CN107450304A - 一种用于传感器信号处理的全定制asic及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于传感器信号处理的全定制ASIC（为专门应用而设计的集成电路），所述ASIC专门用于消除周期性往复运动的周期测量中的系统误差；所述ASIC具有4个引脚，第一引脚为电源正极引脚，第二引脚为信号输入端，用于连接光电门电路的输出端，第三引脚为信号输出端，用于连接计时器和计数器，第四引脚为电源地线引脚。所述ASIC取消了现有技术中的运算放大器、电压比较器、A/D转换器，整个电路全部由CMOS电路构成开关电路，因此本发明的电路结构更简单，抗干扰能力更强，电路功耗更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种周期性振动的周期精确测量方法及测量用集成电路。
背景技术
系统误差是指：相同待测量大量重复测量的平均结果和待测量真值的差。物理测量中的系统误差通常来源于：（1）仪器误差，这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境（光线、温度、湿度、电磁场等）对测量仪器的影响等所产生的误差；（2）理论误差（方法误差），这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差，例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失，伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等；（3）操作误差，这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。
系统误差有些是定值的，如仪器的零点不准，有些是积累性的，如用受热膨胀的钢质米尺测量时，读数就小于其真实长度。
需要注意的是，系统误差总是使测量结果偏向一边，或者偏大，或者偏小，因此，多次测量求平均值并不能消除系统误差，只能在一定程度上减小系统误差。
在单摆测重力加速度的实验中，误差通常来源于：（1）单摆模型本身是否符合要求，即：悬点是否固定，是单摆还是复摆，球、线是否符合要求，振动是圆锥摆还是在同一竖直平面内振动以及测量哪段长度作为摆长等等；（2）单摆周期的测量。因此，要注意测准时间（周期）。要从摆球通过平衡位置开始计时，并采用倒计时的方法，不能多记振动次数。
传统的测量单摆振动周期的方法是：利用秒表在单摆铁球到达平衡位置时开始计时，并记录单摆的摆动次数，当达到规定的摆动次数时按下秒表停止计时，根据秒表记录的数值便可以计算出单摆的振动周期。由于利用秒表记录开始计时和停止计时的时刻，都需要操作者用肉眼观察单摆铁球是否达到平衡位置，存在人为的判断误差，测量出的振动周期亦存在较大误差。为了减少这种人为误差，通常采用进行多次测量然后取平均值的方法，但在记单摆摆动次数时，极易多记或少记振动次数，且由于科里奥利力的作用，单摆振动多次后，会逐渐由平面内摆动演化为圆锥摆。传统的人工计时测量单摆周期方法，费时费力且容易出错，也难以有效降低周期测量误差。
为了克服人工测量单摆周期存在的人为误差的问题，已经发展出多种仪器自动计时方法，例如利用磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器等来控制计时器、计数器。
在中国专利文献CN203013065U中，将霍尔开关元件固定在底座的顶面于静止时铁球的正下方，磁铁固定在霍尔开关元件的正下方，电源、霍尔开关元件、计时器和开关通过导线相电连接。
这种测量装置通过穿过霍尔元件的磁感线的变化来统计单摆的摆动，较传统的测量方式，摆脱了认为测量的主观误差，但是该装置仍然具有几点无法克服的缺陷：（1）由于霍尔元件在变化磁场中产生的信号具有一定的回滞性，导致每个测量到的单摆周期与真实的单摆周期存在一定的时间差ΔT；（2）并且磁铁与铁球相互作用时间较短，所以测量过程中容易引起霍尔元件的丢步现象；（3）由于采用磁性作为信号触发，容易受到外界干扰；（4）由于测量原理所决定，霍尔元件必须严格地放置在单摆的平衡位置（单摆运动最低处），而实际上是很难严格地满足这一条件的，霍尔元件通常总会偏离一定的距离，导致周期测量不准确。所以上述专利文献提供的单摆周期测量仪在使用过程中仍然具有一定的局限性。
在中国专利文献CN204576906U中，公开了一种可用于测量单摆周期的计时、计数装置，该装置中采用了光电门、整形电路、计数器、电压比较器等来实现光电门被周期性阻挡的时间间隔。然而，将其用于测量单摆周期中，该装置仍然存在如下原理性的缺陷：（1）光电门必须严格地放置在单摆的平衡位置（单摆运动最低处），而实际上是很难严格地满足这一条件的，光电门通常总会偏离一定的距离，导致周期测量不准确；（2）由于光电门的光电二极管传感器在摆球往复运动过程中被周期性的遮挡时，光线不能被瞬间遮挡、瞬间移开，其接受的光强随着摆球的从左到右、从右到左过程中分别存在着大小变化过程，而是其输出信号有着短时间的暂态过程，导致在不同方向上指示摆球通过的时间点并不完全对应着同一个位置，这导致对单摆的周期测量从本质上就存在一定的误差；（3）由于电压比较器的原理所限，在摆球往复运动过程中，电压比较器的输入信号由小变大、由大变小这两种相反的过程中，电压比较器的输出信号并不能在相同的电压值点发生跳边，而是存在一定的回滞性，这导致对单摆的周期测量从本质上就无法精确测定。
