CN106597111B - 高精度二维电阻阵列读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度二维电阻阵列读出电路，包括列多路选择器、共用行线和列线的二维电阻阵列、行多路选择器、扫描控制器、被测单元测量电路、标准电阻行及辅助测量电路，二维电阻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的二维结构分布的电阻单元阵列，扫描控制器输出行、列扫描控制信号，行扫描控制信号控制行多路选择器，列扫描控制信号控制列多路选择器，被测单元测量电路测量当前被测单元电阻值，辅助测量电路测量被选定标准电阻值。利用该电路，不仅可以读出所测二维电阻阵列，还可以有效减小二维电阻阵列中除当前被测电阻单元以外的其它电阻单元、列多路选择器内阻和基准电源电压抖动对测量结果的干扰。

Description

高精度二维电阻阵列读出电路

技术领域

本发明涉及一种高精度二维电阻阵列读出电路，属于电路技术领域。

背景技术

机器人触觉是机器人非视觉传感系统(触觉、力觉、滑觉、接近觉、热觉等)中最重要的一种,它可以测量物体表面的轮廓、纹理、硬度、粗糙度等对目标身份识别有重要价值的参数。触觉还可以为视觉等其他传感系统提供辅助信息,以提高机器人整体的环境感知能力。机器人触觉的研究起步较晚,触觉传感器的设计与制造技术尚不完善,与此相应触觉信息的处理方法也受到了忽视。国外从20世纪80年代初对触觉传感器及其信息处理方法开始了系统研究,我国在90年代也展开了研究工作。以往触觉信息的处理方法大多从信号降噪的角度出发,对触觉单元信息之间的关联性研究较少,而研究这种关联性的内在规律对触觉系统性能提高有着重要意义。

阵列式传感技术作为一种高选择性、测试方法灵活、易于实现仪器微型化和集成化的分析技术，具有对大尺寸物体表面特性进行识别和检测的优点。阵列式传感器已取得了一系列的研究成果，但是在理论和技术仍有许多问题尚未解决，例如，阵列式传感器的阵列之间的交叉干扰、传感器的稳定性和重现性等问题都有待进一步解决。

阻性传感阵列的分辨率是需要通过增加阵列中传感器的数量来提高的，当传感器阵列的规模增大，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规模的阵列传感器进行逐个检测，每个传感器有两个端口，共需要2×M×N根连接线。共用行线与列线的二维阵列可以降低器件互连的复杂性，但同时阵列网络的互串效应和多路选择器对检测精度带来了不确定性；将扫描控制器与电阻采样电路和多路选择器结合，虽然可以实现被测阻性传感器的单个选定检测，但是这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，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每一列都设置扫描控制器和电阻采样电路，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复杂度与较高的传感器检测精度。

图1所示，是基于共用行线与列线的二维电阻阵列传统读出电路的示意图。包括列多路选择器(1)、共用行线和列线的二维电阻阵列(2)、行多路选择器(3)、扫描控制器(4)及被测单元测量电路(5)。所述二维电阻阵列(2)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的二维结构分布的电阻单元阵列，阵列中的各个电阻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列的电阻单元用R_ij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，电阻单元R_ij的一端与行多路选择器(3)的y_ri端相连接，电阻单元R_ij的另一端与列多路选择器(1)的x_cj端连接，行多路选择器(3)的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与被测单元测量电路(5)中运算放大器的反相输入端相连，被测单元测量电路(5)中运算放大器的同相输入端接地线，扫描控制器(4)输出行、列扫描控制信号，列扫描控制信号控制列多路选择器(1)，行扫描控制信号控制行多路选择器(3)。

图1采用的一般零电势法电路中，由于被测电阻单元所在列多路选择器内阻和基准电压变化会导致被测单元两端的电压与理想基准电压不一致，从而导致被测单元测量电路中采样电阻上的电流与理想电流不一致，因此将引入额外误差。

有关电阻式传感阵列的检测研究，2009年，一种32×32阵列的温度和触觉传感阵列被提出(Yang Y J,Cheng M Y,Shih S C,et al.A 32×32 temperature and tactilesensing array using PI-copper films.The International Journal of AdvancedManufacturing Technology,2010,46(9-12):945-956.)，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。2011年吴等人(吴剑锋,王蕾,李建清,等.一种阵列式小尺寸温度传感装置.传感技术学报,2011,24(11):1649-1652.)研制一种8×16阵列的阵列式小尺寸温度传感装置，采用阵列式微小热敏电阻进行温度传感，提出了一种反馈隔离驱动测量方法进行阵列电阻检测方法，该方法存在行、列多路开关电阻的干扰，影响被测电阻的测量精度。

