CN117848391A - 基于可变电阻的检测电路、检测电路板及检测设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种基于可变电阻的检测电路、检测电路板及检测设备,涉及电子电路技术领域,本方案的电路通过参考基准模块提供参考电压,利用恒流激励模块对可变电阻的变化转换为电压,从而利用差分放大模块对两者电压进行差分放大,且通过电阻修正模块对电路的输出电压进行修正补偿,从而实现高精度检测。而且,本方案的电路结构简单,电路能够快速地响应物理量的变化,从而为物理量检测提供更快的响应速度。
Description
技术领域
本申请涉及电子电路技术领域,尤其涉及一种基于可变电阻的检测电路、检测电路板及检测设备。
背景技术
基于铂电阻或热敏电阻等可变电阻进行温度、压力等物理量的检测有着较大的应用场景,且利用可变电阻的检测方案也越来越要求具有较高的测量精度,如基于可变电阻的测温方案在各行各业中均有广泛的应用,但随着智能物联技术的飞速发展,对测温提出了更高的要求,不仅要求测温的精度高,还要求测温的响应快。但相关技术中通常采用ADC(Analog To Digital Converter,模数转换器)+MCU(Microcontroller Unit,微控制单元)组合的方式进行温度测量,虽然该方式测温精度高,但缺点同样明显,由于测温响应和采样速率的影响,该方式难以达到高响应速度,且成本也比较高。
在一些系统控制应用场景,往往需要温度检测响应速度快、精度高的方案,相关技术所提供的ADC+MCU的方式难以满足上述场景的需求。
发明内容
本申请提供了一种基于可变电阻的检测电路、检测电路板及检测设备,本方案提供的电路具有优异的非线性修正能力和良好的线性度,保证测量的高精度的同时,还能提升测量的响应速度。
第一方面,本申请提供一种基于可变电阻的检测电路,其用于对可变电阻的变化阻值进行检测,其包括参考基准模块、恒流激励模块、差分放大模块和电阻修正模块。
其中,参考基准模块的输入端接入输入电压,参考基准模块用于输出恒定的参考电压;
恒流激励模块的第一输入端连接参考基准模块的输出端,恒流激励模块的第二输入端连接可变电阻的一端,可变电阻的另一端连接恒流激励模块的输出端,且恒流激励模块用于根据可变电阻的变化阻值调节所输出的激励电压;
差分放大模块的第一输入端连接恒流激励模块的输出端,差分放大模块的第二输入端连接参考基准模块的输出端,差分放大模块用于放大激励电压和参考电压之间的差值;
电阻修正模块的输入端连接参考基准模块的补偿节点端,电阻修正模块的另一端连接恒流激励模块的输出端,电阻修正模块用于对恒流激励模块输出的激励电压进行补偿修正。
第二方面,本申请还提供了一种检测电路板,其包括上述方面提供的基于可变电阻的检测电路。
第三方面,本申请还提供了一种检测设备,其包括上述方面提供的检测电路板。
本申请方案的电路通过参考基准模块提供参考电压,利用恒流激励模块对可变电阻的变化转换为电压,从而利用差分放大模块对两者电压进行差分放大,且通过电阻修正模块对电路的输出电压进行修正补偿,从而实现高精度检测。而且,本方案的电路结构简单,电路能够快速地响应物理量的变化,从而为物理量检测提供更快的响应速度。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的基于可变电阻的检测电路的原理框图;
图2为本申请一实施例提供的参考基准模块的电路示意图;
图3为本申请一实施例提供的恒流激励模块的电路示意图;
图4为本申请一实施例提供的差分放大模块的电路示意图;
图5为本申请一实施例提供的基于可变电阻的检测电路的电路示意图;
图6为铂电阻PT1000实际值与理论值在各温度的差值的曲线图;
图7为修正后的铂电阻PT1000实际值与理论值在各温度的差值的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请实施例作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请实施例,而非对本申请实施例的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本申请实施例相关的部分而非全部结构,本领域技术人员在阅读本申请说明书后,应该能够想到,只要技术特征不互相矛盾,那么技术特征的任意组合均可以构成可选的实施方式。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施,且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类,并不限定对象的个数,例如第一对象可以是一个,也可以是多个。此外,说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一,字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。在本申请的描述中,“多个”表示两个及以上,“若干”表示一个及以上。