在中国专利文献CN202815444U中，采用了PNP三线电感常开接近开关来测量单摆摆动周期，单摆金属摆球从摆动的最高点向下摆动，PNP三线电感常开接近开关首次感应到单摆金属摆球到达平衡位置并同时向周期自动计时器输出电信号。在这一技术方案中，仍然存在（包括但不限于）如下缺陷：（1）要求PNP三线电感常开接近开关严格放置于摆球运动的最低点，实际上是很难严格地达到这一点的，导致周期测量不准确；（2）电感式接近开关同样存在回滞性，即摆球从左到右、从右到左的运动过程中，不同运动方向，其开关启闭动作并非严格发生于同一位置点，而是略有偏差，这是其本质属性之一，是无法克服的缺陷，难以做到对单摆周期的精确测量。
详细考察各种现有技术，可以发现，对于单摆周期的测量，无论是采用磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器，还是其他类型的传感器，尽管摆脱了人为测量带来的误差，但由于各种测量传感器及单摆周期测量方法的原理性缺陷所限，单摆的周期始终没有一个完美的解决方案，现有各种方案都只能在一定程度上减小周期测量的系统误差，节省了人力，而没有从原理上消除系统误差。
其原因分析如下：
首先，在各种现有技术中，对于磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器，或是其他类型的传感器，其在测量单摆周期的实际应用中，传感器放置于平衡位置（摆球最低点位置）处，周期的测量方法为计时器测量摆球两次通过传感器位置时的时间间隔，因此在原理上实际测量到的时间间隔为半个周期（T/2），在仪器中信号处理系统将这一时间值乘以2作为单摆的周期。然而传感器的放置总是无法完全避免偏离平衡位置（摆球最低点位置）一定距离这一误差，寻求摆球最低点位置十分困难，如图2所示，图中显示了传感器放置位置稍微偏离摆球平衡位置O点时的情形，因此，摆球经过传感器所处位置时发出信号的时间点就并非严格意义上的摆球通过最低点的时刻；也就是说，所测量得到的时间将并非真正的半个周期（T/2），而是略大于或略小于半个周期（T/2）。如图3所示，摆球第一次、第二次通过传感器位置处所用时间被当作单摆的半个周期T’/2，这一时间值小于真实的单摆周期T/2；摆球第二次、第三次通过传感器位置处所用时间被当作单摆的半个周期T’’/2，这一时间值大于真实的单摆周期T/2；
其次，摆球每次通过传感器所处位置时均发出一个具有一定时间宽度的脉冲信号，其每个输出信号脉冲均存在一个由小变大再有大变小的变化过程，当信号脉冲由小增大到某一阈值时触发前端电压比较器输出电平翻转，接着当信号脉冲由大减小到另一阈值时触发前端电压比较器输出电平再次翻转回到原来状态，以下图为例说明，当摆球第一次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t1、t2，当摆球第二次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t3、t4，当摆球第三次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t5、t6，当摆球第四次通过传感器所处位置时，电压比较器输出电平两次翻转的时刻对应于图3中t7、t8，……如此循环往复。然而，传感器输出信号传递到前端放大器、前端放大器输出信号传递到电压比较器、电压比较器输出信号传递到后续计数器及计时器，由于真实的电路中，无论是模拟电路还是数字电路部分，各级信号传输均存在一定的延时，促使电路状态翻转也存在一定的回滞特性，因此，在测量单摆的半周期时，其时间间隔的起算时刻并非对应于t1或t2，而是对应于t1、t2之间的某一个不确定的时刻；同理，测量单摆的半周期时，其时间间隔的结束时刻并非对应于t3或t4，而是对应于t3、t4之间的某一个不确定的时刻。如图3所示。由图可知，由于真实电子电路的传输特性，导致现有的测量方法带来的周期测量值必然存在一个由仪器本身带来的测量误差，并且这一误差是难以估测的。
对于前一种因素，若半周期计数为奇数个，则其单摆周期必然总是存在一个由传感器位置偏离平衡位置而导致的误差；若半周期计数为偶数个，则由传感器位置偏离平衡位置而导致的误差可消除，这就要求操作人员人为干预操作计数计时装置在计数为偶数个时停止测量并取平均值。
对于后一种因素，由于真实电子电路的传输特性而导致的单摆周期测量误差，这一误差属于系统误差中的仪器误差，在现有测量方法中是无法彻底消除的，只能通过多次测量并取平均值来减小这一误差。但单摆振动多次后，又会由于科里奥利力的作用，单摆振动多次后，会逐渐由平面内摆动演化为圆锥摆，进而带来新的系统误差。
此外，值得指出的是，各种传感器的信号翻转灵敏度越低，这种误差就越大；摆球本身的尺寸对于光电门这种传感器的影响也很大，往往摆球通过光电门传感器时遮挡光电接收器所能够产生信号翻转所用时间与摆球直径密切相关，并且无法忽略，即t1与t2之间、t3与t4之间、t5与t6之间、t7与t8之间的时间间隔过大，带来的单摆周期测量相对误差也较大。