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电阻阵列的读出电路，本电路可以实现对有故障或有变化的阻性器件的检测，本发明还可以有效隔离当前被测电阻单元所在阵列的其余电阻单元、列多路选择器内阻和基准电压变化对检测结果的影响，使得测量误差大大降低。

本发明的技术解决方案是：

一种高精度二维电阻阵列读出电路，包括列多路选择器、共用行线和列线的二维电阻阵列、行多路选择器、扫描控制器、被测单元测量电路，所述二维电阻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的二维结构分布的电阻阵列，阵列中的各个电阻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列的电阻单元用R_ij表示，其中i＝1…M，M为行数，j＝1…N，N为列数，电阻单元R_ij的一端与行多路选择器的y_ri端相连接，电阻单元R_ij的另一端与列多路选择器的x_cj端连接，列多路选择器的a_c1、a_c2、…、a_cN端口接基准电压源V_I，列多路选择器的b_c1、b_c2、…、b_cN端口接地，行多路选择器的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与被测单元测量电路中运算放大器OPAs的反相输入端相连，行多路选择器的a_r1、a_r2、…、a_rM端口接地，被测单元测量电路包括一个运算放大器OPA1和一个负反馈电阻R_L，负反馈电阻R_L的两端分别连接运算放大器OPA1的反相输入端、输出端，被测单元测量电路中的运算放大器OPA1的同相输入端接地线，扫描控制器输出行、列扫描控制信号，行扫描控制信号控制行多路选择器，列扫描控制信号控制列多路选择器，所述线性读出电路还包括标准电阻行、辅助测量电路，所述标准电阻行包括一行N个电阻值已知的标准电阻，用于接入所述M×N阻性传感器阵列，得到共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；所述辅助测量电路包括一个运算放大器OPAs和一个负反馈电阻R_LS，负反馈电阻R_LS的两端分别连接运算放大器OPAs的反相输入端、输出端，所述标准电阻行的行线与辅助测量电路中运算放大器OPAs的反相输入端连接，辅助测量电路中运算放大器OPAs的同相输入端接地。

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。当待测电阻单元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端与基准电压相连，其电压值为V_I，而其他列通过列多路选择器的b_cj端与地线相连；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端与被测单元测量电路中运算放大器OPA1的反相输入端相连，被测单元测量电路中运算放大器OPA1的输出电压表示为V_ij，而其他行通过行多路选择器的a_ri端与地线相连，此时待测电阻单元R_ij被选定。电压V_I经过列多路选择器的选定通道作用于当前被测电阻单元R_ij后经由行多路选择器输入到被测单元测量电路中运算放大器OPA1的反相输入端，同时作用于其采样电阻后，输出电压为V_ij，与此同时，当前被测列上的标准电阻其列电压与当前被测电阻单元R_ij相同，标准电阻行所在的辅助测量电路的输出电压为V_Sij，当前被测电阻单元R_ij所在行线即第i行上的电压表示为V_ri，所在列线即第j列上的电压表示为V_cj，除当前被测列以外的其它电阻单元两侧连接的行、列多路选择器端口的电压均为V_ZP，即电势差为零，此时，除当前被测电阻单元以外的其它电阻单元无电流流过，除当前被测列上非被测单元上流过的电流不经过被测单元所在行，不影响被测单元精度，当前被测电阻单元R_ij，i＝1…M,j＝1…N，的精确测量值采用如下计算方法求得：

步骤1、通过列多路选择器和行多路选择器选择当前被测单元R_ij，测量得到被测单元测量电路的输出电压V_ij为：

V_ij＝V_I×R_L/R_ij； (1)

式中，V_I表示基准电压源的电压值；R_L表示被测单元测量电路中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_ij表示二维阻性传感阵列第i行第j列的电阻值。

步骤2、同时测量得到辅助测量电路的电压输出V_Sij为：

V_Sij＝V_I×R_Ls/R_sj； (2)

