CN111787857A - 双向传感器电路 - Google Patents
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Abstract
一种双向传感器电路，包括：具有第一端子和第二端子的感测阻抗；第一运算放大器，其非反相输入端连接至第一端子，并且其反相输入端连接至第二端子；第二运算放大器，其非反相输入端连接至第二端子，并且其反相输入端连接至第一端子；第一二极管，其阳极连接至第一运算放大器的反相输入端，并且其阴极连接至第一运算放大器的输出端；第二二极管，其阳极连接至第一运算放大器的输出端并连接至第一二极管的阴极；可变阻抗，其连接至第一二极管的阳极并连接至第二二极管的阴极；第四二极管，其阴极连接至第二二极管的阴极并连接至可变阻抗的一端；第三二极管，其阳极连接至第二运算放大器的反相输入端，并且其阴极连接至第二运算放大器的输出端并连接至第四二极管的阳极；可变阻抗，其连接至第四二极管的阴极并连接至第三二极管的阳极；其中，双向传感器电路的输入端由感测阻抗的端子组成，并且输出端在第二二极管的阳极处，并且感测连接至感测阻抗的第一端子的负载阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及使用运算放大器和接地参考去耦电路的双向电流传感器。本发明尤其涉及用于检测阻抗电流的变化的具有运算放大器的精密整流器电路的使用。
背景技术
许多用于测量阻抗上电流的装置将待测阻抗连接至由线圈或有源装置组成的测量电路，这些线圈或有源装置以任何一种方式将电噪声引入阻抗测量，从而改变测量的精度。
例如，霍尔效应电压传感器在低频下工作良好，但是随着频率的增加，所使用的电感器会产生降低传感器的准确度的称为失调电压的感应反向电压，以及需要补偿的位移温度，在本发明的情况下，传感器独立于磁力工作。
在现有技术中也已经做出努力来构建不连接至阻抗或待测导体的双向传感器，例如，电流表钳位电流传感器，其使用相同的霍尔效应原理，并且尽管它不需要直接与电流导体接触，但是对于低于400A的电流不敏感。
此外，用于感测电流或电压的其他电路在目标接地和参考接地之间连接待测的阻抗，当电子元件更改接地参考并以不同的值与电流和电压极性移动时，这成为问题。
在现有技术中，公开了诸如精密全波整流器的电路，其具有整流信号的功能，该信号通常以在约毫伏量级的幅度交替，其中传统整流器电路的二极管中的电压降成为重要的变量。然而，这些电路没有在运算放大器的正负输入端之间连接的阻抗，这允许感测感兴趣的负载阻抗，该负载阻抗的配置使得电压输出与运算放大器的反相输入端和非反相输入端之间的阻抗上的电流成正比。
在其他发明诸如US6985774B2中，该发明示出了通过压力感受器激活装置的调制或控制来控制心血管反射的系统，除其他技术之外，压力感受器激活装置为电刺激颈动脉窦、主动脉弓、心脏、颈总动脉、锁骨下动脉和/或头臂动脉中的压力感受器的装置。显然，在生物医学领域，需要电隔离的装置来测量或感应生物体中组织上的电流，因此这种类型的传感器是必需的，并且可以在市场中找到它们的空间。另一个示例为文献US2012/0302821，该文献示出了用于电磁刺激神经、肌肉和身体组织的方法和设备，其中，这些方法和设备使用传感器来检测由电路对患者身体产生的刺激，从而有时使用控制系统来改变或调制该电流。
而且，例如，在采用电磁场进行组织刺激的装备中，以及在诸如肌电图的研究领域中，传感器被用来记录身体的电信号。众所周知，该装备需要限制引向患者身体的电流，因此，几种电路的解决方案是放置保护阻抗以限制流向身体的电流，这意味着它们不会参考同一接地电平，因此难以在输出阶段在这些类型的装备中进行感测和测量。
总而言之，有必要具有一种双向感测电路，该电路允许在不具有对同一接地电平的参考且不影响低频下正确操作的电路负载上进行感测。
发明内容
