CN109873643B - 交流电供电的电阻式传感器的a/d采样电路及采样方法 - Google Patents
交流电供电的电阻式传感器的a/d采样电路及采样方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路及采样方法，A/D采样电路包括：输入端口、二极管、第一电阻、电容、第二电阻、异或门、第一模拟开关、第二模拟开关、分压电阻、电阻式传感器、以及测试点；分压电阻一端口与第一模拟开关的第一输出端口相连接；电阻式传感器一端口与分压电阻相连接，另一端口与第二模拟开关的第二输出端口相连接。分压电阻以及电阻式传感器串联在第一输出端口与第二输出端口之间，且输入端口处于工作状态时，第二模拟开关与第一模拟开关的导通状态不同，因而能够为电阻式传感器提供交流电供电电源，避免直流分量对电阻式传感器的性能造成劣化，保证电阻式传感器的使用寿命和稳定性且测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，具体指一种交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路及采样方法。
背景技术
利用高分子聚合物、氯化锂电解质等敏感材料的电阻值随被测量值而变化原理工作的电阻式相对湿度传感器，不能用直流电或含有直流分量的交流电供电，否则会导致传感器性能劣化甚至失效。
电阻式相对湿度传感器是依据金属氧化物陶瓷、高分子聚合物、或氯化锂电解质等湿敏材料吸收水分而改变导电特性的原理制成。由于受只能由交流电(通常电源频率f＝1kHz)供电的限制，如何高精度地实现A/D数字化转换一直是一个挑战。
目前主流的电路变换技术是：
1，使用交流电桥方案，将电阻式相对湿度传感器作为交流电桥的一臂接入电路，经放大器放大、整流、滤波后送A/D数字化转换处理；此方案的缺点是不适合自动化采样测试；
2，将电阻式相对湿度传感器作为一可变电阻器接入R-C振荡器，控制器通过检测R-C振荡器输出信号的振荡周期而获得环境的相对湿度参数；此方案的缺点是加载到传感器上的测试电源的频率是连续变化的，且作为测试结果的输出频率易受振荡电容器、振荡电路翻转阈值等参数的影响。
因此一种改进的电路变换技术是所期望的。
发明内容
本发明解决的技术问题为提供一种交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路及采样方法，能够满足被测电阻式相对湿度传感器在交流矩形波电压供电的条件下完成对该传感器电阻值的采样，并获得高精度的测试结果。
为解决上述问题，本发明提供一种交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，包括：输入端口、二极管、第一电阻、电容、第二电阻、异或门、第一模拟开关、第二模拟开关、分压电阻、电阻式传感器、以及测试点；所述二极管的正极端口与所述输入端口相连接；所述第一电阻的第一端口与所述二极管的负极端口相连接；所述电容一端口与所述第一电阻的第二端口相连接，另一端口接地；所述第二电阻一端口与所述第一电阻的第二端口相连接，另一端口接地；所述异或门的第一输入端口与所述第一电阻的第二端口相连接，所述异或门的第二输入端口与所述输入端口相连接；所述第一模拟开关具有第一输入端口、第一输出端口、第一电源端口以及第一接地端口，所述第一输入端口与所述异或门的输出端口相连接；所述第二模拟开关具有第二输入端口、第二输出端口、第二电源端口以及第二接地端口，所述第二输入端口与所述输入端口相连接，且所述第二输入端口与所述第一输入端口的电平相位相反时，所述第二模拟开关与所述第一模拟开关的导通状态不同；所述分压电阻具有第一分压端口以及第二分压端口，所述第一分压端口与所述第一输出端口相连接；所述电阻式传感器具有第三分压端口以及第四分压端口，所述第三分压端口与所述第二分压端口相连接，所述第四分压端口与所述第二输出端口相连接；所述测试点与所述第三分压端口相连接。
相应地，本发明还提供一种对上述采用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路进行采样的采样方法，包括：向所述输入端口提供控制信号；在所述输入端口处于工作状态且输入端口为低电平时，所述测试点的电压为所述电阻式传感器的端电压，采集所述电阻式传感器的端电压并进行A/D转换获取第一采样数值；在所述输入端口处于工作状态且输入端口为高电平时，所述测试点的电压为所述分压电阻的端电压，采集所述分压电阻的端电压并进行A/D转换获取第二采样数值；基于所述第一采样数值、所述第二采样数值以及所述分压电阻的电阻值，获取所述电阻式传感器的电阻值。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：
本发明提出一种创新性的用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，通过设计输入端口、二极管、第一电阻、电容、第二电阻、异或门、第一模拟开关、第二模拟开关、分压电阻、电阻式传感器以及测试点之间的特殊连接关系，使得设计的A/D采样电路能够为电阻式传感器提供交流电供电，避免直流分量对电阻式传感器的性能造成劣化，且对采样电路进行采样获取的电阻式传感器的电阻值的精度高。并且，由二极管、第一电阻、电容、第二电阻以及电容构成的电路模块能够检知输入端口的工作状态，当输入端口处于休眠状态时，使得电阻式传感器处于断电状态，也就是说，本发明提供的采样电路设计有自动关闭电阻式传感器的交流驱动电源的功能，有利于延长电阻式传感器的工作寿命。