式中，R_LS表示辅助测量电路中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_Sj表示标准电阻行第j列的电阻值。

步骤3、将式(1)与式(2)相比计算得到当前被测单元R_ij的精确阻值:

R_ij＝(V_Sij×R_sj×R_L)/(R_Ls×V_ij) (4)

其中，V_Sij表示标准电阻行(6)所在的辅助测量电路(7)的输出电压；V_ij表示被测单元测量电路(5)中运算放大器OPA1的输出电压；R_L表示被测单元测量电路(5)中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_Sj表示标准电阻行(6)第j列的电阻值，R_LS表示辅助测量电路(7)中运算放大器OPAs的负反馈电阻值。

这样可以排除二维电阻阵列中除当前被测电阻单元以外的其它阻性单元、列多路选择器的内阻和基准电压变化对当前被测电阻单元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：

一、该种高精度二维电阻阵列读出电路，针对电阻单元阵列的检测需要，在不显著提高电阻单元阵列互连复杂性的基础上，以零电势法为关键技术，在标准电阻行及其辅助测量电路的共同作用下，可以准确得到被测单元测量电路的输出电压和标准电阻单元的辅助测量电路的输出电压，通过参比排除位于当前被测电阻单元所在列的多路选择器的通道内阻和基准电压变化导致的误差，准确得到当前被测电阻单元的电阻值，而一般零电势法电路中，由于被测电阻单元所在列多路选择器内阻和基准电压变化会导致被测单元两端的电压与理想基准电压不一致，从而导致被测单元测量电路中采样电阻上的电流与理想电流不一致，因此将引入额外误差。因此，在标准电阻行及其辅助测电路后，有效减少二维电阻阵列中除当前被测电阻单元以外的其它电阻单元、列多路选择器的内阻和基准电压变化对当前被测电阻单元测量的干扰，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电阻单元所在列线上多路选择器的内阻和除当前被测电阻单元以外的其它阻性单元的干扰，大大提高了其测量精度。

二、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；

三、在保证测量精度的前提下，可采用价格较低、精度较低的基准电压源，降低成本。

附图说明

图1是基于共用行线与列线的二维电阻阵列传统读出电路的示意图。

图2是本发明的一种高精度二维电阻阵列的线性读出电路示意图。

图3是实施例高精度二维阻性传感阵列读出电路IZPC和图1所示的二维阻性传感阵列传统读出电路ZPC进行仿真实验的结果示意图。

图4是当R_SC＝1Ω时，图1所示的二维阻性传感阵列传统读出电路ZPC的仿真结果曲线，以及在R_SC取不同值时，实施例高精度二维阻性传感阵列读出电路IZPC的仿真结果曲线示意图。

其中，1-列多路选择器，2-二维电阻阵列，3-行多路选择器，4-扫描控制器，5-被测单元测量电路，6-标准电阻行，7-辅助测量电路。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种高精度二维电阻阵列的线性读出电路，包括共用行线和列线的二维电阻阵列2、行多路选择器3及列多路选择器1、扫描控制器4及被测单元测量电路5，所述二维电阻阵列2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的二维结构分布的电阻单元阵列，阵列中的各个电阻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列的电阻单元用R_ij表示，其中，i＝1…M，M为行数，j＝1…N，N为列数，电阻单元R_ij的一端与行多路选择器3的y_ri端相连接，电阻单元R_ij的另一端与列多路选择器1的x_cj端连接，行多路选择器3的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的反相输入端相连，行多路选择器3的a_r1、a_r2、…、a_rM端口接地，被测单元测量电路5包括一个运算放大器OPA1和一个负反馈电阻R_L，负反馈电阻R_L的两端分别连接运算放大器OPA1的反相输入端、输出端，被测单元测量电路5中的运算放大器OPA1的同相输入端接地线，扫描控制器4输出行、列扫描控制信号，行扫描控制信号控制行多路选择器3，列扫制信号控制列多路选择器1，所述线性读出电路还包括标准电阻行6、辅助测量电路7，所述标准电阻行6包括一行N个电阻值已知的标准电阻，用于接入所述M×N阻性传感器阵列，从而得到一个新的共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；所述辅助测量电路7包括一个运算放大器OPAs和一个负反馈电阻R_LS，负反馈电阻R_LS的两端分别连接运算放大器OPAs的反相输入端、输出端，所述标准电阻行6的行线与辅助测量电路7中运算放大器OPAs的反相输入端连接，辅助测量电路7中运算放大器OPAs的同相输入端接地。