一种双向传感器电路，包括：具有第一端子和第二端子的感测阻抗；第一运算放大器，其非反相输入端连接至第一端子，并且其反相输入端连接至第二端子；第二运算放大器，其非反相输入端连接至第二端子，并且其反相输入端连接至第一端子；第一二极管，其阴极连接至第一运算放大器的反相输入端，并且其阳极连接至第一运算放大器的输出端；第二二极管，其阳极连接至第一运算放大器的输出端并连接至第一二极管的阴极；可变阻抗，其连接至第一二极管的阴极并连接至第二二极管的阳极；第四二极管，其阳极连接至第二二极管的阴极并连接至可变阻抗的一端；第三二极管，其阴极连接至第二运算放大器的反相输入端，并且其阳极连接至第二运算放大器的输出端并连接至第四二极管的阴极；可变阻抗，其连接至第四二极管的阳极并连接至第三二极管的阴极；其中，双向传感器电路的输入端由感测阻抗的端子组成，并且输出端在第二二极管的阳极处，并且感测连接至感测阻抗的第一端子的负载阻抗。
在该电路中，输出端被短路的两个运算放大器的输出端置于二极管的阳极处。感测阻抗很小，因此待测负载的阻抗变化不包括在测量中。
可以通过可变阻抗来调节运算放大器的增益，并且以使得输出对应于在负载阻抗处流动的双向电流的相同精确值的方式来调节运算放大器的增益。
本发明不应与如图1所示的精密全波整流器相混淆，与该整流器不同，本发明包括连接在运算放大器的反相输入端和非反相输入端之间的阻抗，在该阻抗处进行测量。放大器的增益是可调的，并且以这样的方式进行配置：电压输出与运算放大器的负输入端和正输入端之间的阻抗上的电流成正比。
附图说明
图1示出了已知的全波精密整流器的设计。
图2示出了具有可变阻抗以用于调节增益的设计中的本发明的特定示例；运算放大器中的每者的反相输入端连接至另一个运算放大器的非反相输入端。
图3示出了具有可变电阻器以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端通过阻抗连接至另一个运算放大器的非反相输入端。
图4示出了具有可变阻抗以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端连接至另一个运算放大器的非反相输入端，与交流发电机串联连接的阻抗形电路并联连接至感测阻抗。
图5示出了具有可变电阻以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端通过阻抗连接至另一个运算放大器的非反相输入端。此外，电路包括串联连接至与感测阻抗并联连接的交流发电机的阻抗。
图6示出了具有可变阻抗以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端连接至另一个运算放大器的非反相输入端，此外它还连接至惠斯通电桥。
图7示出了具有可变电阻器以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端使用阻抗连接至另一个运算放大器的非反相输入端，并且它也连接至惠斯通电桥。
图8示出了具有可变阻抗以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端连接至另一个运算放大器的非反相输入端，其中二极管被反相并在电路的输出端连接至反相器。
图9示出了具有可变电阻以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端经由阻抗连接至另一个运算放大器的非反相输入端，其中二极管被反向并在电路的出口处连接至反相器。
图10示出了具有可变阻抗以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端连接至另一个运算放大器的非反相输入端，其中二极管被反相，并且它也在电路输出端连接至惠斯通电桥和反相器。
图11示出了具有可变电阻以调节增益的设计中的本发明的特定示例，并且运算放大器中的每者的反相输入端通过阻抗连接至另一个运算放大器的非反相输入端，其中二极管被反相，此外它还在电路输出端连接至惠斯通电桥和反相器。
图12示出了本发明的特定示例的框图。
具体实施方式
传感器为一种装置、模块或子系统，其目的是检测环境中的事件或变化，诸如光、力、振动、温度、声音、磁场或电流，并将信息发送至其他电子元件，其通常为计算机或处理器。感测动作是，例如，提取阻抗的电气变化并将已调制信号形式的信息发送至另一个电子元件。