现有技术中各种传感器信号处理电路都是笼统地指定两个信号脉冲之间的间隔，均没有考虑到单摆半周期计时时的t1、t2、t3、t4、t5、t6……等时间点对于周期测量误差的影响，也没有提出有效的消除这种误差的技术方案。
在前述各种技术方案中，在长期使用后，各种传感器的性能也会发生一定程度的老化，在实现电路状态翻转时，前述各单摆半周期计时时的t1、t2、t3、t4、t5、t6……等时间点也会在一定程度上发生偏移，进一步使系统误差加大，测量仪器需要定期调校。
值得指出的是，从理论分析过程可知，上述各种技术缺陷仅存在于周期性往复运动的周期测量，当所测量的运动为单方向运动时，并不存在。
发明内容
为了克服现有技术存在的各种缺陷，彻底消除单摆周期测量的系统误差，并且消除传感器、传感器信号处理电路长期性能漂移带来的系统误差，使设备免于定期调校，也无需对传感器放置位置作出限制，使实验过程更简便，本发明提出了一种用于传感器信号处理的全定制ASIC（Application Specific Integrated Circuit），所述ASIC专门用于消除周期性往复运动的周期测量中的系统误差，所述系统误差是指由测量原理、测量仪器本身所带来的、不能通过多次测量取平均值的方法来消除的误差全新的单摆周期测量方法与测量装置。
本发明的革新之处在于传感器信号处理电路的全新设计，以及相应地带来测量周期的原理性改变。而涉及各种传感器的电路部分则为传统的常规的技术。
本发明提出的单摆周期测量方法包括如下步骤：
（1）将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；
（2）使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；
（3）摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，传感器电路发出的脉冲信号的下降沿信号使传感器信号处理电路状态由低电平状态翻转为高电平状态，对应的的下降沿时刻作为计时、计数起点，传感器信号处理电路输出端输出高电平信号并发送给计时器电路、计数器电路；
（4）摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器电路发出的脉冲信号的上升沿信号使传感器信号处理电路状态由高电平状态翻转为低电平状态；
摆球从反方向通过传感器所处位置时，传感器信号处理电路对传感器电路发出的脉冲的上升沿信号、下降沿信号、高电平信号、低电平信号不作出响应，即传感器信号处理电路的信号输出端保持为低电平状态；
（5）传感器信号处理电路仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使传感器信号处理电路状态发生翻转的下降沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述下降沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述下降沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。
所述的“正方向”、“反方向”仅仅用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互换，技术方案实质不变。
所得到的单摆周期，可用于计算重力加速度。
优选地，计时器电路采用石英晶体振荡器构成。石英晶体振荡器构成的计时器电路具有极佳的频率稳定度，非常适用于高精度计时。
所采用石英晶体振荡器的频率稳定度高于10-6，即若采用石英晶体振荡器振荡频率为10MHz，其频率波动偏差小于10Hz，计时器的显示输出分辨率为0.1ms，因此，即使采用石英晶体振荡器的频率略有偏移，所导致的测量周期误差也不足以在计时器输出结果中产生影响。
所述传感器为光电门；光电门电路由光电三极管、电阻串联而成，光电三极管的集电极一端接电源正极，发射极一端接电阻的一端，并作为电路输出端，电阻的另一端接电源地线；光电三极管无基极引线；
优选地，将单摆放置于真空玻璃罩中，消除空气阻力产生的影响。
为实现上述单摆周期测量方法，本发明还提出了一种专门设计的传感器信号处理的全定制ASIC，该电路包括：传感器信号整形电路、启停控制电路、核心处理电路。
本发明的专门设计用于测量单摆真实周期的传感器信号处理的全定制ASIC，具有4个引脚，第一引脚为电源正极引脚，第二引脚为信号输入端，用于连接光电门电路的输出端，第三引脚为信号输出端，用于连接计时器和计数器，第四引脚为电源地线引脚。所述ASIC仅对单摆摆球从正方向经过传感器位置时的输出信号作出响应，对单摆摆球从反方向经过传感器位置时的输出信号不作出响应，其输出信号的任意两个相邻脉冲之间的时间间隔即为单摆周期；
所述传感器信号处理电路ASIC（以下简称ASIC）所述传感器为光电门；光电门电路由光电三极管、电阻串联而成，光电三极管的集电极一端接电源正极，发射极一端接电阻的一端，并作为电路输出端，电阻的另一端接电源地线；光电三极管无基极引线；
所述ASIC包括：传感器信号整形电路、启停控制电路、核心处理电路；所述电路具有一个传感器信号输入端（INPUT）、一个信号输出端（OUTPUT）；传感器信号输入端（INPUT）连接至传感器电路，信号输出端（OUTPUT）连接至计时器电路和/或计数器电路；所述ASIC的传感器信号整形电路、核心处理电路全部由MOS晶体管构成，无电阻、电容、电感等元件；所有MOS晶体管全部工作于开关状态；