为了便于理解本申请方案,下面以应用于温度检测的场景为例对方案进行阐述。可以想到的是,在应用于其他的物理量检测如压力检测的场景中也可采用本申请方案。
铂电阻、热敏电阻等可变电阻的阻值能够随着温度的变换而变化,进而在测温技术中应用广泛,但是对于一些应用场景来说,需要可变电阻具有较快的响应速度和较高的精度,相关技术中采用ADC+MCU的方式虽然能够满足高精度的要求,但其相应速度较慢。为此,采用模拟电路进行温度变送的方式能够更好地节省成本,并且其响应速度较快,但该方式却存在精度较低的问题。
因此,本申请提供了一种基于可变电阻的检测电路、检测电路板及检测设备,该基于可变电阻的检测电路能够快速地响应并且还具有较高精度。为了更好地阐述本申请方案,本方案以可变电阻为铂电阻为例进行说明。应当想到的是,本方案还可以应用于采用热敏电阻、镍电阻等可变电阻替换铂电阻以进行温度检测的场景中。
图1为本申请一实施例提供的基于可变电阻的检测电路的原理框图,如图所示,基于可变电阻的温度送变电路包括参考基准模块110、恒流激励模块120、差分放大模块130和电阻修正模块140。
其中,参考基准模块110的输入端接入输入电压,参考基准模块110用于输出恒定的参考电压,从而为恒流激励模块120提供恒定电流。恒流激励模块120的第一输入端连接参考基准模块110的输出端,恒流激励模块120的第二输入端连接可变电阻的一端,可变电阻的另一端连接恒流激励模块120的输出端。在可变电阻为铂电阻的情况下,铂电阻同样采用上述的连接方式与恒流激励模块120连接。
可以想到的是,铂电阻在温度变化的情况下阻值同样发生变化,因此,在可变电阻为铂电阻的情况下,由于铂电阻连接恒流激励模块120的输出端和恒流激励模块120的第二输入端,从而形成反馈,使得恒流激励模块120能够根据铂电阻的变化阻值调节所输出的激励电压。
差分放大模块130作为恒流激励模块120的下一级模块,差分放大模块130的第一输入端连接恒流激励模块120的输出端,差分放大模块130的第二输入端连接参考基准模块110的输出端,因此,差分放大模块130会对恒流激励模块120的输出(即激励电压)和参考基准模块110的输出(即参考电压)进行差值放大,即差分放大模块130用于放大激励电压和参考电压之间的差值。
而电阻修正模块140起到补偿修正的作用,其中,电阻修正模块140的输入端连接参考基准模块110的补偿节点端,电阻修正模块140的另一端连接恒流激励模块120的输出端,电阻修正模块140用于对恒流激励模块120输出的激励电压进行补偿修正。
由上述方案可知,本方案的电路通过参考基准模块提供参考电压,利用恒流激励模块对铂电阻的变化转换为电压,从而利用差分放大模块对两者电压进行差分放大,且通过电阻修正模块对电路的输出电压进行修正补偿,从而实现高精度的温度测量。而且,本方案的电路结构简单,电路能够快速地响应温度的变化,从而为温度测量提供更快的响应速度。
在一实施例中,图2为本申请一实施例提供的参考基准模块的电路示意图,如图2所示,参考基准模块包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3和第一运算放大器A1。
具体地,第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3依次串联,第一分压电阻R1的第一端接入输入电压,且第一分压电阻R1的第二端连接电阻修正模块的输入端,即第一分压电阻R1的第二端为参考基准模块的补偿节点端,且第一分压电阻R1的第二端为与第二分压电阻R2连接的一端;
第三分压电阻R3的第一端连接第一运算放大器A1的同相输入端,第一运算放大器A1的反相输入端连接第一运算放大器的输出端。而第三分压电阻R3的第二端接地,第三分压电阻R3的第一端为与第二分压电阻R2连接的一端。
可以理解的是,第一分压电阻R1、第二分压电阻R2和第三分压电阻R3串联分压,从而为第一运算放大器A1的同相输入端提供分压后的电压值,即第三分压电阻R3上的电压。而第一运算放大器A1的连接方式使得第一运算放大器A1可作为电压跟随器,即第一运算放大器A1输出电压与其同相输入端的电压相等。因此,参考基准模块所提供的参考电压是恒定的电压值。
进而,在将参考基准模块所提供的参考电压接入恒流激励模块后,其可向铂电阻提供恒定电流,使得铂电阻因温度变化而变化的阻值转换为电压信号,使得温度测量更加准确。
