阻性传感单元R_ij的一端与列多路选择器的y_cj端相连接，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_in相连，扫描控制器输出扫描控制信号控制列多路选择器，快速测量电路还包括M行电阻采样电路实现对二维阻性传感阵列中M个阻性传感单元的一次性测量，M行电阻采样电路包括M个电阻采样电路，对应二维阻性传感单元阵列的M行，电阻采样电路包括一个运算放大器Amp_i和一个电阻R_Li。本发明能实现快速检测。

Description

一种二维阻性传感阵列的快速测量电路

技术领域

本发明涉及一种二维阻性传感阵列的快速测量电路，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，本发明提出一种二维阻性传感阵列的快速测量电路，本发明可以对有故障或有变化的器件快速检测，还可以有效隔离待测阻性传感单元所在列的列多路选择器内阻和未选中阻性传感单元对检测结果的影响，使得测量误差大大降低。

本发明采用如下技术方案：

一种二维阻性传感阵列的快速测量电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列、列多路选择器及扫描控制器，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的一端与列多路选择器的y_cj端相连接，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_in相连，扫描控制器输出扫描控制信号控制列多路选择器，所述快速测量电路还包括M行电阻采样电路实现对二维阻性传感阵列中M个阻性传感单元的一次性测量，所述M行电阻采样电路包括M个电阻采样电路，分别对应二维阻性传感单元阵列的M行，位于第i行且i＝1…M的电阻采样电路包括一个运算放大器Amp_i和一个电阻R_Li，所述运算放大器Amp_i的同相输入端与列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口连接，所述运算放大器Amp_i的反相输入端作为第i行电阻采样电路的输入端且与二维阻性传感单元阵列的第i条行线相连；所述电阻R_Li一端与所述运算放大器Amp_i的反相输入端连接，另一端与所述运算放大器Amp_i的输出端相连且作为M行电阻采样电路的第i个输出端，输出电压表示为V_Lij且i＝1…M,j＝1…N。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本电路可以对有故障或有变化的器件快速检测，且可以有效隔离待测阻性传感单元所在列的列多路选择器内阻和未选中阻性传感单元对检测结果的影响，使得测量误差大大降低。

(1)本发明采用了M行电阻采样电路，其中包括了M个电阻采样电路，可以对选定列的M个阻性传感单元一次性完成测量，由于M个电阻采样电路分别与二维阻性传感单元阵列的M根行线相连，当某列所有M个阻性传感单元被选中扫描时，M个电阻采样电路可采集到M个输出电压值，再结合M个采样电阻、测试电压V_in、列多路选择器内阻R_sc、地线电流I_CG可以计算得到被测阻性传感单元列所在列线上的电压，通过放大器的基本原理可以一次性测量得到阻性传感阵列被选列中的所有M个阻性传感单元的准确阻值，进而逐一选定剩余待测列并完成该选定列M个阻性传感单元的测量，最终完成阵列中所有待测单元的测量，并最终提高测量速度。

(2)本发明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M个被测阻性传感单元上的电流I_Li(i＝1…M)，从而排除当前被测阻性传感单元所在列的多路选择器的通道内阻上电压的干扰，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，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列选定，而且可以有效减少当前被测阻性传感单元所在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。

(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)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，再结合由M个电阻采样电路的的电流I_L1、I_L2、…、I_LM，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+ΣI_Li(i＝1…M)，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。

(5)本发明公开的基于零电势法测量二维阻性传感阵列的快速方法及电路同样适用于低成本的单极性电源场合。

(6)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。

(7)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。

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是本发明的基于改进零电势法的二维阻性传感阵列读出电路示意图；

图3是检测被测阻性传感单元列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单独接M行电阻采样电路的阻性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M行电阻采样电路的阻性阵列检测的另一个电路示意图；