所述传感器信号整形电路用于对传感器输出的模拟信号进行整形变为方波脉冲信号，方波脉冲信号输出至核心电路；
所述整形电路由两个结构对称的PMOS晶体管、NMOS晶体管以CMOS反相器的形式构成；整形电路接收来自光电门电路的输出信号，并将整形后的输出信号传送至核心处理电路；
所述核心电路专门用于：在设定的单摆单一运动方向的传感器脉冲信号下降沿到来时使ASIC输出电平由低电平状态翻转为高电平状态，并通知计时器、计数器记下当时的时间、振动次数；在设定的单摆单一运动方向的传感器脉冲信号上升沿到来时使ASIC输出电平由高电平状态翻转为低电平状态；且，当单摆在相反方向运动经过传感器时，核心电路对传感器电路发出的脉冲信号不作出任何响应，ASIC输出电平保持为低电平状态；即：
在传感器信号输入端（INPUT）第N次由高电平状态跳变为低电平状态时，即传感器信号输入端（INPUT）接收到传感器电路发来的下降沿脉冲信号时，信号输出端（OUTPUT）才会发生由低电平变为高电平的状态转换，在传感器信号输入端（INPUT）第N次由低电平状态跳变为高电平状态时，即传感器信号输入端（INPUT）接收到传感器电路发来的上升沿脉冲信号时，信号输出端（OUTPUT）才会发生由高电平变为低电平的状态转换，这里N为奇数；
当N为偶数时，信号输出端（OUTPUT）不发生变化，保持原来的低电平状态不变。
所述全定制ASIC具有4个引脚，第一引脚为电源正极引脚，第二引脚为信号输入端，用于连接光电门电路的输出端，第三引脚为信号输出端，用于连接计时器和计数器，第四引脚为电源地线引脚；
所述ASIC包括24个MOS晶体管，24个MOS晶体管分别以第一MOS管~第二十四MOS管来表示，其中第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管为PMOS晶体管，第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管、第十八MOS管、第十九MOS管、第二十MOS管、第二十一MOS管、第二十二MOS管、第二十三MOS管、第二十四MOS管为NMOS晶体管。
第一MOS管的栅极、第十三MOS管的栅极均电连接至传感器信号输入端（INPUT）；
第七MOS管的源极与第十九MOS管的漏极均电连接至电路的信号输出端（OUTPUT），信号输出端连接至计时器电路、计数器电路；
第一MOS管的源极、第十三MOS管的漏极、第十四MOS管的栅极、第八MOS管的栅极、第九MOS管的栅极、第十五MOS管的栅极、第十二MOS管的栅极、第十八MOS管的栅极均电连接至A点；
第二MOS管的栅极、第二十MOS管的栅极、第三MOS管的源极、第九MOS管的源极、第十五MOS管的漏极、第五MOS管的栅极、第二十三MOS管的栅极均电连接至B点；
第二MOS管的源极、第八MOS管的源极、第十四MOS管的漏极、第十MOS管的栅极、第十六MOS管的栅极均电连接至C点；
第三MOS管的栅极、第二十一MOS管的栅极、第四MOS管的源极、第十MOS管的源极、第十六MOS管的漏极、第十一MOS管的栅极、第十七MOS管的栅极均电连接至D点；
第四MOS管的栅极、第二十二MOS管的栅极、第五MOS管的源极、第十一MOS管的源极、第十七MOS管的漏极、第六MOS管的栅极、第二十四MOS管的栅极均电连接至E点；
第六MOS管的源极、第十二MOS管的源极、第十八MOS管的漏极、第七MOS管的栅极、第十七MOS管的栅极均电连接至F点；
第十四MOS管的源极、第二十MOS管的漏极电连接；
第十五MOS管的源极、第二十一MOS管的漏极电连接；
第十六MOS管的源极、第二十二MOS管的漏极电连接；
第十七MOS管的源极、第二十三MOS管的漏极电连接；
第十八MOS管的源极、第二十四MOS管的漏极电连接；
第一MOS管的漏极、第二MOS管的漏极、第三MOS管的漏极、第四MOS管的漏极、第五MOS管的漏极、第六MOS管的漏极、第七MOS管的漏极、第八MOS管的漏极、第九MOS管的漏极、第十MOS管的漏极、第十一MOS管的漏极、第十二MOS管的漏极均电连接至电源正极；
第十三MOS管的源极、第十四MOS管的源极、第十五MOS管的源极、第十六MOS管的源极、第十七MOS管的源极、第十八MOS管的源极、第十九MOS管的源极、第二十MOS管的源极、第二十一MOS管的源极、第二十二MOS管的源极、第二十三MOS管的源极、第二十四MOS管的源极均电连接至电源负极；
第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管的P型衬底均电连接至电源正极；第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管、第十八MOS管、第十九MOS管、第二十MOS管、第二十一MOS管、第二十二MOS管、第二十三MOS管、第二十四MOS管的N型衬底均电连接至电源负极；
第一MOS管、第十三MOS管构成整形电路；其余MOS管构成核心电路。
所述ASIC工作在3V~18V这样的宽电压范围。
光电门中的光电接收器可以是光电二极管、光电三极管。