另外，采样电路还包括运算放大器。运算放大器构成电压跟随电路，以便于将后接的A/D转换电路的输入阻抗对测试点的分流作用降到最低，从而避免了A/D转换电路的输入阻抗对于测试点的干扰，有利于提高测试采样精度。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明一实施例提供的用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路的电路结构图；
图2为图1提供的A/D采样电路工作时各主要端口的电压波形图；
图3为图1中输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为低电平时采样电阻网络的等效电路图；
图4为图1中输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为高电平时采样电阻网络的等效电路图；
图5为本发明另一实施例提供的用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路的电路结构图。
具体实施方式
由背景技术可知，需要提供一种全新的能够为电阻式相对湿度传感器提供交流电供电电源的A/D采样电路，同时满足测量精度高、稳定性好以及工作寿命长的需求。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，不仅能够为电阻式传感器提供交流电供电电源，避免直流分量造成的电阻式传感器性能劣化，因而A/D采样电路稳定性好，且能够保证采样测量精度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
图1为本发明一实施例提供的用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路的电路结构图。
参考图1，本实施例提供的用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路包括：输入端口CK、二极管CR1、第一电阻R1、电容C1、第二电阻R2、异或门U1、第一模拟开关SW1、第二模拟开关SW2、分压电阻Rdiv、电阻式传感器Rsnr以及测试点A；所述二极管CR1的正极端口与所述输入端口CK相连接；所述第一电阻R1的第一端口d1与所述二极管CR1的负极端口相连接；所述电容C1一端口与所述第一电阻R1的第二端口d2相连接，另一端口接地GND；所述第二电阻R2一端口与所述第一电阻R1的第二端口d2相连接，另一端口接地；所述异或门U1的第一输入端口1与所述第一电阻R1的第二端口d2相连接，所述异或门U2的第二输入端口2与所述输入端口CK相连接；所述第一模拟开关SW1具有第一输入端口16、第一输出端口14、第一电源端口11以及第一接地端口13，所述第一输入端口16与所述异或门U1的输出端4相连接；所述第二模拟开关SW2具有第二输入端口26、第二输出端口24、第二电源端口21以及第二接地端口23，所述第二输入端口26与所述输入端口CK相连接，且所述第二输入端口26与所述第一输入端口16的电平相位相反时，所述第二模拟开关SW2与所述第一模拟开关SW1的导通状态不同；所述分压电阻Rdiv具有第一分压端口7以及第二分压端口8，所述第一分压端口7与所述第一输出端口14相连接；所述电阻式传感器Rsnr具有第三分压端口9以及第四分压端口10，所述第三分压端口9与所述第二分压端口8相连接，所述第四分压端口10与所述第二输出端口24相连接；所述测试点A与所述第三分压端口9相连接。
以下将结合附图对本实施例提供的A/D采样电路进行详细说明。
所述二极管CR1、第一电阻R1、第二电阻R2以及电容C1构成第一模块I，所述第一模块I为输入端口CK的状态检知电路。具体地，所述第一模块I的功能为，检测出输入端口CK的工作状态，使得电阻式传感器Rsnr处于断电状态或者处于交流电供电状态。
结合参考图2，图2为图1提供的A/D采样电路工作时各主要端口的电压波形图，其中，CK为输入端口CK的电压波形图，C1.1为电容C1两端电压波形图，SW1.4为第一模拟开关SW1的第一输出端口14的电压波形图，SW2.4为第二模拟开关SW2的第二输出端口24的电压波形图。
二极管CR1、第一电阻R1、第二电阻R2以及电容C1构成充放电结构。第一电阻R1具有第一电阻值r1，第二电阻R2具有第二电阻值r2，电容C1具有电容值c1，且r1＜＜r2，充电时可以忽略第二电阻R2的影响，充电常数TON≈r1×c1；且由于二极管CR1具有单向导通特性，因此放电常数TOFF≈r2×c1，且TON＜＜TOFF。
当输入端口CK处于休眠状态(sleeping)时，输入端口CK电平为低电平，电容C1通过第二电阻R2持续放电，使得异或门U1第一输入端口1的电压值VU1.1≈0V；异或门U1的输出端口4与输入端口CK的电平相位相同，均为低电平。
当输入端口CK处于工作状态(working)时，输入端口CK为矩形波电压，占空比为50％，以频率f＝1kHz为例，以下将按照输入端口CK为高电平和低电平两种情况进行分析：
当输入端口CK为高电平时，电容C1通过第一电阻R1充电，经过，经过TON≈r1×c1时长后充电至电容C1的端电压VC1>0.7VCC，VCC为工作电源电压值，使得异或门U1的第一输入端口1为高电平，因而异或门U1输出端口4具有低电平。因此，异或门U1输出端口4与输入端口CK电平相位相反。