可以想到的是,虽然铂电阻能够随着温度变化其阻值也发生变化,但在实际应用中,铂电阻的实际阻值与理性的线性阻值之间存在差异,而导致存在非线性误差。因此,在一些实施例中,电阻修正模块包括补偿电阻,补偿电阻的一端连接参考基准模块的第一分压电阻的第二端,而该补偿电阻的第二端则连接恒流激励模块的输出端,从而对恒流激励某块所转换的电压信号进行补偿修正,以对温度变送所产生的非线性误差进行修正。
图3为本申请一实施例提供的恒流激励模块的电路示意图,如图所示,恒流激励模块包括第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6和第二运算放大器A2。
具体地,第四分压电阻R4的一端连接第五分压电阻R5的第一端,第五分压电阻R5的第二端接地。第二运算放大器A2的同相输入端连接第五分压电阻R5的第一端,第二运算放大器A2的反相输入端分别连接第六分压电阻R6的一端以及铂电阻RT的一端,第二运算放大器A2的输出端连接铂电阻RT的另一端,且第六分压电阻R6的另一端接地。
可以理解的是,第二运算放大器A2的同相输入端所接入的电压由第四分压电阻R4和第五分压电阻R5对参考基准模块的输出电压分压而确定,且由于运算放大器虚短虚断的特性,且通过铂电阻RT形成负反馈,对此,第二运算放大器A2的输出电压关联于铂电阻RT、第六分压电阻R6以及第二运算放大器A2的同相输入端的电压。因此,当铂电阻RT因温度变化而变化时,第二运算放大器A2的输出电压同样发生变化。
需要说明的是,第四分压电阻R4的阻值、第五分压电阻R5的阻值和第六分压电阻R6的阻值均与铂电阻RT在0摄氏度时的阻值相等,以实现对铂电阻的调零。
参照图3,VC为C点电压,即参考基准模块的输出电压,而VD为第二运算放大器A2的同相输入端(图中D点)的电压,VE为第二运算放大器A2的反相输入端(图中E点)的电压,VF为第二运算放大器A2的输出端(图中F点)的电压,Vout为差分放大模块的输出,gain表示差分放大模块的放大增益。其中,第四分压电阻R4的阻值、第五分压电阻R5的阻值和第六分压电阻R6的阻值均与铂电阻RT在0摄氏度时的阻值相等,以R4表示第四分压电阻R4的阻值,以R5表示第五分压电阻R5的阻值,以R6表示第六分压电阻R6的阻值,各电压的计算公式如下:
由于第六分压电阻R6的阻值与铂电阻RT在0摄氏度时的阻值相等,RT-R6则表示为铂电阻RT在0℃基础上的电阻变化量,即温度变化而引起的变化量;而则表示流经铂电阻两端的电流。因此,Vout表示为铂电阻RT的电阻变化量转换为电压并放大gain倍,即该电压值可用于表示温度变化所引起的电压变化量。
因此,在恒流激励模块的作用下,电路能够将铂电阻因温度而变化的阻值转换为电压值,并对应地根据铂电阻的变化阻值调节所输出的激励电压,以便于后续对温度值的计算。
图4为本申请一实施例提供的差分放大模块的电路示意图,如图所示,差分放大模块包括第七分压电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9、反馈电阻R10和第三运算放大器A3。
具体地,第七分压电阻R7的第一端连接恒流激励模块的输出端,第七分压电阻R7的第二端连接第八分压电阻R8,第八分压电阻R8接地。第九分压电阻R9的第一端连接参考基准模块的输出端,第九分压电阻R9的第二端连接反馈电阻R10的第一端。第三运算放大器A3的同相输入端连接第七分压电阻R7的第二端,第三运算放大器A3的反相输入端连接第九分压电阻R9的第二端,第三运算放大器A3的输出端连接反馈电阻R10的第二端。
可以理解的是,由于运算放大器虚短虚断的特性,差分放大模块的输出电压是关联于第七分压电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9、反馈电阻R10以及输入电压(即所接入的激励电压VF和参考电压VC),计算公式如下:
需要说明的是,为了便于计算,可将电路中的第七分压电阻R7的阻值与第九分压电阻R9的阻值相等,第八分压电阻R8的阻值与反馈电阻R10的阻值相等。因此差分放大模块的输出电压即该差分放大器的增益gain为/>从而使得差分放大模块的输入电压和输出电压成比例放大。
图5为本申请一实施例提供的基于可变电阻的检测电路的电路示意图,如图所示,参考基准模块110包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3和第一运算放大器A1。恒流激励模块120包括铂电阻RT、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6和第二运算放大器A2。差分放大模块130包括第七分压电阻R7、第八分压电阻R8、第九分压电阻R9、反馈电阻R10和第三运算放大器A3。