在图2中，本发明为一种双向传感器电路，包括：具有第一端子(1a)和第二端子(1b)的感测阻抗(1)；第一运算放大器(2)，其非反相输入端连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)，其非反相输入端连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端连接至第一端子(1a)；第一二极管(4)，其阳极连接至第一运算放大器(2)的反相输入端，并且其阴极连接至第一运算放大器(2)的输出端；第二二极管(5)，其阳极连接至第一运算放大器(2)的输出端并连接至第一二极管(4)的阴极；可变阻抗(13)，其连接至第一二极管(4)的阳极并连接至第二二极管(5)的阴极；第四二极管(7)，其阴极连接至第二二极管(5)的阴极并连接至可变阻抗(13)的一端；第三二极管(6)，其阳极连接至第二运算放大器(3)的反相输入端，并且其阴极连接至第二运算放大器(3)的输出端并连接至第四二极管(7)的阳极；可变阻抗(12)，其连接至第四二极管(7)的阴极并连接至第三二极管(6)的阳极；其中，双向传感器电路的输入端由感测阻抗(1)的端子(1a)和(1b)组成，并且其输出端在第二二极管(5)的阳极处，并且感测连接至感测阻抗(1)的第一端子(1a)的负载阻抗。
调节两个运算放大器上的增益，以使电压输出等于负载阻抗和感测阻抗(1)上电流的相同精确值，并通过可变阻抗(12)和(13)调节该增益，对于本发明的特定示例，该可变阻抗为任何类型的可变阻抗。
作为本发明的特定示例，感测阻抗(1)和负载阻抗(14)之间的网格电路的电流值对应于感测阻抗(1)的第一端子(1a)处的电压值的整数倍。
在图3中，在本发明的另一个特定示例中，双向传感器电路的特征在于，第一运算放大器(2)的非反相输入端通过阻抗(9)连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端通过阻抗(11)连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)的非反相输入端通过阻抗(10)连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端通过阻抗(8)连接至第一端子(1a)；其中运算放大器由正电压V+和负电压V-供电。
在本发明的新的特定示例中，参考图4，双向传感器电路连接至与负载阻抗(14)串联的交流电流源(15)，未连接至交流电流源(15)的负载阻抗(14)的另一端连接至感测阻抗(1)的第一端子(1a)，交流电流源(15)的自由端连接至感测阻抗(1)的第二端子(1b)，这允许进行实验室测试。
在图5中，第一运算放大器(2)的非反相输入端通过阻抗(9)连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端通过阻抗(11)连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)的非反相输入端通过阻抗(10)连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端通过阻抗(8)连接至第一端子(1a)；并且正电压V+和负电压V-为运算放大器供电。这是本发明的另一个特定示例，其中双向传感器电路的特征在于，与负载阻抗(14)串联连接的交流电流源(15)也连接至第一端子(1a)，其中第二端子(1b)连接至交流电流源(15)的自由端，以进行实验室测试。
图6示出了本发明的另一特定示例，其中双向传感器电路的感测阻抗(1)的端子(1a)和(1b)连接至仪器惠斯通电桥(19)。
对于本发明，仪器惠斯通电桥(19)具有：第一端子(19a)、第二端子(19b)、第三端子(19c)和第四端子(19d)；连接至第一端子(19a)和第三端子(19c)的第一阻抗(19ac)；连接至第二端子(19b)和第三端子(19c)的第二阻抗(19bc)；连接至第二端子(19b)和第四端子(19d)的第三阻抗(19bd)；连接至第三端子(19c)和第四端子(19d)的交流电流源(15)；第一端子(19a)连接至感测阻抗(1)的第二端子(1b)；第二端子(19b)连接至感测阻抗(1)的第一端子(1a)；以及连接至第一端子(19a)和第四端子(19d)的负载阻抗(14)。