优选地，光电门中的光电接收器为光电三极管。
本发明的有益效果如下：
1、改变了现有技术中利用传感器测量单摆振动半周期的技术方案，变为测量测量单摆振动的完整周期，彻底消除了现有技术中对传感器放置位置必须在单摆平衡位置处的严苛要求，彻底消除了由于现有技术中由于传感器放置位置偏差而导致的系统误差，本发明中对传感器的放置位置没有任何限制，放置在除单摆振动端点外的任何一处均可实现单摆周期的准确测量；
2、彻底消除了现有技术中的由各种传感器的固有的回滞性、信号处理电路的传输特性而给单摆周期测量带来的难以确定的延时系统误差；
3、由于周期测量技术原理性的改变，由本发明的技术原理可知，当测量仪器长期使用、放置后，即使各种电子元件性能参数发生漂移，也不会对测试单摆周期造成影响，使用更加方便，仪器免于定期调校；
4、由于本发明所测量的是单摆的真实周期而不是半周期，不再需要半周期换算为真实周期，测量结果更容易理解、分析；
5、由于取消了现有技术中的运算放大器、电压比较器、A/D转换器，无需单独设立脉冲整形电路，整个电路全部由CMOS电路构成开关电路，因此本发明的电路结构更简单，抗干扰能力更强，电路功耗更低；
6、同时由于本发明的ASIC作为全定制的ASIC，可作为模块电路使用，无需外围电路，配套设计更方便，使用成本更低。
附图说明
图1为压电陶瓷片的电滞回线。
图2为现有技术中测量单摆周期时传感器的放置位置示意图。图中1为传感器。
图3为现有技术中测量单摆周期时传感器的放置位置距离单摆平衡位置略有偏差时，传感器的输出信号与时间的关系示意图。
图4为本发明中测量单摆周期时传感器的放置位置示意图，传感器的位置选择具有任意性。图中1为传感器。
图5为本发明中测量单摆周期时传感器的放置位置距离单摆平衡位置略有偏差时，传感器的输出信号与时间的关系示意图。
图6为本发明中专门设计的传感器信号处理电路原理图。
图7为实施例中的电路脉冲信号图。
图8为ASIC外形及引脚图。
图9为光电传感器电路。
具体实施方式
如图6、8所示，本发明的专门设计用于测量单摆真实周期的传感器信号处理的全定制ASIC，具有4个引脚，第一引脚为电源正极引脚，第二引脚为信号输入端，用于连接光电门电路的输出端，第三引脚为信号输出端，用于连接计时器和计数器，第四引脚为电源地线引脚。
所述ASIC包括24个MOS晶体管，24个MOS晶体管分别以T1~T24来表示，其中T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12为PMOS晶体管，T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24为NMOS晶体管。
T1的栅极、T13的栅极均电连接至传感器信号输入端（INPUT）；
T7的源极与T19的漏极均电连接至电路的信号输出端（OUTPUT），信号输出端连接至计时器电路、计数器电路；
T1的源极、T13的漏极、T14的栅极、T8的栅极、T9的栅极、T15的栅极、T12的栅极、T18的栅极均电连接至A点；
T2的栅极、T20的栅极、T3的源极、T9的源极、T15的漏极、T5的栅极、T23的栅极均电连接至B点；
T2的源极、T8的源极、T14的漏极、T10的栅极、T16的栅极均电连接至C点；
T3的栅极、T21的栅极、T4的源极、T10的源极、T16的漏极、T11的栅极、T17的栅极均电连接至D点；
T4的栅极、T22的栅极、T5的源极、T11的源极、T17的漏极、T6的栅极、T24的栅极均电连接至E点；
T6的源极、T12的源极、T18的漏极、T7的栅极、T17的栅极均电连接至F点；
T14的源极、T20的漏极电连接；
T15的源极、T21的漏极电连接；
T16的源极、T22的漏极电连接；
T17的源极、T23的漏极电连接；
T18的源极、T24的漏极电连接；
T1的漏极、T2的漏极、T3的漏极、T4的漏极、T5的漏极、T6的漏极、T7的漏极、T8的漏极、T9的漏极、T10的漏极、T11的漏极、T12的漏极均电连接至电源正极；
T13的源极、T14的源极、T15的源极、T16的源极、T17的源极、T18的源极、T19的源极、T20的源极、T21的源极、T22的源极、T23的源极、T24的源极均电连接至电源负极；
T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12的P型衬底均电连接至电源正极；T13、T14、T15、T16、T17、T18、T19、T20、T21、T22、T23、T24的N型衬底均电连接至电源负极。
T1、T13构成整形电路；其余MOS管构成核心电路。
由于本电路的特殊设计结构，仅在传感器信号输入端（INPUT）第N次由高电平状态跳变为低电平状态时，即传感器信号输入端（INPUT）接收到传感器电路发来的下降沿脉冲信号时，信号输出端（OUTPUT）才会发生由低电平变为高电平的状态转换，在传感器信号输入端（INPUT）第N次由低电平状态跳变为高电平状态时，即传感器信号输入端（INPUT）接收到传感器电路发来的上升沿脉冲信号时，信号输出端（OUTPUT）才会发生由高电平变为低电平的状态转换，这里N为奇数；
当N为偶数时，信号输出端（OUTPUT）不会发生变化，保持原来的低电平状态不变。可参照图7。