具体地,第一分压电阻R1的第一端接入输入电压,且第一分压电阻R1的第二端连接补偿电阻R11的一端,即第一分压电阻R1的第二端为参考基准模块110的补偿节点端,且第一分压电阻R1的第二端连接第二分压电阻R2的一端,第二分压电阻R2的另一端连接第三分压电阻R3的第一端。第三分压电阻R3的第一端连接第一运算放大器A1的同相输入端,第一运算放大器A1的反相输入端连接第一运算放大器的输出端。而第三分压电阻R3的第二端接地,第三分压电阻R3的第一端为与第二分压电阻R2连接的一端。
第四分压电阻R4的一端连接第一运算放大器R1的输出端,第四分压电阻R4的另一端连接第五分压电阻R5的第一端,第五分压电阻R5的第二端接地。第二运算放大器A2的同相输入端连接第五分压电阻R5的第一端,第二运算放大器A2的反相输入端连接第六分压电阻R6的一端,而第六分压电阻R6的另一端接地。第二运算放大器A2的反相输入端还连接铂电阻RT的一端,第二运算放大器A2的输出端连接铂电阻RT的另一端,且第二运算放大器A2的输出端还连接补偿电阻R11的另一端。
第七分压电阻R7的第一端连接第二运算放大器A2的输出端,第七分压电阻R7的第二端与接地的第八分压电阻R8连接。第九分压电阻R9的第一端连接第一运算放大器A1的输出端,第九分压电阻R9的第二端连接反馈电阻R10的第一端。第三运算放大器A3的同相输入端连接第七分压电阻R7的第二端,第三运算放大器A3的反相输入端连接第九分压电阻R9的第二端,第三运算放大器A3的输出端连接反馈电阻R10的第二端。
其中,第四分压电阻R4的阻值、第五分压电阻R5的阻值和第六分压电阻R6的阻值均与铂电阻RT在0摄氏度时的阻值相等,以实现对铂电阻的调零;且在50℃时,第一分压电阻R1的第二端的电位与铂电阻RT恒流激励模块的输出端的电位相等。
以铂电阻为PT1000为例进行说明,该电阻的阻值与温度的转换关系为3.85Ω/℃,即温度每升高1℃,该电阻的阻值升高3.85Ω。图6为铂电阻PT1000实际值与理论值在各温度的差值的曲线图,如图所示,铂电阻PT1000实际值与理论值(即3.85Ω/℃的线性变化的电阻值)相减并不等于零,存在非线性。如图,在0~100℃的测温范围内,最大的非线性差值为1.5Ω,折算为温度有约0.4℃的偏差。图7为修正后的铂电阻PT1000实际值与理论值在各温度的差值的曲线图,如图所示,经本方案的电路修正后,在0~100℃的测温范围内,最大的非线性差值为0.06Ω,折算为温度有约0.015℃的偏差。与未修正前相比,偏差缩小了26倍。
由于在50℃时,第一分压电阻R1的第二端的电位与铂电阻RT恒流激励模块的输出端的电位相等,即VA=VF,因此,通过配置第二分压电阻满足相应的条件即可,如下式所示:
即
可以理解的是,当温度小于50℃时,铂电阻的阻值随着温度的不断升高而增大,且偏差也在不断升高,电压VA大于电压VF,电流通过补偿电阻R11从A点流向F点,此时A点的电位会被适当拉低,电路中的C点电位也会适当降低,通过上式输出的变送电压Vout会适当降低,即当铂电阻的偏差逐渐变大时,输出的变送电压Vout会适当变小,达到缩小铂电阻非线性的目的。
当温度大于50℃时,铂电阻的阻值随温度的不断升高而增大,而偏差在逐渐变小,在这一情况下,电压VA小于电压VF,电流通过补偿电阻R11从F点流向A点,A点的电位会被适当拉高,电路中的C点电位也会适当升高,通过上式输出的变送电压Vout会适当升高,即当铂电阻的偏差逐渐变小时,输出的变送电压Vout会适当变大,达到补偿铂电阻非线性的目的。
在变送输出的量纲为10mV/℃的条件下,对上述电路输出的变送电压进行仿真检测,并对比相关技术中的方案,得到如下表所示的对比结果。
由上表可知,经过本方案提供的检测电路对检测结果的修正,变送误差(即测量值与理论值)较小,使得温度测量的结果更加准确,精度更高。
而且本方案的电路结构简单,通过多级运放电路即可对铂电阻由于温度变化而引起的电压值变化进行检测,相对于ADC+MCU这一需要滤波电路的测量方案,本方案的温度测量的响应速度更快。
本申请实施例还提供一种检测电路板,该检测电路板包括上述实施例所述的基于可变电阻的检测电路,其能够利用铂电阻对温度进行高精度的测量,并且对温度测量的响应速度也较快,即其利用其上的检测电路可通过可变电阻的阻值变化对待测物理量进行高精度且高响应速度的检测。
本申请实施例还提供了一种检测设备,其包括上述实施例所述的检测电路板,并具有相应的功能和有益效果,同样能够实现高精度、高响应速度的检测。
需要说明的是,上述的电阻可以通过多个电阻采用串联和/或并联的方式组成,满足电路设计的要求即可。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