在图7中，对于本发明的双向传感器电路的另一个特定示例，第一运算放大器(2)的非反相输入端通过阻抗(9)连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端通过阻抗(11)连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)的非反相输入端通过阻抗(10)连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端通过阻抗(8)连接至第一端子(1a)；并且正电压V+和负电压V-为运算放大器供电。它还包括仪器惠斯通电桥(19)，该仪器惠斯通电桥(19)连接至感测阻抗(1)的端子(1a)和(1b)。
对于本发明，负载阻抗(14)对应于电路中待感测的阻抗，在惠斯通阻抗电桥的情况下并且对于本发明的任何特定示例，该阻抗尤其选自可变阻抗、光敏电阻器、热敏电阻器、磁传感器、压电传感器、用于测量磁场的感应传感器、电磁换能器以及前述的组合，但不限于该列表。
参考图5中的示例，详细地，在感测阻抗(1)上的交流输入信号的正半周期间，交流输入信号通过第一运算放大器(2)的非反相输入端进入，当第一二极管(4)断开时，可变阻抗(13)用作增益阻抗，并且第一运算放大器(2)在非反相放大器模式下工作，在这种情况下，增益是按照基于阻抗(11)的值的可变阻抗(13)的值来计算的，阻抗(1)上的电压被扩展并在二极管(5)的输出端进行测量。另一方面，在感测阻抗(1)上的信号的同一正半周期间，二极管(6)上的正电流将其保持闭合，并且第二运算放大器(3)被配置为电压跟随器模式。然而，在连接至第二运算放大器(3)的非反相输入端的第二端子(1b)处，存在负电压，该负电压使二极管(7)保持断开，因此在第二运算放大器(3)的输出端处感知到任何电压。
同时，在负半周期间，第一运算放大器(2)被配置为电压跟随器模式，当在连接至其非反相输入端的第一端子(1a)上接收到使二极管(5)断开的负电压时，在二极管(5)的输出端处感知不到电压。相反，第二放大器(3)使二极管(6)断开，因此阻抗(12)用作放大阻抗，然后第二运算放大器(3)被配置为在其非反相输入端上具有正电压的非反相放大器。因此，该配置维持正电压输出。
调节运算放大器(2)和(3)上的放大增益，使得电压输出与负载阻抗上的电流的相同值匹配，优选地，可变阻抗(13)的值可变，就像可变阻抗值(12)一样，并且(11)和(8)的阻抗值也相同。设计人员通过改变可变阻抗(13)和(12)的值来随意调节电路的增益。
这种配置使得两个放大器的输出端可以在仅一个处于导通时互连，并因此不会发生电压事故。此外，感测阻抗(1)与输入阻抗相比例如至少为一个数量级，因此在其上测得的电压可与要测量的信号阻抗上的电压相当。
在本发明的替代的特定示例中，参考图8，反向双向传感器电路包括：具有第一端子(1a)和第二端子(1b)的感测阻抗(1)；第一运算放大器(2)，其非反相输入端连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)，其非反相输入端连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端连接至第一端子(1a)；第一二极管(4)，其阴极连接至第一运算放大器(2)的反相输入端，并且其阳极连接至第一运算放大器(2)的输出端；第二二极管(5)，其阴极连接至第一运算放大器(2)的输出端并连接至第一二极管(4)的阳极；可变阻抗(13)，其连接至第一二极管(4)的阴极并连接至第二二极管(5)的阳极；第四二极管(7)，其阳极连接至第二二极管(5)的阳极并连接至可变阻抗(13)的一端；第三二极管(6)，其阴极连接至第二运算放大器(3)的反相输入端，并且其阳极连接至第二运算放大器(3)的输出端并连接至第四二极管(7)的阴极；可变阻抗(12)，其连接至第四二极管(7)的阳极并连接至第三二极管(6)的阴极；其中，双向传感器电路的输入端由感测阻抗(1)的端子(1a)和(1b)组成，并且其输出端在第二二极管(5)的阳极处连接至运算反相器电路(21)，并且感测连接至感测阻抗(1)的第一端子(1a)的负载阻抗。
对于本发明，运算反相器电路为使输入电压反相并采用放大的电路，例如，配置有单位负增益或确定的任何增益的运算放大器。