图7是将地线电流采样电路输入改为恒值电压后适用于单极性电源场合的阻性阵列检测的电路示意图；

具体实施方式

一种二维阻性传感阵列的快速测量电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列1、列多路选择器2及扫描控制器3，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的一端与列多路选择器2的y_cj端相连接，列多路选择器2的a_c1、a_c2、…、a_cN端口与测试电压V_in相连，扫描控制器3输出扫描控制信号控制列多路选择器2，其特征在于，所述快速测量电路还包括M行电阻采样电路4实现对二维阻性传感阵列中M个阻性传感单元的一次性测量，所述M行电阻采样电路4包括M个电阻采样电路，分别对应二维阻性传感单元阵列1的M行，位于第i行且i＝1…M的电阻采样电路包括一个运算放大器Amp_i和一个电阻R_Li，所述运算放大器Amp_i的同相输入端与列多路选择器2的b_c1、b_c2、…、b_cN端口连接，所述运算放大器Amp_i的反相输入端作为第i行电阻采样电路的输入端且与二维阻性传感单元阵列1的第i条行线相连；所述电阻R_Li一端与所述运算放大器Amp_i的反相输入端连接，另一端与所述运算放大器Amp_i的输出端相连且作为M行电阻采样电路4的第i个输出端，输出电压表示为V_Lij且i＝1…M,j＝1…N。电阻R_Li取值范围受运算放大器输出电压的范围、阻性传感单元的阻值范围等条件约束,假设运算放大器输出电压的范围为(V_opmin,V_opmax)，二维阻性阵列中阻性传感单元的阻值范围为(R_min,R_max)，测试电压为V_in，则所述电阻R_Li取值范围为((V_opmin·R_min+R_sc·M·V_opmin)/V_in,(V_opmax·R_max+R_sc·M·V_opmax)/V_in)。

本发明进一步采取以下技术措施，以使本发明能够有效隔离待测阻性传感单元所在列的列多路选择器内阻和未选中阻性传感单元对检测结果的影响，使得测量误差大大降低：

所述快速测量电路包括地线电流采样电路5，所述地线电流采样电路5包括一个运算放大器Amp_ZP和一个电阻R_CG，所述运算放大器Amp_ZP的同相输入端作为地线电流采样电路5的输入端，运算放大器Amp_ZP的反相输入端与所述M个运算放大器Amp_i的同相输入端连接并与列多路选择器(2)的b_c1、b_c2、…、b_cN端口连接，电阻R_CG的一端与所述运算放大器Amp_ZP的反相输入端连接，电阻R_CG的另一端与所述运算放大器Amp_ZP的输出端相连且作为地线电流采样电路5的输出端，输出电压表示为V_CG，所述运算放大器Amp_ZP的同相输入端直接接地线，以使所述运算放大器Amp_ZP的反相输入端成为零电势点V_ZP，使地线电流采样电路5实现对二维阻性传感阵列中阻性传感单元的功耗测量。其中，由于地线电流采样电路5中的电流较小，假设运算放大器Amp_ZP的输出饱和电压为V_opmax，地线采样电流I_CG的范围为(I_CGmin,I_CGmax)，R_CG的取值范围可为(V_opmax/I_CGmax,V_opmax/I_CGmin)。

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列多路选择器2的y_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连。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。当被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)即第j列被选定，列控制信号控制列多路选择器2第j列的y_cj端与a_cj端相连，a_cj端与测试电压V_in相连，测试电压V_in是已知的精确值，而其他列与地线电流采样电路5的零电势点相连，此时被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)被选定。测试电压V_in经过列多路选择器2的选定通道分别作用于当前被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)后输入到对应行的电阻采样电路的运算放大器的反相输入端，当前被测阻性传感单元列所在列线(第j列)上的电压表示为V_cj，所在行线上的电压分别表示为V_r1、V_r2、…、V_rM，由运算放大器的基本原理即可求得被测列阻性传感单元的测量值。而除当前被测阻性传感单元列以外的其它阻性传感单元所在的列线均与地线电流采样电路5的零电势点相连，行线端与对应行的电阻采样电路的运算放大器的反相输入端相连，而对应行的电阻采样电路的运算放大器的同相输入端均与地线电流采样电路5的零电势点相连，由运算放大器的基本原理，除被测阻性传感单元列以外的阻性传感单元均被有效隔离。此时，当前被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)的精确测量值采用如下测量方法求得：

