CN106546794A - 一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路 - Google Patents

一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路 Download PDF

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刘红艳
李刚
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Abstract

本发明公开了一种抬高预设电平三角波激励的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抬高预设电平三角波电压信号，抬高预设电平三角波电压信号经过电压电流转换器转换成抬高预设电流值三角波电流信号，抬高预设电流值三角波电流信号激励惠斯通电桥；将惠斯通电桥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；微控制器将抬高预设电平三角波的正、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，通过采用抬高预设电平三角波，提高了在低电平部分得到的数字信号的信噪比，从而提高阻抗的测量精度。

Description

一种抬高预设电平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，尤其涉及一种抬高预设电平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。
为了提高阻抗的测量精度，现有技术中的公告号为CN 104808064 A，公告日为2015年7月29的专利申请利用三角波作为激励信号来提高阻抗的测量精度。
发明人在实现本发明的过程中，发现上述现有技术中至少存在以下缺点和不足：
由于现有的电桥测量电路无一例外地均采用模数转换器，模数转换器在靠近输入极限(最大或最小幅值)时存在显著的非线性，特别是输入模数转换器的模拟信号电平越低，得到的数字转换结果的不确定度越大。
因此，采用纯净三角波作为激励信号时，在三角波的低电平部分得到的数字信号的信噪比就很低，从而影响了阻抗的测量精度。
发明内容
本发明提供了一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路，本发明通过将三角波调整为抬高预设电平的三角波，提高了阻抗的测量精度，详见下文描述：
一种抬高预设电平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抬高预设电平三角波电压信号，所述抬高预设电平三角波电压信号经过所述电压电流转换器转换成抬高预设电流值三角波电流信号，所述抬高预设电流值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；
在模数转换器转换的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，数字信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段，获取到数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理中的数字信号的精度；
所述微控制器将抬高预设电平三角波的正、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，作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的高电平部分，提高了获取到数字信号的信噪比。
其中，预设电平的取值为数字信号的动态范围一半以上最佳。
一种抬高预设电平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抬高预设电流值三角波电流信号，所述抬高预设电流值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；
在模数转换器转换的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，数字信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段，获取到数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理中的数字信号的精度；
所述微控制器将抬高预设电平三角波的正、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，作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的高电平部分，提高了获取到数字信号的信噪比。
其中，预设电平的取值为数字信号的动态范围一半以上最佳。
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抬高预设电平三角波的正、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；本发明相较于背景技术中的公告号为CN 104808064 A，公告日为2015年7月29的专利申请，本发明显著地提高了数字信号的精度，进而提高了输入到微处理器中的数字信号的精度，使得微控制器计算出较高精度的输出结果。本发明实现了高速度、大信息的高精度测量，且具有结构和电路简单、器件和工艺要求低、调试容易、可靠性高等优点。
附图说明
图1为实施例1的一种抬高预设电平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的抬高预设电平三角波电压信号示意图；
图3为实施例2的一种抬高预设电平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的抬高预设电流值三角波电流信号示意图。
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； Ii：抬高预设电流值三角波电流信号；
Vi：抬高预设电平三角波电压信号。
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1，一种抬高预设电平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抬高预设电平三角波电压信号，抬高预设电平三角波电压信号经过电压电流转换器VCC转换成抬高预设电流值三角波电流信号Ii，抬高预设电流值三角波电流信号Ii激励惠斯通电桥，将惠斯通电桥的电压输出信号Vi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将抬高预设电平三角波的正、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。
本发明实施例抬高预设电平后，在电压信号经由放大器A放大后输入到模数转换器ADC的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，三角波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段的数字信号的信噪比；相较于背景技术中的公告号为CN 104808064A，公告日为2015年7月29的以纯净三角波作为激励信号的专利申请，本发明实施例显著地提高了在三角波信号低电平段的数字信号的信噪比，进而改善了输入到微控制器中的转换结果的精度。
另外，由于抬高预设电平，噪声水平没有变化，在三角波信号的高电平部分，三角波信号相较于噪声也有一定的改善，提高了在三角波信号高电平段的数字信号的信噪比。
由于模数转换器ADC的转换结果精度得到提高，进而提高了输入到微控制器中的数字信号的精度，微处理器对数字信号进行处理，可以输出较高精度的计算结果。
其中，预设电平的取值优选模数转换器ADC转换的数字信号动态范围一半以上，当大于等于1/2动态范围时，抬高预设电平的三角波信号的失真最小，通过模数转换器ADC采集到的数字信号质量最高。
即，将一定时间(整数个抬高预设电平三角波周期)内的每个抬高预设电平三角波的正半个周期的采样值vi累加得到累加和，每个抬高预设电平三角波的负半个周期的采样值vj累加得到累加和，这两个累加和相减，得到的结果(实际为抬高预设电平三角波的面积)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抬高预设电平三角波的面积，每个周期采样2k次，前k次累加和后k次累加：
在一个抬高预设电平三角波周期内采样值的平均值为：
在一个抬高预设电平三角波周期内三角形的面积为：
当在正半个周期采样时，采样值v为vi；当在负半个周期采样时，采样值v为vj。
即，
前一项：时计算正半周期，后一项：计算负半周期。
注意前后两项的是相同的值，但且vj＞0，所以
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
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，xi是第i点的幅值，[xi]是模数转换器对xi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Δxi。
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
其中，xi＝mi+Δxi，mi＝[xi]。也即是圆整得到正整数，而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：
(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，对锯齿波或抬高预设电平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。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波低电平段的数字信号的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的数字信号的信噪比，进而提高了输入到微控制器中的数字信号的精度，微处理器对数字信号进行处理，使得微控制器计算出较高精度的输出结果。
实施例2
参见图3，一种抬高预设电平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抬高预设电流值三角波电流信号Ii，差动抬高预设电流值三角波电流信号Ii激励惠斯通电桥，将惠斯通电桥的电压输出信号Vi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将抬高预设电平三角波的正、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将抬高预设电平三角波的正、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。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在三角波低电平段的数字信号的信噪比，且也提高了在三角波信号高电平段的数字信号的信噪比，进而提高了输入到微控制器中的数字信号的精度，微处理器对数字信号进行处理，使得微控制器计算出较高精度的输出结果。
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)

1.一种抬高预设电平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；其特征在于，
所述微控制器控制所述数模转换器输出正负周期对称的抬高预设电平三角波电压信号，所述抬高预设电平三角波电压信号经过所述电压电流转换器转换成抬高预设电流值三角波电流信号，所述抬高预设电流值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；
在模数转换器转换的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，数字信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段，获取到数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理中的数字信号的精度；
所述微控制器将抬高预设电平三角波的正、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.根据权利要求1所述的一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路，其特征在于，作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的高电平部分，提高了获取到数字信号的信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路，其特征在于，预设电平的取值为数字信号的动态范围一半以上最佳。
4.一种抬高预设电平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；其特征在于，
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抬高预设电流值三角波电流信号，所述抬高预设电流值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；
在模数转换器转换的过程中，噪声水平没有发生变化，但作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的低电平部分，数字信号相较于噪声改善明显，从而提高了在三角波信号低电平段，获取到数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理中的数字信号的精度；
所述微控制器将抬高预设电平三角波的正、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。
5.根据权利要求4所述的一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路，其特征在于，作为驱动的三角波信号由于抬高了预设电平，在三角波信号的高电平部分，提高了获取到数字信号的信噪比。
6.根据权利要求4所述的一种抬高预设电平三角波激励的惠斯通电桥测量电路，其特征在于，预设电平的取值为数字信号的动态范围一半以上最佳。
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