该种二维电阻阵列的线性读出电路，扫描控制器4输出行、列扫描控制信号，行扫描控制信号控制行多路选择器3，列扫描控制信号控制列多路选择器1，被测单元测量电路5测量当前被测单元电阻值，辅助测量电路测量7被选定标准电阻值。利用该电路，不仅可以读出所测二维电阻阵列2，还可以有效减小二维电阻阵列2中除当前被测电阻单元以外的其它电阻单元、列多路选择器1内阻和基准电源电压抖动对测量结果的干扰。

下面参照附图，对本发明做出如下说明：

图2所示，是实施例提出的一种二维电阻阵列的线性读出电路示意图。实施例的电路工作原理为：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，列控制信号控制列多路选择器1的x_cj端与a_cj端或是与b_cj端相连；行控制信号控制行多路选择器3的y_ri端与a_ri端或是与b_ri端相连。当待测电阻单元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1第j列的x_cj端与a_cj端相连，a_cj端与基准电压相连，其电压值为V_I，而其他列通过列多路选择器的b_cj端与地线相连；行控制信号控制行多路选择器3第i行的y_ri端与b_ri端相连，b_ri端与被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的反相输入端相连，被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的输出电压表示为V_ij，而其他行通过行多路选择器的a_ri端与地线相连，此时待测电阻单元R_ij被选定。电压V_I经过列多路选择器1的选定通道作用于当前被测电阻单元R_ij后经由行多路选择器3输入到被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的反相输入端，同时作用于其采样电阻后，输出电压为V_ij，与此同时，当前被测列上的标准电阻其列电压与当前被测电阻单元R_ij相同，标准电阻行6所在的辅助测量电路7的输出电压为V_Sij，当前被测电阻单元R_ij所在行线即第i行上的电压表示为V_ri，所在列线即第j列上的电压表示为V_cj，除当前被测列以外的其它电阻单元两侧连接的行、列多路选择器端口的电压均为V_ZP，即电势差为零，此时，除当前被测电阻单元以外的其它电阻单元无电流流过，除当前被测列上非被测单元上流过的电流不经过被测单元所在行，不影响被测单元精度，当前被测电阻单元R_ij，i＝1…M,j＝1…N的精确测量值采用如下计算方法求得：

步骤1、通过列多路选择器1和行多路选择器3选择当前被测单元R_ij，测量得到被测单元测量电路5的输出电压V_ij为：

V_ij＝V_I×R_L/R_ij； (2)

式中，V_I表示基准电压源的电压值；R_L表示被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_ij表示二维阻性传感阵列第i行第j列的电阻值。

步骤2、同时测量得到辅助测量电路7的电压输出V_Sij为：

V_Sij＝V_I×R_Ls/R_sj； (2)

式中，R_LS表示辅助测量电路7中运算放大器OPAs的负反馈电阻值；R_Sj表示标准电阻行6第j列的电阻值。

步骤3、将式(1)与式(2)相比，得到

根据式(3)计算得到当前被测单元R_ij的精确阻值为：

其中，V_Sij表示标准电阻行6所在的辅助测量电路7的输出电压；V_ij表示被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的输出电压；R_L表示被测单元测量电路5中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_Sj表示标准电阻行6第j列的电阻值，R_LS表示辅助测量电路7中运算放大器OPAs的负反馈电阻值。

式(4)中不存在基准电压源V_I，这样可以基本排除二维电阻阵列中除当前被测电阻单元以外的其它阻性单元、列多路选择器的内阻和基准电压变化对当前被测电阻单元R_ij，i＝1…M，j＝1…N，测量的干扰。

设二维阻性传感阵列的规模为M＝N＝8，在NI Multsim软件中对图2所示的本发明中的一种高精度二维阻性传感阵列读出电路IZPC和图1所示的二维阻性传感阵列传统读出电路ZPC进行仿真实验，实验结果如图3和图4所示。图3中，横坐标表示被测单元电阻的实际值，单位为千欧kΩ；纵坐标表示被测单元电阻的相对误差，即测得的电阻值与实际电阻值之差，除以实际电阻值，得到的比值，用百分数表示。图3中，R_SC表示列多路选择器1第j列的x_cj端与a_cj端相连时的导通电阻值。图4是当R_SC＝1Ω时，ZPC的仿真结果曲线，以及在R_SC取不同值时，IZPC的仿真结果曲线。