步骤1，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+ΣI_Li＝V_CG/R_CG+Σ(V_Lij/R_Li)(i＝1…M)，从而得到当前被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)所在列线(第j列)上的电压V_cj＝V_in+I_in×R_sc；

步骤2，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列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)的表达式为R_ij＝-V_cj/V_Lij×R_Li(i＝1…M)；

步骤3，计算得到当前被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)的精确测量值为：R_ij＝-(V_in+I_in×R_sc)/V_Lij×R_Li＝-(V_in+(I_CG+ΣI_Li)×R_sc)/V_Lij×R_Li＝-(V_in+(V_CG/R_CG+Σ(V_Lij/R_Li))×R_sc)/V_Lij×R_Li(i＝1…M)。

这样可以基本排除二维阻性传感单元阵列中除当前被测阻性传感单元列以外的其它阻性单元与列多路选择器的内阻对当前被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)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列选定检测时，保证了较高的测量精度。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M×N。在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…M，j＝1…N，阵列分布一般N>M。

图2为本发明的基于改进零电势法的二维阻性传感阵列读出电路示意图，图中将第1列作为当前被测阻性传感单元列，扫描控制器输出控制信号，控制列多路选择器的通道分别与不同的端口相连，其中，列多路选择器的y_c1端与列多路选择器的a_c1端相连，y_cj端与列多路选择器的b_cj端相连(j＝2…N)。

图3为本发明的检测被测阻性传感单元列时阻性传感单元阵列的区域划分示意图。该图将第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1作为被测阻性传感单元列，当前被测阻性传感单元列的y_c1端与列多路选择器的a_c1端相连，另一端分别与对应行电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，此时第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1被选中，进行单列扫描。通过当前被测阻性传感单元列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列的阻性传感单元为R₁₁、R₂₁、…、R_M1，该列的y_c1端与a_c1端相连，所在第1列线上的电压值为V_c1，R_i1所在的M条行线分别连接至对应行的电阻采样电路的运算放大器的反相输入端，此时第1列阻性传感单元被选定。

2)II区：除当前被测阻性传感单元列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列端与b_cj端相连，b_cj端与地线电流采样电路的零电势点连接，行端与对应行的电阻采样电路的运算放大器的反相输入端相连，且其同相输入端也与地线电流采样电路的零电势点连接，因此非被测阻性敏感单元列被有效隔离。

图4表示了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。以第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1作为当前被测阻性传感单元列为例，由图4可知，在未引入地线电流采样电路前，测试电压V_in经过列多路选择器的选定通道分别作用于当前被测阻性传感单元列后输入到对应行的电阻采样电路的运算放大器的反相输入端，同时V_in还经列1的M个待测阻性传感单元对应的行线通过其余列的阻性传感单元与列多路选择器，因此理论电压V_c1不完全等于当前被测阻性传感单元列所在列线上的电压，列多路选择器的内阻以及其余非被测阻性传感单元对测量结果造成干扰。因此，在仅加入M个运算放大电路构成的一般电阻采样电路对阻性传感单元阵列进行扫描，对当前被测阻性传感单元列进行测量时，流经当前被测阻性传感单元列的总电流I_in不仅仅包括M个电阻采样电路的电流，还包括流经其余非被测阻性传感单元列的电流，因而当前被测阻性传感单元列的测量结果会受到列多路选择器的内阻和其余非被测阻性传感单元的干扰，影响测量结果的准确性。而加入地线电流采样电路后，流经当前被测阻性传感单元列的总电流I_in包括了所有流经被测列列线上的电流，从而可以准确地得到被测列所在列线上的电压，提高了测量结果的准确性。