当输入端口CK为低电平时，二极管CR1处于反向截止状态，第一电阻R1对电容C1不构成放电回路，电容C1仅通过第二电阻R2放电，且由于TOFF≈r2×c1足够大，因而经过输入端口CK的半个输入周期(500μS)放电后仍成立VC1>0.7VCC；因而，在输入端口CK的矩形波持续期间，VC1能够维持异或门U1的第一输入端口1持续具有高电平，因此，异或门U1的输出端口4与输入端口CK电平相位相反。
当输入端口CK再次回到休眠状态时，输入端口CK电压为低电平，经过n个TOFF≈r2×c1持续放电后使得VC1<0.3VCC，此时异或门U1第一输入端口1具有低电平。
举例来说，当r1＝10kΩ，r2＝1MΩ，c1＝10nF条件下，根据测试，TON≈0.12mS，TOFF≈4mS。
由上述分析可知，当所述输入端口CK处于休眠状态(sleeping)时，输入端口CK为低电平，异或门U1的第一输入端1为低电平，因而异或门U1的第二输入端口2与输出端口4电平相位相同。当输入端口CK处于工作状态(working)时，无论输入端口CK为高电平还是低电平，通过二极管CR1、第一电阻R1、第二电阻R2以及电容C1组成的电路能够维持异或门U1的第一输入端口1为高电平，使得异或门U1输出端口4与异或门U1第二输入端口2电平相位相反。
所述输入端口CK处于休眠状态时，所述第一输出端口14电压值与所述第二输出端口24电压值相同。具体地，输入端口CK处于休眠状态时，即输入端口CK为低电平，异或门U1的第一输入端口1为低电平，使得异或门U1的输出端口4与第二输入端口2的电平相位相同，第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2的导通状态相同，即，第一模拟开关SW1中的第一输出端口14与第一接地端口13导通，所述第二模拟开关SW2中的第二输出端口24与第二接地端口23导通，当第一接地端口13与第二接地端口23均与地端GND直接连接时，第一输出端口14电平V14与第二输出端口24电平V24相等，且V14＝V24＝VGND＝0V，因此，分压电阻Rdiv与电阻式传感器Rsnr构成的电阻分压网络两端的电位差等于0V，从而达到关闭电阻式传感器供电电源的效果。
当所述输入端口CK处于工作状态时，异或门U1输出端口4与异或门U1第二输入端口2电平相位相反，也就是说，第一模拟开关SW1的第一输入端口16与第二模拟开关SW2的第二输入端口26电平相位相反，因而所述第一模拟开关SW1与所述第二模拟开关SW2的导通状态不同。以下结合参考图2，按照输入端口CK为高电平和低电平两种情形进行说明：
所述输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为低电平时，异或门U1输出端口4为高电平，第一模拟开关SW1的第一输出端口14与第一电源端口11导通，第一电源端口11与工作电源VCC直接连接时，第一输出端口14的电平V14＝+VCC；第二模拟开关SW2的第二输出端口24与第二接地端口23导通，第二输出端口24的电平V24＝VGND；相应地，分压电阻Rdiv与电阻式传感器Rsnr构成的电阻分压网络两端的电位差等于+VCC。
所述输入端口CK处于工作状态且所述输入端口CK为高电平时，异或门U1输出端口4为低电平，第一模拟开关SW1的第一输出端口14与第一接地端口13导通，因而第一输出端口14的电平V14＝VGND；第二模拟开关SW2的第二输出端口24与第二电源端口21导通，第二电源端口21与工作电源VCC直接连接时，第二输出端口24的电平V24＝+VCC；相应地，分压电阻Rdiv与电阻式传感器Rsnr构成的电阻分压网络两端的电位差等于-VCC。
因此，在输入端口CK处于工作状态下，由于电阻分压网络两端的电位差在+VCC与-VCC之间变化，从而达到为电阻式传感器Rsnr提供交流电供电电源的效果，且为电阻式传感器Rsnr供电的交流电的频率与输入端口CK控制信号频率一致，为电阻式传感器Rsnr供电的交流电的频率与输入端口CK控制信号的相位相差180°。
第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2构成第二模块II，用于产生电阻式传感器Rsnr的交流电供电电源。
具体地，由前述分析可知，通过第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2具有不同导通状态的组合，能够形成关断电阻式传感器Rsnr的交流电供电电源以及接通电阻式传感器Rsnr的交流电供电电源两种状态；并且，电阻式传感器Rsnr的交流电供电电源频率与输入端口CK控制信号频率相同，相位相差180°。
本实施例中，第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2采用的模拟开关器件的电气参数相同，具体地，可采用同一型号的模拟开关器件作为第一模拟开关SW1以及第二模拟开关SW2。如图1所示，模拟开关器件内部具有选通端S、工作电源端VCC、地端GND、第一选择端B1、第二选择端B2以及输出端A。第一模拟开关SW1第一输入端口16与选通端S连接，第一电源端口11与第二选择端B2连接，第一接地端口13与第一选择端B1连接；第二模拟开关SW2第二输入端口26与选通端S连接，第二电源端口21与第二选择端B2连接，第二接地端口23与第一选择端B1连接。
表一为模拟开关器件的真值表，选通端S为低电平时，输出端A与第一选择端B1导通，选通端S为高电平时，输出端A与第二选择端B2导通。
表一
| 选通端S | 模拟开关器件导通状态 |
| 低电平 | 输出端A—第一选择端B1导通 |
| 高电平 | 输出端A—第二选择端B2导通 |
分压电阻Rdiv与电阻式传感器Rsnr构成第三模块III，第三模块III为采样电阻网络。分压电阻Rdiv可以采用高精度、低温度系数的精密电阻，有利于在整个工作环境条件下分压电阻Rdiv始终保持良好的精度与稳定性。