如图9所示，采用光电三极管、电阻串联的方式构成传感器电路，其输出端连接至ASIC的信号输入端（INPUT）。
在使用上述ASIC进行单摆周期测量，包括如下步骤：
（1）将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；
（2）使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；
（3）摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，传感器电路发出的脉冲信号的下降沿信号使ASIC状态由低电平状态翻转为高电平状态，对应的的下降沿时刻作为计时、计数起点，ASIC输出端输出高电平信号并发送给计时器电路、计数器电路；
（4）摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器电路发出的脉冲信号的上升沿信号使ASIC状态由高电平状态翻转为低电平状态；
摆球从反方向通过传感器所处位置时，ASIC对传感器电路发出的脉冲的上升沿信号、下降沿信号、高电平信号、低电平信号不作出响应，即ASIC的信号输出端保持为低电平状态；
（5）ASIC仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使ASIC状态发生翻转的下降沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述下降沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述下降沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元。
所述的“正方向”、“反方向”仅仅用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互换，技术方案实质不变。
本领域技术人员根据图6、8所示电路可知：
当光电三极管未被摆球遮挡时，传感器电路输出信号为高电平；当光电三极管被摆球完全遮挡时，传感器电路输出信号为低电平；当光电三极管由未被遮挡状态到完全被遮挡状态互相转换时，传感器电路输出信号为在高电平、低电平之间发生转换；如图7中（a）所示。
由于CMOS反相器构成的整形电路的电压传输特性十分陡峭，传感器电路输出信号经过整形电路后变成方波信号，ASIC输出端的波形如图7中（b）所示。
对于某次测量，固定好摆长后，单摆的周期测试结果如下：
| 次数 | 总用时（单位：s） | 周期（单位：s） |
| 1 | 1.6573 | 1.6573 |
| 2 | 3.3146 | 1.6573 |
| 3 | 4.9719 | 1.6573 |
| 4 | 6.6292 | 1.6573 |
| 5 | 8.2865 | 1.6573 |
| 6 | 9.9438 | 1.6573 |
| 7 | 11.6011 | 1.6573 |
| 8 | 13.2584 | 1.6573 |
为便于理解本发明的技术原理、技术方案，下面结合附图4、5来进行说明：
将传感器放置于单摆往复运动路径的除两端点外的任一处，如附图4中所示C点。当摆球每次通过传感器所处位置时，传感器均会发出一次脉冲信号。由于光电门固有的回滞性，单摆摆球第一次由O向A运动经过C点时，其使ASIC翻转的时刻对应于图5中t1、t2，摆球到达A点然后反向运动第一次由A向O运动经过C点时，其使ASIC翻转的时刻对应于图5中t3、t4，摆球过O点后继续由O向B运动到B点，再次反向运动，摆球第二次由O向A运动经过C点时，正好为一次完整的周期性运动，其使ASIC翻转的时刻对应于图5中t5、t6，依次类推，即每次脉冲信号的时间间隔为t1~t2、t3~t4、t5~t6、t7~t8……。
由于在一次实验中，各种光电门的性能无变化，尽管光电门及电路本身存在一定的未知时延，但图5中的t1、t4、t5、t8与各自通过邻近的平衡位置的时间差是固定不变的，t2、t3、t6、t7与各自通过邻近的平衡位置的时间差是也是固定不变的；由周期性定义可知，若选择传感器信号脉冲的t1~t5、t2~t6、t3~t7、t4~t8，这些时间间隔，则它们均等于真实的单摆周期。
由上述测量原理可知，当光电门、ASIC长期使用后发生性能漂移，则促使电路状态翻转的上阈值、下阈值将发生变化，也就是说，图5中的t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8…将在时间轴上发生向左或向右的偏移，然而，t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8…发生的偏移是向同一方向发生的相同大小的偏移。也就是说，尽管t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8…发生偏移，但t1~t5、t2~t6、t3~t7、t4~t8，这些时间间隔并不会发生变化。
由此可知，若在单摆周期测量中，选择t1~t5、t2~t6、t3~t7或t4~t8这些时间间隔作为单摆周期，则就从原理上消除了单摆周期测量的系统误差，并且即使传感器、ASIC长期性能漂移，也不会导致额外的系统误差，无需对设备进行定期调校。从整个过程来看，传感器的放置位置也不再要求在单摆平衡位置处（最低点），而是可以固定在摆球运动路径的任意一处，而不会对单摆周期测量带来系统误差。
