CN1211666C - 阻抗－电压转换器和转换方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种阻抗-电压转换器和转换方法，利用运算放大器工作于虚拟短路状态，将阻抗转换为电压，而不受寄生电容的影响。该阻抗-电压转换器由运算放大器、交流信号发生器和两条屏蔽线组成，其中，运算放大器当其输出端和反相输入端之间连接阻抗元件时，反相输入端和非反相输入端之间处于虚拟短路状态，一屏蔽线用于屏蔽用来连接阻抗元件和反相输入的连接线，交流信号发生器连接于非反相输入端，另一屏蔽线用于屏蔽信号线。两条屏蔽线都与非反相输入端连接。

Description

阻抗-电压转换器和转换方法
技术领域
本发明涉及一种阻抗-电压转换器和一种相关的转换方法，这种方法利用运算放大器在虚拟短路的状态下能够实现高精度的阻抗电压转换。
背景技术
图1一般地示出了在日本专利特开No.61-14578中描述的一种静态电容-电压转换器的结构。这种静态电容-电压转换器的提出是为了解决现有技术中的一个问题，即由于用于连接未知静态电容的电缆的寄生电容会叠加在该未知静态电容上，并且这些静态电容会因电缆的移动和弯曲或类似情况而不同，使得无法实现精确的电压转换。如图1所示图例，交流信号(AC)发生器OS和运算放大器OP与未知电容Cx连接，其连接电缆包着屏蔽线s以减小寄生电容Cs1、Cs2、Cs3的影响。具体地，运算放大器OP的输出端和反相输入端通过一个反馈电路连接，该反馈电路由包括一个电阻器Rf和一个电容器Cf的并联电路构成。未知电容Cx一端通过屏蔽线s与运算放大器OP的反相输入端连接，另一端通过另一屏蔽线s与AC信号发生器OS连接。两条屏蔽线s和运算放大器OP的非反相输入端都接地。
基于上述的结构，因为在运算放大器OP的两个输入端之间基本上没有电位差存在，寄生电容Cs2未充电。同样地，因为将寄生电容Cs3认为是两条屏蔽线s之间的耦合电容，可以通过将两屏蔽线s接地来消除寄生电容Cs3。这样，由于连接未知电容的电缆的寄生电容所产生的影响可通过使用屏蔽线s消除，因此在反馈电路中电容器Cf上感应的电荷等于未知电容Cx上感应的等效电荷，导致运算放大器OP产生与未知静态电容成比例的输出。换句话说，假设AC信号发生器OS的输出电压为Vi，运算放大器OP的输出电压Vo可以表示为-(Cx/Cf)Vi，所以图1中的转换器可以用来将未知电容Cx转换为电压Vo，从而由已知量Cf和Vi可以得到未知静态电容Cx。
发明内容
然而，上述的静态电容-电压转换器隐含着一个问题，当未知静态电容很小时，寄生电容的影响变得突出，所以静态电容Cx不能精确地转换为电压。另外，因为运算放大器OP的反馈电路是由包括电阻器Rf和电容器Cf的并联电路构成的，为了在单片芯片中将所需组件实际地集成为一个转换器，需要不同的步骤来形成电阻器和电容器，这就造成了生产过程的复杂化和增大芯片尺寸的缺点。而且，当静态电容Cx的一个电极偏置在某一个电位时电容器不能应用于AC信号，所以从静态电容Cx到电压的转换不能完成。
本发明的提出是为了解决上述的问题，因此本发明的目的是提供一种阻抗-电压转换器和一种相关的转换方法，这种方法利用运算放大器在虚拟短路的状态下能够实现高精度的阻抗电压转换，以消除运算放大器的非反相输入端连接线和包裹该线的屏蔽线之间的寄生电容的影响。
为了实现上述目的，本发明提供了一种阻抗-电压转换器，包括：具有反相输入端、非反相输入端和输出端的运算放大器，所述的运算放大器在所述反相输入端和所述非反相输入端之间置于一种虚拟短路状态；连接于所述输出端和所述反相输入端之间的阻抗元件，该元件包含一端与所述阻抗元件连接、另一端与所述反相输入端连接的连接线；具有已知阻抗的电路元件；信号线，其一端与所述反相输入端连接，另一端与所述电路元件连接；至少包裹着所述信号线和/或所述连接线的一部分的屏蔽，该屏蔽与所述非反相输入端连接；与所述非反相输入端连接且不与所述运算放大器的所述输出端连接的交流电压发生器，该交流电压发生器的输出是恒定的，其中，所述运算放大器输出一个信号，该信号包含与从所述交流电压发生器施加的交流信号成正比的值。
同样，为了实现上述目的，本发明提供了一种阻抗-电压转换方法，将阻抗转换为电压以获得与阻抗元件阻值变化对应的交流电压值，包括下列步骤：提供一具有反相输入端、非反相输入端和输出端的运算放大器；在所述反相输入端和输出端之间连接一个阻抗元件；将一个已知阻抗的电路元件连接到所述反相输入端；提供用于至少包裹连接线和/或信号线的一部分的屏蔽，该连接线连接在所述阻抗元件和所述反相输入端之间，该信号线连接在所述电路元件和所述反相输入端之间；连接所述屏蔽线和所述非反相输入端；向所述运算放大器的所述非反相输入端提供一个恒定的交流电压，但不向所述输出端提供恒定的交流电压。
阻抗元件可以是各种传感器的任何一种，包括应变传感器，地磁传感器，电容传感器等，而且这种阻抗元件的阻抗至少是晶体管的电阻、电感、电容和电导的一种。
优选地，屏蔽线包裹整个所述信号线和连接线。
在本发明中，将运算放大器的交流输出电压积分可以输出表示阻抗元件的阻抗值的直流电压。