本实施例中，电阻式传感器指的是电阻式相对湿度传感器。高分子聚合物电阻式相对湿度传感器在其工作参数范围内的输出电阻值的变化范围非常大，例如，在温度变化范围5～45℃、相对湿度变化范围为10％～95％条件下，湿度传感器电阻值的变化范围可达0.75～6000000kΩ。
A/D采样电路还包括：控制器(未图示)，控制器通过控制输出线与输入端口CK相连接，以向输入端口CK提供控制信号；控制器具有A/D转换电路(未图示)，A/D转换电路通过模拟量输入线与测试点A相连接，采集测试点A的电压并转化为采样数值，该采样数值为用户可读取的二进制数值。
以本实施例中涉及的电阻式相对湿度传感器Rsnr的工作参数范围内，理论上一个18位二进制或以上的A/D转换电路能够保证测量结果具有足够的精确度及分辨率。需要说明的是，综合元器件成本、实际测量结果的精确度及分辨率需求，可合理设置A/D转换电路的二进制位数。
控制器的控制输出线主要有以下三个功能：第一，作为电阻式传感器Rsnr驱动电压的开关，即为电阻式传感器Rsnr两端提供交流电供电电源的开关，当输入端口CK休眠时提供低电平的控制信号，使得电阻式传感器Rsnr两端的端电压为零，以延长电阻式传感器Rsnr的使用寿命。第二，作为电阻式传感器Rsnr驱动电压的频率控制源。第三，用于同步A/D的采样定时，即分时采样“传感器电阻”及“分压电阻”的端电压、确定“采样时刻”；由于输入端口CK的输入频率由控制器内部产生的，因而A/D采样定时也是可以精确受控的。
本实施例中，A/D采样电路还包括：运算放大器U2，运算放大器U2的正相输入端与测试点A相连接，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端口5相连接，输出端口5与实际采样点B相连接，实际采样点B的电压与测试点A的电压相同。
运算放大器U2作为A/D采样电路的第四模块IV，构成电压跟随电路。运算放大器U2的输出端口5的电压与测试点A的电压相同。运算放大器U2应该具有极低的“输入偏置电流”、“输入失调电压”的特性，用于阻断后级A/D转换电路对于采样电阻网络的输出信号产生的分流影响。
具体地，控制器中的A/D转换电路具有一定的输入阻抗，将运算放大器U2设置于测试点A与A/D转换电路之间，能够将A/D转换电路的输入阻抗对采样电阻网络的分流作用降到最低，从而减小甚至阻断控制器对于测试点A产生的分流影响，减小测试点A受到的分流干扰。
本实施例中，控制器的模拟量输入线通过与实际采样点B直接连接的方式，实现与测试点A电连接的目的。
本实施例设计的A/D采样电路中，利用二极管CR1、第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1、异或门U1、第一模拟开关SW1以及第二模拟开关SW2，形成了为电阻式传感器Rsnr供电的交流电供电电源，从而满足了电阻式相对湿度传感器Rsnr对于供电电源必须为交流电的要求。
同时，当输入端口CK输入频率f＝1kHz的占空比为50％矩形波时，电阻式相对湿度传感器Rsnr的供电电压VSNR＝VRdiv+VRsnr的直流分量为零、幅度VP-P＝2Vcc，为电阻式传感器Rsnr供电的为交流矩形波电压；该交流矩形波电压通过分压电阻Rdiv施加到电阻式传感器Rsnr两端。
需要说明的是，虽然第一模拟开关SW1的导通电阻RDSON1以及第二模拟开关SW2的导通电阻RDSON2的一致性会影响施加到电阻式传感器Rsnr上的供电电压的正负幅度，但是，由于RDSON1＜＜rsnr，且RDSON2＜＜rsnr，rsnr为电阻式传感器Rsnr的端电压值，因此导通电阻RDSON1以及导通电阻RDSON2的对于供电电压正负幅度的影响可以忽略不计。
并且，本实施例的A/D采样电路具有自动关闭电阻式传感器Rsnr交流驱动电压的功能，即电阻式传感器Rsnr不工作时，可将电阻式传感器Rsnr的交流端电压设置为0V，以延长电阻式传感器Rsnr的使用寿命。具体地，电阻式传感器Rsnr不工作时，将输入端口CK设置为低电平，因而，第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2的导通状态相同，采样电阻网络的端电压为0V，也就是说，电阻式传感器Rsnr两端的驱动电压为零。
此外，本实施例的A/D采样电路中影响测量精确度与稳定性的主要影响因素有：第一，电阻式传感器参数的长期稳定性以及一致性；第二，分压电阻Rdiv参数的精度以及稳定性；第三，运算放大器U2参数的输入偏置电流、输入失调电压、稳定性以及一致性；第四，控制器中A/D转换电路参数的转换精度、分辨率以及稳定性。
根据不同测量精度的设计需求，可通过对上述影响因素的选择和控制，能够兼顾元器件成本、满足测量精度的要求。具体包括如下几个方面：第一，采用稳定性高以及一致性好的电阻式传感器，如采用高分子聚合物或者氯化锂制成的电阻式相对湿度传感器；第二，采用具有高精度以及高稳定性的分压电阻Rdiv，采用精密电阻作为分压电阻Rdiv；第三，采用具有极低输入偏置电流以及低输入失调电压的运算放大器U2作为电压跟随电路；第四，根据元器件成本、设计精度的不同要求，采用相适应的A/D转换电路。
由上述分析可知，通过电阻式传感器Rsnr、分压电阻Rdiv、运算放大器U2以及控制器参数的调整，能够进一步提高测量精确度。
需要说明的是，当输入端口CK为矩形波电压时，相应地为电阻式传感器Rsnr供电的为交流矩形波电压；为确保电阻式传感器Rsnr中没有直流分量，需要保持交流矩形波电压正负幅度一致且占空比为50％。通常控制器中CPU的定时器精度足以保证矩形波电压的占空比保持50％，避免占空比偏离50％而导致的为电阻式传感器供电的交流电源中包含有直流分量。