Claims (8)
1.一种用于传感器信号处理的全定制ASIC（为专门应用而设计的集成电路），所述ASIC专门用于消除周期性往复运动的周期测量中的系统误差，所述系统误差是指由测量原理、测量仪器本身所带来的、不能通过多次测量取平均值的方法来消除、只能适当减小或不能减小的误差，其特征在于：
所述ASIC具有4个引脚，第一引脚为电源正极引脚，第二引脚为信号输入端，用于连接光电门电路的输出端，第三引脚为信号输出端，用于连接计时器和计数器，第四引脚为电源地线引脚；
所述ASIC仅对单摆摆球从正方向经过传感器位置时的输出信号作出响应，对单摆摆球从反方向经过传感器位置时的输出信号不作出响应，其输出信号的任意两个相邻脉冲之间的时间间隔即为单摆周期；
所述ASIC包括：传感器信号整形电路、启停控制电路、核心处理电路；所述电路具有一个传感器信号输入端（INPUT）、一个信号输出端（OUTPUT）；传感器信号输入端（INPUT）连接至传感器电路，信号输出端（OUTPUT）连接至计时器电路和/或计数器电路；所述ASIC的传感器信号整形电路、核心处理电路全部由MOS晶体管构成，无电阻、电容、电感等元件；所有MOS晶体管全部工作于开关状态；
所述ASIC包括24个MOS晶体管，24个MOS晶体管分别以第一MOS管~第二十四MOS管来表示，其中第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管为PMOS晶体管，第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管、第十八MOS管、第十九MOS管、第二十MOS管、第二十一MOS管、第二十二MOS管、第二十三MOS管、第二十四MOS管为NMOS晶体管；
第一MOS管的栅极、第十三MOS管的栅极均电连接至传感器信号输入端（INPUT）；
第七MOS管的源极与第十九MOS管的漏极均电连接至电路的信号输出端（OUTPUT），信号输出端连接至计时器电路、计数器电路；
第一MOS管的源极、第十三MOS管的漏极、第十四MOS管的栅极、第八MOS管的栅极、第九MOS管的栅极、第十五MOS管的栅极、第十二MOS管的栅极、第十八MOS管的栅极均电连接至A点；
第二MOS管的栅极、第二十MOS管的栅极、第三MOS管的源极、第九MOS管的源极、第十五MOS管的漏极、第五MOS管的栅极、第二十三MOS管的栅极均电连接至B点；
第二MOS管的源极、第八MOS管的源极、第十四MOS管的漏极、第十MOS管的栅极、第十六MOS管的栅极均电连接至C点；
第三MOS管的栅极、第二十一MOS管的栅极、第四MOS管的源极、第十MOS管的源极、第十六MOS管的漏极、第十一MOS管的栅极、第十七MOS管的栅极均电连接至D点；
第四MOS管的栅极、第二十二MOS管的栅极、第五MOS管的源极、第十一MOS管的源极、第十七MOS管的漏极、第六MOS管的栅极、第二十四MOS管的栅极均电连接至E点；
第六MOS管的源极、第十二MOS管的源极、第十八MOS管的漏极、第七MOS管的栅极、第十七MOS管的栅极均电连接至F点；
第十四MOS管的源极、第二十MOS管的漏极电连接；
第十五MOS管的源极、第二十一MOS管的漏极电连接；
第十六MOS管的源极、第二十二MOS管的漏极电连接；
第十七MOS管的源极、第二十三MOS管的漏极电连接；
第十八MOS管的源极、第二十四MOS管的漏极电连接；
第一MOS管的漏极、第二MOS管的漏极、第三MOS管的漏极、第四MOS管的漏极、第五MOS管的漏极、第六MOS管的漏极、第七MOS管的漏极、第八MOS管的漏极、第九MOS管的漏极、第十MOS管的漏极、第十一MOS管的漏极、第十二MOS管的漏极均电连接至电源正极；
第十三MOS管的源极、第十四MOS管的源极、第十五MOS管的源极、第十六MOS管的源极、第十七MOS管的源极、第十八MOS管的源极、第十九MOS管的源极、第二十MOS管的源极、第二十一MOS管的源极、第二十二MOS管的源极、第二十三MOS管的源极、第二十四MOS管的源极均电连接至电源负极；
第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管、第十二MOS管的P型衬底均电连接至电源正极；第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第十六MOS管、第十七MOS管、第十八MOS管、第十九MOS管、第二十MOS管、第二十一MOS管、第二十二MOS管、第二十三MOS管、第二十四MOS管的N型衬底均电连接至电源负极；
第一MOS管、第十三MOS管构成整形电路；其余MOS管构成核心电路；
所述传感器信号整形电路用于对传感器输出的模拟信号进行整形变为方波脉冲信号，方波脉冲信号输出至核心电路；
所述整形电路由两个结构对称的PMOS晶体管、NMOS晶体管以CMOS反相器的形式构成；整形电路接收来自光电门电路的输出信号，并将整形后的输出信号传送至核心处理电路；