图5为本发明的引入地线电流采样电路后单独接电阻采样电路的阻性阵列检测的电路示意图。其中，M行电阻采样电路中运算放大器的同相输入端与地线电流采样电路的零电势点相连，而列多路选择器改变为单刀单掷开关。图中将第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1作为被测阻性传感单元列，控制信号控制列多路选择器的y_c1端与a_c1端相连，a_c1端与测试电压V_in相连，其余非被测阻性传感单元列所在列线悬空，此时被测阻性传感单元列被选定。当第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1被选定时，测试电压V_in经过列多路选择器的选定通道分别作用于当前被测阻性传感单元列后输入到对应行的电阻采样电路中运算放大器的反相输入端，同时其余列的阻性传感单元由于被悬空，无电流通过，从而基本排除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。

图6为本发明的引入地线电流采样电路后单独接电阻采样电路的阻性阵列检测的另一个电路示意图。其中，列多路选择器仍为单刀双掷开关，但列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口不与零电势点连接，也处于悬空状态。图中将第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1作为被测阻性传感单元列，控制信号控制列多路选择器的y_c1端与a_c1端相连，a_c1端与测试电压V_in相连，其余非被测阻性传感单元列对应与b_c2、b_c3、…、b_cN端口相连，此时被测阻性传感单元列被选定。当第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1被选定时，测试电压V_in经过列多路选择器的选定通道分别作用于当前被测阻性传感单元列后输入到对应行的电阻采样电路中运算放大器的反相输入端，同时其余列的阻性传感单元由于被悬空，无电流通过，从而基本排除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。

因此，本发明的基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的快速读出方法及其电路在引入地线电流采样电路后，将列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口都连接到地线电流采样电路的零电势点上，就可以准确地得到当前被测阻性传感单元列所在列线上的电压值，再通过运算放大器的基本原理得到被测阻性传感单元列的测量值，同时可以基本排除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列测量结果的影响。

最终，在对当前被测阻性传感单元列的测量过程中，当被测阻性传感单元列被选中，恒定测试电压V_in被加载到当前被测阻性传感单元列的一端，通过电压V_CG、V_Lij、采样电阻R_CG、R_Li(i＝1…M，j＝1…N)以及列多路选择器内阻R_sc的值求解出当前被测阻性传感单元列R_1j、R_2j、…、R_Mj(j＝1…N)的有效值。

由图2所示的本发明的基于改进零电势法的二维阻性传感阵列的快速读出电路示意图可知，测试电压V_in为负电压值，则所需的电源应为双极性电源，采样的列多路选择器为双极性多路选择器，同时也需要运用双极性运算放大器和双极性模拟数字转换器，从而增加电路成本。

图7是将地线电流采样电路输入改为恒值电压后适用于单极性电源场合的阻性阵列检测的电路示意图。其中，地线采样电路中运算放大器的同相输入端由原来的直接接地线改为接恒值电压V_e(如+0.5V)，则反相输入端即为等电势点，其电压表示为V_EP，且V_EP＝V_e。由于M个电阻采样电路的同相输入端与等电势点相连，因此M个电阻采样电路的反相输入端的电压为V_EP。列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口与等电势点相连，a_c1、a_c2、…、a_cN端口与地线相连。图中将第1列的阻性传感单元R₁₁、R₂₁、…、R_M1作为被测阻性传感单元列，控制信号控制列多路选择器的y_c1端与a_c1端相连，a_c1端与地线电流采样电路的等电势点相连，其余非被测阻性传感单元列与地线相连，此时被测阻性传感单元列被选定。M个电阻采样电路的反相输入端分别作用于R₁₁、R₂₁、…、R_M1后经过列多路选择器的选定通道至地线，同时V_EP也经列多路选择器作用于其余非被测列的阻性传感单元至M个电阻采样电路的反相输入端。因此，经过列多路选择器y_c1的电流I_in包括M个电阻采样电路的电流值以及地线电流采样电路两部分的电流值。