相应地，本发明还提供一种对上述采用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路进行采样的方法。以下将结合附图对本实施例提供的采用的方法进行详细说明。
结合参考图1，采样方法包括：首先，向输入端口CK提供控制信号；在输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为低电平时，所述测试点A的电压为所述电阻式传感器Rsnr的端电压，采集所述电阻式传感器Rsnr的端电压并进行A/D转换获取第一采样数值Dsnr；在所述输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为高电平时，所述测试点A的电压为所述分压电阻Rdiv的端电压，采集所述分压电阻Rdiv的端电压并进行A/D转换获取第二采样数值Ddiv；基于第一采样数值Dsnr、第二采样数值Ddiv以及所述分压电阻Rdiv的电阻值rdiv，获取所述电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr。
以下将对采样方法进行详细说明。
由前述实施例中的分析可知，异或门U1和输入端口CK共同构成为采样电阻网络供电电压的开关，且VSNR＝Vsnr+Vdiv，VSNR为采样电阻网络供电电压即分压电阻Rdiv与电阻式传感器Rsnr的端电压，Vsnr为电阻式传感器Rsnr的端电压，Vdiv为分压电阻Rdiv的端电压。
其中，当异或门U1第一输入端口1为低电平时，即输入端口CK为休眠状态时，VSNR＝0V；当异或门U1第一输入端口1为高电平即，即输入端口CK为工作状态时，第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2的开关状态相反，VSNR＝±VCC，具体地，输入端口CK为高电平时VSNR＝-VCC，输入端口CK为低电平时VSNR＝+VCC。
以下将进行详细说明。
当异或门U1第一输入端口1为低电平时，异或门U1输出端口4与第二输入端口2电平同相，即第一模拟开关SW1的第一输入端口16与第二模拟开关SW2的第二输入端口26电压相同，第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2导通状态相同，第一输出端口14与第一接地端口13导通且第二输出端口24与第二接地端口23导通，或者，第一输出端口14与第一电源端口11导通且第二输出端口24与第二电源端口21导通。因此，VSNR＝V14-V24＝0V。
当异或门U1第一输入端口1为高电平时，异或门U1输出端口4与第二输入端口2电平相位相反，即第一输入端口16与第二输入端口26电平相位相反，因而第一模拟开关SW1与第二模拟开关SW2开关状态相反。
参考图3，图3为图1中输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为低电平时采样电阻网络的等效电路图。
当输入端口CK为低电平时，第一输入端口16为高电平，第一输出端口14与第一电源端口11导通，因而第一输出端口14接通工作电源VCC；同时，第二输入端口26为低电平，第二输出端口24与第二接地端口23导通，因而第二输出端口24接通地端GND。得到VSNR＝V14-V24＝VCC-0＝+VCC，此时输出测试点A的电压值VA对应电阻式传感器Rsnr的端电压Vsnr。通过n-bit的A/D转换后，得到第一采样数值Dsnr的读值。
并且，第一采样数值Dsnr、分压电阻Rdiv的电阻值rdiv、电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr以及n满足以下关系：
参考图4，图4为图1中输入端口CK处于工作状态且输入端口CK为高电平时采样电阻网络的等效电路图。
当输入端口CK为高电平时，第一输入端口16为低电平，第一输出端口14与第一接地端口13导通，因而第一输出端口14接通地端GND；同时，第二输入端口26为高电平，第二输出端口24与第二电源端口21导通，因而第二输出端口24接通工作电源VCC。得到VSNR＝V14-V24＝0-VCC＝-VCC，测试输出测试点A的电压值VA对应分压电阻Rdiv的端电压Vdiv。通过n-bit的A/D转换后，得到第二采样数值Ddiv的读值。
并且，第二采样数值Ddiv、分压电阻Rdiv的电阻值rdiv、电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr以及n满足以下关系：
基于上述公式(1)和公式(2)，可以得到以下关系：
基于公式(3)，可以获知，电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr满足以下关系：
由此，根据第一采样数值Dsnr、第二采样数值Ddiv以及已知的分压电阻Rdiv的电阻值rdiv，可以求得电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr，并且电阻式传感器Rsnr的电阻值单位与分压电阻Rdiv的电阻值单位相同。
以电阻式传感器为电阻式相对湿度传感器为例，在交流电供电的条件下，测出电阻式传感器Rsnr的端电阻，再根据环境温度参数确定相对湿度值。需要说明的是，为了保证精度，通常电阻式相对湿度传感器的测量范围被限制在10％～95％。
本实施例中，采样时刻被安排在输入端口CK的高/低逻辑电平切换点之前，这样可以减少电路状态切换的过渡过程对采样精度造成的影响。