由图3和图4的实验结果可以看出，本发明中的IZPC与传统的ZPC相比较，对二维阻性传感阵列的被测单元电阻的测量精度有了显著提高。

此外需要强调的是：上述行、列为相对概念，本领域技术人员完全可以将之互换，因此，基于本发明思路的类似此种简单变形仍为本发明技术方案所涵盖。

Claims (2)

1.一种高精度二维电阻阵列读出电路，包括列多路选择器(1)、共用行线和列线的二维电阻阵列(2)、行多路选择器(3)、扫描控制器(4)、被测单元测量电路(5)，所述二维电阻阵列(2)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的二维结构分布的电阻阵列，阵列中的各个电阻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列的电阻单元用R_ij表示，其中i＝1…M，M为行数，j＝1…N，N为列数，电阻单元R_ij的一端与行多路选择器(3)的y_ri端相连接，电阻单元R_ij的另一端与列多路选择器(1)的x_cj端连接，列多路选择器(1)的a_c1、a_c2、…、a_cN端口接基准电压源V_I，列多路选择器(1)的b_c1、b_c2、…、b_cN端口接地，行多路选择器(3)的b_r1、b_r2、…、b_rM端口与被测单元测量电路(5)中运算放大器OPA1的反相输入端相连，行多路选择器(3)的a_r1、a_r2、…、a_rM端口接地，被测单元测量电路(5)包括一个运算放大器OPA1和一个负反馈电阻R_L，负反馈电阻R_L的两端分别连接运算放大器OPA1的反相输入端、输出端，被测单元测量电路(5)中的运算放大器OPA1的同相输入端接地线，扫描控制器(4)输出行、列扫描控制信号，行扫描控制信号控制行多路选择器(3)，列扫描控制信号控制列多路选择器(1)，其特征在于，所述高精度二维电阻阵列读出电路还包括标准电阻行(6)、辅助测量电路(7)，所述标准电阻行(6)包括一行N个电阻值已知的标准电阻，用于接入M×N阻性传感器阵列，得到共用行线和列线的(M+1)×N电阻阵列；所述辅助测量电路(7)包括一个运算放大器OPAs和一个负反馈电阻R_LS，负反馈电阻R_LS的两端分别连接运算放大器OPAs的反相输入端、输出端，所述标准电阻行(6)的行线与辅助测量电路(7)中运算放大器OPAs的反相输入端连接，辅助测量电路(7)中运算放大器OPAs的同相输入端接地。

2.如权利要求1所述的高精度二维电阻阵列读出电路，其特征在于：当前被测电阻单元R_ij，i＝1…M，j＝1…N，的精确测量值采用如下计算方法求得：

步骤1、通过列多路选择器(1)和行多路选择器(3)选择当前被测单元R_ij，测量得到被测单元测量电路(5)的输出电压V_ij为：

V_ij＝V_I×R_L/R_ij； (1)

式中，V_I表示基准电压源的电压值；R_L表示被测单元测量电路(5)中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_ij表示二维阻性传感阵列第i行第j列的电阻值；

步骤2、同时测量得到辅助测量电路(7)的电压输出V_Sij为：

V_Sij＝V_I×R_Ls/R_sj； (2)

式中，R_LS表示辅助测量电路(7)中运算放大器OPAs的负反馈电阻值；R_Sj表示标准电阻行(6)第j列的电阻值；

步骤3、将式(1)与式(2)相比计算得到当前被测单元R_ij的精确阻值:

R_ij＝(V_Sij×R_sj×R_L)/(R_Ls×V_ij) (4)

其中，V_Sij表示标准电阻行(6)所在的辅助测量电路(7)的输出电压；V_ij表示被测单元测量电路(5)中运算放大器OPA1的输出电压；R_L表示被测单元测量电路(5)中运算放大器OPA1的负反馈电阻值；R_Sj表示标准电阻行(6)第j列的电阻值，R_LS表示辅助测量电路(7)中运算放大器OPAs的负反馈电阻值。