注意,上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本申请不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明,但是本申请不仅仅限于以上实施例,在不脱离本申请构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种基于可变电阻的检测电路,其特征在于,应用于对所述可变电阻的变化阻值的检测,所述电路包括:
参考基准模块,所述参考基准模块的输入端接入输入电压,所述参考基准模块用于输出恒定的参考电压;
恒流激励模块,所述恒流激励模块的第一输入端连接所述参考基准模块的输出端,所述恒流激励模块的第二输入端连接所述可变电阻的一端,所述可变电阻的另一端连接所述恒流激励模块的输出端,所述恒流激励模块用于根据所述可变电阻的变化阻值调节所输出的激励电压;
差分放大模块,所述差分放大模块的第一输入端连接所述恒流激励模块的输出端,所述差分放大模块的第二输入端连接所述参考基准模块的输出端,所述差分放大模块用于放大所述激励电压和所述参考电压之间的差值;
电阻修正模块,所述电阻修正模块的输入端连接所述参考基准模块的补偿节点端,所述电阻修正模块的另一端连接所述恒流激励模块的输出端,所述电阻修正模块用于对所述恒流激励模块输出的激励电压进行补偿修正。
2.根据权利要求1所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,所述参考基准模块包括第一分压电阻、第二分压电阻、第三分压电阻和第一运算放大器;
所述第一分压电阻、所述第二分压电阻和所述第三分压电阻依次串联,所述第一分压电阻的第一端接入所述输入电压,且所述第一分压电阻的第二端连接所述电阻修正模块的输入端,所述第一分压电阻的第二端为与所述第二分压电阻连接的一端;
所述第三分压电阻的第一端连接所述第一运算放大器的同相输入端,所述第三分压电阻的第二端接地,所述第三分压电阻的第一端为与所述第二分压电阻连接的一端;
所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端。
3.根据权利要求2所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,所述电阻修正模块包括补偿电阻,所述补偿电阻的一端连接所述第一分压电阻的第二端。
4.根据权利要求3所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,在所述可变电阻为铂电阻的情况下,所述第一分压电阻的第二端的电位与所述铂电阻在50摄氏度时所述恒流激励模块的输出端的电位相等。
5.根据权利要求1所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,所述恒流激励模块包括第四分压电阻、第五分压电阻、第六分压电阻和第二运算放大器;
所述第四分压电阻的一端连接所述第五分压电阻的第一端,所述第五分压电阻的第二端接地;
所述第二运算放大器的同相输入端连接所述第五分压电阻的第一端,所述第二运算放大器的反相输入端分别连接所述第六分压电阻的一端以及所述可变电阻的一端,所述第二运算放大器的输出端连接所述可变电阻的另一端,且所述第六分压电阻的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,在所述可变电阻为铂电阻的情况下,所述第四分压电阻的阻值、所述第五分压电阻的阻值和所述第六分压电阻的阻值均与所述铂电阻在0摄氏度时的阻值相等。
7.根据权利要求1所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,所述差分放大模块包括第七分压电阻、第八分压电阻、第九分压电阻、反馈电阻和第三运算放大器;
所述第七分压电阻的第一端连接所述恒流激励模块的输出端,所述第七分压电阻的第二端连接所述第八分压电阻的一端,所述第八分压电阻的另一端接地;
所述第九分压电阻的第一端连接所述参考基准模块的输出端,所述第九分压电阻的第二端连接所述反馈电阻的第一端;
所述第三运算放大器的同相输入端连接所述第七分压电阻的第二端,所述第三运算放大器的反相输入端连接所述第九分压电阻的第二端,所述第三运算放大器的输出端连接所述反馈电阻的第二端。
8.根据权利要求7所述的基于可变电阻的检测电路,其特征在于,所述第七分压电阻的阻值与所述第九分压电阻的阻值相等,所述第八分压电阻的阻值与所述反馈电阻的阻值相等。
9.一种检测电路板,其特征在于,包括如权利要求1-8任一项所述的基于可变电阻的检测电路。
10.一种检测设备,其特征在于,包括如权利要求9所述的检测电路板。
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