结合参考图2，在输入端口CK由低电平切换为高电平之前，对电阻式传感器Rsnr端电压进行采样读取第一采样数值Dsnr，图2中以箭头r示出第一采样数值Dsnr的采样时刻；在输入端口CK由高电平切换为低电平之前，对分压电阻Rdiv端电压进行采样读取第二采样数值Ddiv，图2中以箭头v示出了第二采样数值Ddiv的采样时刻。
并且，本实施例中采用两相位采样方法进行采样。具体地，在输入端口CK处于工作状态期间电阻式传感器Rsnr供电电压为交流矩形波电压；在电阻式传感器Rsnr供电电压的0°～180°相位期间，对电阻式传感器Rsnr的端电压进行采样，获取第一采样数值Dsnr，得到上述公式(1)；在电阻式传感器Rsnr供电电压的180°～360°相位期间，对分压电阻Rdiv的端电压进行采样，获取第二采样数值Ddiv，得到上述公式(2)。
由于电阻式传感器Rsnr、运算放大器U2以及A/D转换电路输出的直流蠕动、漂移等在单个电源周期(1mS)时间内的不良影响通常是在同一个方向上的，采用两相位采样方法可以部分抵消不稳定因素所引入的采样误差，从而进一步地提高采样精确度。
本实施例提供的采样方法，能够为电阻式传感器Rsnr提供交流电供电电源，且测量获得的电阻式传感器Rsnr的电阻值的精确度高，在保证采样精度的同时，能够改善电阻式传感器Rsnr的使用寿命和工作稳定性。
本发明另一实施例还提供一种用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，本实施例提供的A/D采样电路与前一实施例提供的A/D采样电路基本类似，考虑到运算放大器的输出电压摆幅限制，本实施例在工作电源与地端之间设置了第三电阻、第四电阻以及第五电阻。以下将结合附图进行详细说明，需要说明的是，与前一实施例相同或相应地部分，以下将不做赘述。
图5为本发明另一实施例提供的用交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路的电路结构图。
A/D采样电路包括：还包括：输入端口CK、二极管CR1、第一电阻R1、电容C1、第二电阻R2、异或门U1、第一模拟开关SW1、第二模拟开关SW2、分压电阻Rdiv、电阻式传感器Rsnr、测试点A、运算放大器U2、实际采样点B以及控制器V。还包括：依次串联在工作电源VCC与地端GND之间的第三电阻R5、第四电阻R6以及第五电阻R7，所述第三电阻R5与所述第四电阻R6相连接处为第一参考节点b1，所述第四电阻R6与所述第五电阻R7相连接处为第二参考节点b2，所述第一参考节点b1与所述第一电源端口11以及所述第二电源端口21相连接，所述第二参考节点b2与所述第一接地端口13以及所述第二接地端口23相连接。
相应地，第一电源端口11电压、第二电源端口21电压与第一参考节点b1电压相同，第一接地端口13电压、第二接地端口23电压与第二参考节点b2电压相同。
所述第一参考节点b1的电压值、所述第二参考节点b2的电压值以及所述工作电源VCC的电压值满足以下关系：Vb1＝X％VCC，Vb2+Vb1＝VCC，其中，97.5≤X≤99.5，Vb1为第一参考节点的电压值，Vb2为第二参考节点的电压值，VCC为工作电源VCC的电压值。
本实施例中，以X＝99为例，当输入端口CK处于工作状态且为低电平时，第一模拟开关SW1的第一输出端口14与第一电源端口11导通，第一输出端口14的电压值V14＝0.99VCC，第二模拟开关SW2的第二输出端口24与第二接地端口23导通，第二输出端口24的电压值V24＝0.01VCC；当输入端口CK处于工作状态且为高电平时，第一模拟开关SW1的第一输出端口14与第一接地端口13导通，第一输出端口14的电压值V14＝0.01VCC，第二模拟开关SW2的第二输出端口24与第二电源端口21导通，第二输出端口24的电压值V24＝0.99VCC。
第三电阻R5、第四电阻R6以及第五电阻R7的作用在于：受到运算放大器U2器件工艺的限制，运算放大器U2具有电压输出摆幅极限(voltage output swing from rail)＝25mVMAX的限制；而上述三个电阻能够产生两个参考电压Vb1和Vb2，以X为99为例，Vb1≈99％Vcc，Vb2≈1％Vcc，使得电阻式传感器Rsnr在任何取值时与分压电阻Rdiv配合时，仍能够保持运算放大器U2输出端口5的电压在1％VCC～99％VCC范围内，以满足运算放大器U2在VCC＝3.3V单电源供电时对电压输出摆幅极限＝25mVMAX的限制。
在其他实施例中，X还可以为其他合适的数值，两个参考电压Vb1和Vb2也可以由其他电路技术手段实现。
本实施例中，采用的电阻式传感器为电阻式相对湿度传感器，型号为HIS-06-S。性能指标如下：
工作电压：正弦波或者方形波，f＝1kHz，Vp-p≤5.5V，P≤1mW(max)；工作温度：0℃～50℃；工作相对湿度：10％～95％RH；稳定性：≤0.5％RH/℃；相对湿度检测一致性：≤±3％RH；响应速度：小于15S；耐水性：浸水10分钟，晾干恢复后，相对湿度变化小于2％；浸水30分钟，晾干恢复后，相对湿度变化小于5％。
本实施例中，采用的异或门U1型号为SN74AHC1G86；第一模拟开关SW1以及第二模拟开关SW2采用的模拟开关器件型号为SN74LVC1G3157，主要电气参数如下：供电电源(supply voltage)＝1.65～5.5V；工作温度(operating temperature)＝-40～85℃；轨到轨信号处理(rail-to-rail signal handling)；导通电阻(on-state switch resistance)Ron≈9Ω(供电电源为3V条件下)；选通端S为低电平时，输出端口A与第一选择端B1导通；选通端A为高电平时，输出端口A与第二选择端B2导通。