在图9中，作为本发明的反向双向传感器电路的另一个特定示例，第一运算放大器(2)的非反相输入端通过阻抗(9)连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端通过阻抗(11)连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)的非反相输入端通过阻抗(10)连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端通过阻抗(8)连接至第一端子(1a)；并且正电压V+和负电压V-为运算放大器供电。
在图10中，作为本发明的反向双向传感器电路的另一个示例，该图示出了仪器惠斯通电桥(19)，该仪器惠斯通电桥(19)连接至感测阻抗(1)的端子(1a)和(1b)。
在图10中，对于本发明的反向双向传感器电路的另一个特定示例，其中，第一运算放大器(2)的非反相输入端通过阻抗(9)连接至第一端子(1a)，并且其反相输入端通过阻抗(11)连接至第二端子(1b)；第二运算放大器(3)的非反相输入端通过阻抗(10)连接至第二端子(1b)，并且其反相输入端通过阻抗(8)连接至第一端子(1a)；并且正电压V+和负电压V-为运算放大器供电。它包括仪器惠斯通电桥(19)，该仪器惠斯通电桥(19)连接至感测阻抗(1)的端子(1a)和(1b)。
在图12中，作为本发明的另一个示例，用于感测一个或多个换能器上的电流变化的电路包括：双向传感器电路(22)；连接至双向传感器电路(22)的数模转换器(16)；连接至数模转换器(16)的控制单元(17)；连接至控制单元(17)的信号发生器(18)；一个或多个换能器(20)，其连接至信号发生器(18)的输出端并且连接至双向传感器电路(22)；其中，双向传感器电路(22)感测一个或多个换能器上的电流，并发送与一个或多个换能器(20)上的电流成正比地对应的电压。
可以使用双向传感器电路来调制信号(例如，来自信号发生器的信号)，其中，双向传感器电路被连接以感测该信号，并且其还被连接至数模转换器和控制单元，从而允许调制和控制信号发生器。
相反，作为本发明的另一个特定示例，对于双向传感器电路，第二二极管(5)的阳极连接至数模转换器(16)的输入端；以及控制单元(17)连接至数模转换器(16)的输出端。
另外，控制单元(17)连接至信号发生器(18)，信号发生器(18)连接至换能器(20)，换能器(20)连接至感测阻抗(1)的第一端子(1a)；其中，换能器(20)为负载阻抗(14)。
控制单元(17)使用数模转换器(16)的输出信号的反馈来命令信号发生器(18)。
同样，作为本发明的另一个示例，信号发生器(18)在阻抗上是去耦的，以便不改变负载阻抗(14)。
应当理解，本发明不限于为专家所描述和说明的示例，在不脱离仅由所附权利要求限定的本发明的精神的情况下，存在变化和可能的修改。
Claims (7)
1.一种双向传感器电路，包括：
-具有第一端子(1a)和第二端子(1b)的感测阻抗(1)；
-第一运算放大器(2)，其所述非反相输入端连接至所述第一端子(1a)，并且其反相输入端连接至所述第二端子(1b)；
-第二运算放大器(3)，其所述非反相输入端连接至所述第二端子(1b)，并且其反相输入端连接至所述第一端子(1a)；
-第一二极管(4)，其所述阳极连接至所述第一运算放大器(2)的所述反相输入端，并且其所述阴极连接至所述第一运算放大器(2)的所述输出端；
-第二二极管(5)，其所述阳极连接至所述第一运算放大器(2)的所述输出端并连接至所述第一二极管(4)的所述阴极；
-可变阻抗(13)，其连接至所述第一二极管(4)的所述阳极并连接至所述第二二极管(5)的所述阴极；
-第四二极管(7)，其所述阴极连接至所述第二二极管(5)的所述阴极并连接至所述可变阻抗(13)的一端；
-第三二极管(6)，其所述阳极连接至所述第二运算放大器(3)的所述反相输入端，并且其所述阴极连接至所述第二运算放大器(3)的所述输出端并连接至所述第四二极管(7)的所述阳极；
-可变阻抗(12)，其连接至所述第四二极管(7)的所述阴极和所述第三二极管(6)的所述阳极；