此时，当前被测阻性传感单元列R₁₁、R₂₁、…、R_M1的精确测量值采用如下测量方法求得：

步骤1，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1列)多路选择器上的电流I_in＝I_CG+ΣI_Li＝(V_CG-V_e)/R_CG+Σ((V_Li1-V_e)/R_Li)(i＝1…M)，从而得到当前被测阻性传感单元列R₁₁、R₂₁、…、R_M1所在列线(第1列)上的电压V_c1＝I_in×R_sc；

步骤2，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列R₁₁、R₂₁、…、R_M1的表达式为R_i1＝(V_e-V_c1)/(V_Li1-V_e)×R_Li(i＝1…M)；

步骤3，计算得到当前被测阻性传感单元列R₁₁、R₂₁、…、R_M1的精确测量值为：R_i1＝(V_e-I_in×R_sc)/(V_Li1-V_e)×R_Li＝(V_e-(I_CG+ΣI_Li)×R_sc)/(V_Li1-V_e)×R_Li＝(V_e-((V_CG-V_e)/R_CG+Σ((V_Li1-V_e)/R_Li))×R_sc)/(V_Li1-V_e)×R_Li(i＝1…M)；

由图7可知，将地线电流采样电路输入改为恒值电压后，电路的输出电压V_CG、V_L1j、V_L2j、…、V_LMj均为正值，提供的V_e也为正值，因此该电路适用于单极性电源场合，包括低成本的单极性电源、低成本的单极性多路选择器、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，可以有效降低成本。

Claims

1.一种二维阻性传感阵列的快速测量电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列(1)、列多路选择器(2)及扫描控制器(3)，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的一端与列多路选择器(2)的y_cj端相连接，列多路选择器(2)的a_c1、a_c2、...、a_cN端口与测试电压V_in相连，扫描控制器(3)输出扫描控制信号控制列多路选择器(2)，其特征在于，所述快速测量电路还包括M行电阻采样电路(4)实现对二维阻性传感阵列中M个阻性传感单元的一次性测量，所述M行电阻采样电路(4)包括M个电阻采样电路，分别对应二维阻性传感单元阵列(1)的M行，位于第i行且i＝1...M的电阻采样电路包括一个运算放大器Amp_i和一个电阻R_Li，所述运算放大器Amp_i的同相输入端与列多路选择器(2)的b_c1、b_c2、...、b_cN端口连接，所述运算放大器Amp_i的反相输入端作为第i行电阻采样电路的输入端且与二维阻性传感单元阵列(1)的第i条行线相连；所述电阻R_Li一端与所述运算放大器Amp_i的反相输入端连接，另一端与所述运算放大器Amp_i的输出端相连且作为M行电阻采样电路(4)的第i个输出端，输出电压表示为V_Lij且i＝1...M，j＝1...N，所述地线电流采样电路(5)包括一个运算放大器Amp_ZP和一个电阻R_CG，所述运算放大器Amp_ZP的同相输入端作为地线电流采样电路(5)的输入端，运算放大器Amp_ZP的反相输入端与所述M个运算放大器Amp_i的同相输入端连接并与列多路选择器(2)的b_c1、b_c2、...、b_cN端口连接，电阻R_CG的一端与所述运算放大器Amp_ZP的反相输入端连接，电阻R_CG的另一端与所述运算放大器Amp_ZP的输出端相连且作为地线电流采样电路(5)的输出端，输出电压表示为V_CG，所述运算放大器Amp_ZP的同相输入端直接接地线，以使所述运算放大器Amp_ZP的反相输入端成为零电势点V_ZP，使地线电流采样电路(5)实现对二维阻性传感阵列中阻性传感单元的功耗测量。