运算放大器U2为具有极低输入偏置电流以及输入失调电压的运算放大器，能够为采样电阻网络(即分压电阻Rdiv和电阻式传感器Rsnr)提供输入偏置电流仅为1pA、输入失调电压为1mV的1:1电压跟随电路，从而保证了后接的A/D转换电路对采样电阻网络的分流影响达到非常低的水平。
本实施例中，采用的运算放大器U2型号为OPA348DCK，主要电气参数如下：供电电源＝2.1～5.5V；工作温度＝-40～125℃；轨到轨：输入和输出(rail-to-rail：input andoutput)；输入偏置电流(Input bias current)IB＝±0.5pA；输入失调电压(input offsetvoltage)Vos＝1mV；电压输出摆幅极限(voltage output swing from rail)＝25mVMAX。
需要说明的是，上述第一模拟开关SW1、第二模拟开关SW2、运算放大器U2、电阻式传感器Rsnr以及异或门U1的器件类型只是用于举例说明，在其他实施例中，还可以选用具有其他合适电气参数的器件作为电阻式传感器、异或门、运算放大器、第一模拟开关以及第二模拟开关。
本实施例中，A/D采样电路还可以包括多个旁路电容(bypass capacitor)，旁路电容能够将输入信号中的高频噪声滤除。旁路电容包括：第一旁路电容C3、第二旁路电容C4、第三旁路电容C5以及第四旁路电容C6。
第一旁路电容C3一端连接异或门U1的工作电源VCC，另一端接地GND；第二旁路电容C4一端连接运算放大器U2的工作电源VCC，另一端接地GND；第三旁路电容C5一端连接第一模拟开关SW1的工作电源VCC，另一端接地GND；第四旁路电容C6一端连接第二模拟开关SW2的工作电源VCC，另一端接地GND。
本实施例中，A/D采样电路还可以包括：输出电阻R8，输出电阻R8的一端与运算放大器U2的输出端口5连接，另一端与实际采样点B连接；输出电容C2，输出电容C2一端与实际采样点B连接，另一端接地GND。
其中，旁路电容的电容值可以为1μF，输出电阻R8的电阻值可以为47Ω；输出电容C2的电容值可以为10nF。
本实施例提供的A/D采样电路，不仅能够为电阻式传感器Rsnr提供交流电供电电源，避免直流分量对电阻式传感器Rsnr的稳定性以及工作寿命造成不良影响，并且，通过在工作电源VCC与地端GND串联三个电阻(第三电阻R5、第四电阻R6以及第五电阻R7)，使得电阻式传感器Rsnr在任何取值时与分压电阻Rdiv配合仍能保证运算放大器U2的输出端口5的电压在1％VCC～99％VCC范围内，以满足运算放大器U2在VCC＝3.3V单电源供电时对电压输出摆幅极限＝25mVMAX的限制。
相应地，本实施例还提供一种对上述A/D采样电路进行采样的方法。有关获取第一采样数值Dsnr以及第二采样数值Ddiv的步骤的详细描述，可参考前一实施例的相应说明。以下将对第一采样数值Dsnr、第二采用数值Ddiv、分压电阻Rdiv的电阻值rdiv、电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr的函数关系式进行说明：
读取第一采样数值Dsnr，此时测试点A的电压值Vsnr对应为电阻式传感器Rsnr端电压，即Vsnr为A/D转换电路对应对电阻式传感器Rsnr采样时的模拟量端电压；读取第二采样数值Ddiv，此时测试点A的电压值Vdiv对应为分压电阻Rdiv端电压，即Vdiv为A/D转换电路对应对分压电阻Rdiv采样时的模拟量端电压。
Ddiv、Dsnr、Vsnr、Vdiv、工作电源VCC的电压值VCC以及A/D转换电路的二进制位数n满足以下关系：
Vsnr、rsnr、rdiv以及VCC满足以下关系：
Vdiv、rsnr、rdiv以及VCC满足以下关系：
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根据上述公式(7)(8)可以获知：
根据公式(9)可以获知：
根据上述公式(5)(6)(10)，可以获知电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr满足如下函数关系式：
由此，可以求得电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr，并且电阻式传感器Rsnr的电阻值单位与分压电阻Rdiv的电阻值单位相同。
需要说明的是，Vb1＝X％VCC时，电阻式传感器Rsnr的电阻值rsnr满足以下关系：
本实施例提供的采样电路，能够避开运算放大器U2的输出电压摆幅极限对于A/D采样电路的限制，从而有利于进一步的提高采样精确度。
本发明实施例提供的采样电路具有以下有益的技术效果：
首先，该采样电路仅使用了两根连接线与控制器相连接，即控制输出线与输入端口相连接，模拟量输入线与实际采样点相连接，具有结构简单的特点。
其次，输入端口具有以下功能：一、输入端口输入低电平时，采样电路处于休眠状态：可切断施加在采样电阻网络两端的交流矩形波电压；二、输入端口输入频率1kHz、占空比50％的矩形波电压时，采样电路处于工作状态：可施加同频率、无直流分量的交流矩形波电压到采样电阻网络两端；三、在采样电路处于工作状态且输入端口为低电平时，可对“电阻式传感器”两端电压进行采样；在采样电路处于工作状态且输入端口为高电平时，可对“分压电阻”两端电压进行采样；四、采样时刻被安排在输入端口的高/低逻辑电平切换点之前，可以减少采样电路状态切换的过渡过程对采样精度造成的不利影响；由于输入端口的矩形波电压是由控制器产生的，因此该采样时刻也是精确可控的。