其中，所述双向传感器电路的所述输入端由所述感测阻抗(1)的所述端子(1a)和(1b)组成，并且所述输出端在所述第二二极管(5)的所述阳极处并感测连接至所述感测阻抗(1)的所述第一端子(1a)的负载阻抗。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一运算放大器(2)的所述非反相输入端通过阻抗(9)连接至所述第一端子(1a)，并且其反相输入端通过阻抗(11)连接至所述第二端子(1b)；所述第二运算放大器(3)的所述非反相输入端通过阻抗(10)连接至所述第二端子(1b)，并且其反相输入端通过阻抗(8)连接至所述第一端子(1a)。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，所有所述二极管的所述阳极-阴极端子都被反向，反相器电路(14)连接至所述二极管的所述阴极，通过其阳极连接至所述第一运算放大器(2)的所述输出端。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述感测阻抗(1)的所述端子(1a)和(1b)连接至仪器惠斯通电桥(19)；所述仪器惠斯通电桥(19)具有：
-第一端子(19a)、第二端子(19b)，第三端子(19c)和第四端子(19d)；
-第二阻抗(19ac)，其连接至所述第一端子(19a)并连接至所述第三端子(19c)；
-第三阻抗(19bc)，其连接至所述第二端子(19b)和所述第三端子(19c)；
-第四阻抗(19bd)，其连接至所述第二端子(19b)和所述第四端子(19d)；
-交流发电机(15)，其连接至所述第三端子(19c)和所述第四端子(19d)；
-所述第一端子(19a)连接至所述感测阻抗(1)的所述第二端子(1b)；
-所述第二端子(19b)连接至所述感测阻抗(1)的所述第一端子(1a)；以及
-负载阻抗(14)，其连接至所述第一端子(19a)和所述第四端子(19d)。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第二二极管(5)的所述阳极连接至数模转换器(16)的所述输入端；以及控制单元(17)连接至所述数模转换器(16)的所述输出端。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述控制单元(17)连接至信号发生器(18)，所述信号发生器(18)连接至换能器(20)，所述换能器(20)连接至所述感测阻抗(1)的所述第一端子(1a)；其中，所述换能器(20)为所述负载阻抗(14)。
7.一种具有反相器的双向传感器电路，包括：
-具有第一端子(1a)和第二端子(1b)的感测阻抗(1)；
-第一运算放大器(2)，其所述非反相输入端连接至所述第一端子(1a)，并且其反相输入端连接至所述第二端子(1b)；
-第二运算放大器(3)，其所述非反相输入端连接至所述第二端子(1b)，并且其反相输入端连接至所述第一端子(1a)；
-第一二极管(4)，其所述阴极连接至所述第一运算放大器(2)的所述反相输入端，并且其所述阳极连接至所述第一运算放大器(2)的所述输出端；
-第二二极管(5)，其所述阴极连接至所述第一运算放大器(2)的所述输出端并连接至所述第一二极管(4)的所述阳极；
-可变阻抗(13)，其连接至所述第一二极管(4)的所述阴极并连接至所述第二二极管(5)的所述阳极；第四二极管(7)，其所述阳极连接至所述第二二极管(5)的所述阳极并连接至所述可变阻抗(13)的一端；
-第三二极管(6)，其所述阴极连接至所述第二运算放大器(3)的所述反相输入端，并且其所述阳极连接至所述第二运算放大器(3)的所述输出端并连接至所述第四二极管(7)的所述阴极；
-可变阻抗(12)，其连接至所述第四二极管(7)的所述阳极和所述第三二极管(6)的所述阴极；
其中，所述双向传感器电路的所述输入端由所述感测阻抗(1)的所述端子(1a)和(1b)组成，并且所述输出端在连接至运算反相器电路(21)的所述第二二极管(5)的所述阳极处，并且感测连接至所述感测阻抗(1)的所述第一端子(1a)的负载阻抗。
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