所述核心电路专门用于：在设定的单摆单一运动方向的传感器脉冲信号下降沿到来时使ASIC输出电平由低电平状态翻转为高电平状态，并通知计时器、计数器记下当时的时间、振动次数；在设定的单摆单一运动方向的传感器脉冲信号上升沿到来时使ASIC输出电平由高电平状态翻转为低电平状态；且，当单摆在相反方向运动经过传感器时，核心电路对传感器电路发出的脉冲信号不作出任何响应，ASIC输出电平保持为低电平状态；即：
在传感器信号输入端（INPUT）第N次由高电平状态跳变为低电平状态时，即传感器信号输入端（INPUT）接收到传感器电路发来的下降沿脉冲信号时，信号输出端（OUTPUT）才会发生由低电平变为高电平的状态转换，在传感器信号输入端（INPUT）第N次由低电平状态跳变为高电平状态时，即传感器信号输入端（INPUT）接收到传感器电路发来的上升沿脉冲信号时，信号输出端（OUTPUT）才会发生由高电平变为低电平的状态转换，这里N为奇数；
当N为偶数时，信号输出端（OUTPUT）不发生变化，保持原来的低电平状态不变。
2.如权利要求1所述的ASIC，其特征在于：所述电路不含有运算放大器、电压比较器、A/D转换器。
3.如权利要求1-2任一项所述的ASIC，其特征在于：所述计时器电路采用石英晶体振荡器构成；所采用石英晶体振荡器的频率稳定度高于10-6，计时器的显示输出分辨率为0.1ms。
4.如权利要求1-3任一项所述的ASIC，其特征在于：所述ASIC工作在3V~18V这样的宽电压范围。
5.如权利要求1-4任一项所述的ASIC，其特征在于：当电路中一个或多个元件发生老化、性能漂移时，不影响单摆周期测量的准确性。
6.如权利要求1-5任一项所述的ASIC，其特征在于：与所述ASIC配合使用的传感器为光电门；光电门电路由光电三极管、电阻串联而成，光电三极管的集电极一端接电源正极，发射极一端接电阻的一端，并作为电路输出端，电阻的另一端接电源地线；光电三极管无基极引线。
7.一种用于消除单摆周期测量中的系统误差的方法，其特征在于：采用如权利要求1-6任一项所述的ASIC。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
（1）将传感器固定于单摆往复运动路径的除两端点外的任意一处；
（2）使摆球从某一位置处释放开始作简谐运动；定义摆球第一次经过传感器位置时的运动方向为正方向；
（3）摆球第一次从正方向通过传感器所处位置时，传感器电路发出的脉冲信号的下降沿信号使ASIC状态由低电平状态翻转为高电平状态，对应的的下降沿时刻作为计时、计数起点，ASIC输出端输出高电平信号并发送给计时器电路、计数器电路；
（4）摆球从正方向通过传感器所处位置时，传感器电路发出的脉冲信号的上升沿信号使ASIC状态由高电平状态翻转为低电平状态；
摆球从反方向通过传感器所处位置时，ASIC对传感器电路发出的脉冲的上升沿信号、下降沿信号、高电平信号、低电平信号不作出响应，即ASIC的信号输出端保持为低电平状态；
（5）ASIC仅将后续产生的摆球每次从正方向通过传感器所处位置时，使传感器发出脉冲信号并使ASIC状态发生翻转的下降沿信号发送到计时器电路、计数器电路；计时器电路、计数器电路每次收到所述下降沿信号，将摆动次数加1，取得前后相邻两次收到所述下降沿信号的时间间隔，得到的时间间隔作为单摆周期；将计数结果、单摆周期结果输出至显示器件和/或输出至计算单元；
所述的“正方向”、“反方向”仅仅用于表示摆球的两个相反的运动方向，而不是特指某个方向，即将前述的“正方向”、“反方向”互换，技术方案实质不变。
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Effective date of registration: 20230821 Address after: 226000 Jiangsu city of Nantong province sik Road No. 9 Patentee after: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd. Address before: 226019 Jiangsu Province, Nantong City Chongchuan District sik Road No. 9 Patentee before: NANTONG University |
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Application publication date: 20171208 Assignee: Nantong Guanjun Automation Technology Co.,Ltd. Assignor: Nantong University Technology Transfer Center Co.,Ltd. Contract record no.: X2023980054513 Denomination of invention: A fully customized ASIC for sensor signal processing and its application Granted publication date: 20201103 License type: Common License Record date: 20231229 |