再次，采用“两相位采样”方法，可以减弱、部分抵消由于运算放大器、A/D转换电路的模拟参数随时间而产生的漂移、蠕动等所引起的误差。
最后，引入参考节点电压的设计，可以避开运算放大器、A/D转换电路在输入电压最小值以及最大值附近的“盲区”，扩展了线性范围。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，包括：输入端口、二极管、第一电阻、电容、第二电阻、异或门、第一模拟开关、第二模拟开关、分压电阻、电阻式传感器、以及测试点，其特征在于：
所述二极管的正极端口与所述输入端口相连接；
所述第一电阻的第一端口与所述二极管的负极端口相连接；
所述电容一端口与所述第一电阻的第二端口相连接，另一端口接地；
所述第二电阻一端口与所述第一电阻的第二端口相连接，另一端口接地；
所述异或门的第一输入端口与所述第一电阻的第二端口相连接，所述异或门的第二输入端口与所述输入端口相连接；
所述第一模拟开关具有第一输入端口、第一输出端口、第一电源端口以及第一接地端口，所述第一输入端口与所述异或门的输出端口相连接；
所述第二模拟开关具有第二输入端口、第二输出端口、第二电源端口以及第二接地端口，所述第二输入端口与所述输入端口相连接，且所述第二输入端口与所述第一输入端口的电平相位相反时，所述第二模拟开关与所述第一模拟开关的导通状态不同；
所述分压电阻具有第一分压端口以及第二分压端口，所述第一分压端口与所述第一输出端口相连接；
所述电阻式传感器具有第三分压端口以及第四分压端口，所述第三分压端口与所述第二分压端口相连接，所述第四分压端口与所述第二输出端口相连接，且所述测试点与所述第三分压端口相连接。
2.如权利要求1所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，其特征在于，还包括：控制器，所述控制器通过控制输出线与所述输入端口相连接；所述控制器具有A/D转换电路，所述A/D转换电路通过模拟量输入线与所述测试点相连接，采集所述测试点的电压并转化为采样数值。
3.如权利要求2所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，其特征在于，还包括：运算放大器，所述运算放大器的正相输入端与所述测试点相连接，所述运算放大器的反相输入端与所述运算放大器的输出端相连接并与所述模拟量输入线相连接。
4.如权利要求1或3所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，其特征在于，还包括：依次串联在工作电源与地端之间的第三电阻、第四电阻以及第五电阻，所述第三电阻与所述第四电阻相连接处为第一参考节点，所述第四电阻与所述第五电阻相连接处为第二参考节点，所述第一参考节点与所述第一电源端口以及所述第二电源端口相连接，所述第二参考节点与所述第一接地端口以及所述第二接地端口相连接。
5.如权利要求1所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，其特征在于，所述第一模拟开关与所述第二模拟开关采用的模拟开关器件的电气参数相同。
6.如权利要求1或5所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，其特征在于，所述输入端口处于休眠状态时，所述第一输出端口电压值与所述第二输出端口电压值相同；所述输入端口处于工作状态且所述输入端口为高电平时，所述第一输出端口与所述第一接地端口导通，所述第二输出端口与所述第二电源端口导通；所述输入端口处于工作状态且所述输入端口为低电平时，所述第一输出端口与所述第一电源端口导通，所述第二输出端口与所述第二接地端口导通。
7.如权利要求1所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路，其特征在于，所述电阻式传感器为电阻式相对湿度传感器。
8.一种对如权利要求1-7任一项所述的交流电供电的电阻式传感器的A/D采样电路进行采样的采样方法，其特征在于，包括：
向所述输入端口提供控制信号；
在所述输入端口处于工作状态且输入端口为低电平时，所述测试点的电压为所述电阻式传感器的端电压，采集所述电阻式传感器的端电压并进行A/D转换获取第一采样数值；
在所述输入端口处于工作状态且输入端口为高电平时，所述测试点的电压为所述分压电阻的端电压，采集所述分压电阻的端电压并进行A/D转换获取第二采样数值；
基于所述第一采样数值、所述第二采样数值以及所述分压电阻的电阻值，获取所述电阻式传感器的电阻值。
9.如权利要求8所述的采样方法，其特征在于，在所述输入端口处于工作状态期间所述电阻式传感器供电电压为交流矩形波电压；在所述电阻式传感器供电电压的0°～180°相位期间，获取所述第一采样数值；在所述电阻式传感器供电电压的180°～360°相位期间，获取所述第二采样数值。
10.如权利要求8所述的采样方法，其特征在于，所述第一电源端口、所述第二电源端口与工作电源直接连接，所述第一接地端口、所述第二接地端口与地端直接连接；所述电阻式传感器的电阻值满足如下关系：rdiv为所述分压电阻的电阻值，rsnr为所述电阻式传感器的电阻值，Dsnr为所述第一采样数值，Ddiv为所述第二采样数值。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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