因为运算放大器的反相输入端和非反相输入端之间处于一种虚拟短路状态，它可以消除用于连接阻抗元件和反相输入端的连接线和包裹该连接线的屏蔽线之间的寄生电容，以及信号线和包裹信号线的屏蔽线之间形成的寄生电容。而且，运算放大器输出的相应于阻抗元件阻抗值的交流电压没有受到这种连接线、信号线和屏蔽线之间寄生电容的影响，尽管这些线很长。
附图说明
图1是示意电路图，说明现有技术的静态电容-电压转换器的一个实例。
图2一般地示出了一个根据本发明的阻抗-电压转换器的实施例的电路图。
图3示出根据本发明的阻抗-电压转换器的一个实例的实验结果。
图4示出根据本发明的阻抗-电压转换器的另一个实例的实验结果。
具体实施方式
下面参照附图，结合一个实施方案，对本发明进行详细描述。
图2一般地示出了一个根据本发明的阻抗-电压转换器的实施例的电路图。具体地参照图2，阻抗-电压转换器包含一个运算放大器1，运算放大器1的电压增益远大于闭环增益。阻抗元件3连接于运算放大器1的输出端2和反相输入端(-)之间，使运算放大器1形成负反馈。连接于阻抗元件3的一端和运算放大器1的反相输入端(-)之间的连接线4被屏蔽线5包裹着，以防止不必要的信号例如由外界感应生成的噪声。屏蔽线5没有接地但连接到运算放大器1的非反相输入端(+)。
应当注意连接于阻抗元件3的另一端和运算放大器1的输出端2之间的连接线4’没有必要有屏蔽而可以是裸露的线。然而，如果阻抗元件3放置在一定的距离或更远离运算放大器1，连接线4’最好用接地屏蔽线屏蔽。
由AC信号发生器6产生的AC信号在非反相输入端(+)为运算放大器1提供电源，运算放大器1的反相输入端(-)连接到信号线7的一端。信号线7的另一端连接到已知电阻值的电阻8的一端，电阻8的另一端偏置于一已知直流(DC)电压。
信号线5被屏蔽线9包裹着，以防止不必要的信号例如由外界感应的噪声或由信号线7从外界感应到的类似信号。屏蔽线9没有接地而是连接到运算放大器1的非反相输入端(+)。
由前述可以知道，屏蔽线5和屏蔽线9与运算放大器1的非反相输入端(+)具有同样的电位。事实上，如图2所示，屏蔽线5和屏蔽线9因其任何一部分连接到非反相输入端(+)，屏蔽线5和屏蔽线9可能互相电连接。
运算放大器1通过阻抗元件3形成负反馈，而且运算放大器1的电压增益远大于闭环增益，以致运算放大器1处于虚拟短路状态。换句话说，运算放大器1的反相输入端(-)和非反相输入端(+)之间的电位差基本上等于零。这样，连接线4，屏蔽线5，信号线7和屏蔽线9的电位相同，因此有可能消除寄生电容的影响，否则该寄生电容会产生于连接线4和屏蔽线5之间，以及信号线7和屏蔽线9之间。不必考虑连接线4和信号线7的长度，同样不必考虑连接线4和信号线7的移动、弯曲、折叠等，上述情况总是有效。
图2中的阻抗元件可以是如晶体管的电导、电感、电容、电阻等任何元件，只要它有任意的阻抗，例如，可以是电阻传感器如应变传感器，磁场梯度传感器如地磁传感器和任意的电容传感器。特别地，对电容传感器可以包括所有用于探测静态电容的装置和任何已知电容传感器，例如加速传感器、地震检波器、压力传感器、位移传感器、位移表、接近觉(proximity)传感器，触觉传感器、离子传感器、湿度传感器、雨滴传感器、雪量传感器、雷电传感器、定位传感器、触觉故障传感器、形状传感器、端点检测传感器、震动传感器、超音波传感器、角速度传感器、流量传感器、气体传感器、红外传感器、放射传感器、水平传感器、冷凝传感器、湿气表、震动表、电荷传感器和印制板测试仪等。
现在假设AC信号发生器6的信号电压输出为V；信号电压V的角频率为ω；电阻器8的电阻值为Ro，流过电阻器8的电流为i1；阻抗元件3的阻抗值为Zs；流过阻抗元件3的电流为i2；运算放大器1的反相输入端(-)的电压为Vm；运算放大器1的输出电压为Vout，如上所述，因为运算放大器1工作于虚拟短路状态，电压Vm和AV信号发生器在反相输入端(-)上的输出电压V具有相同的电势。因此，下面的等式成立：
V＝Vm
另外，下面的等式也成立：
i1＝-Vm/Ro                                 (1)
i2＝(Vm-Vout)/Zs                              (2)
因为i1＝i2，由等式(1)和(2)，可以得到运算放大器1的输出电压Vout，下面的等式成立：
Vout＝V(1+Zs/Ro)                              (3)
等式(3)表明在运算放大器1的输出端2上将产生对应于阻抗元件3阻抗值Zs的电压。
如上所述，图2所示的阻抗-电压转换器输出一个对应于连接在运算放大器输出端和反相输入端之间的阻抗元件阻抗值的电压，因此它可以用做阻抗检测器。此外，在图2的阻抗-电压转换器中，由于运算放大器1的输出电压Vout随阻抗元件3的阻抗值的变化而变化，所以图2所示阻抗-电压转换器也可以作为检测阻抗元件阻值变化的一种仪器。
此外，因为已知等式(3)中的信号电压V和电阻Ro，当在运算放大器1的非反相输入端(+)加上DC电压，测量运算放大器1的输出电压，再将AC信号发生器产生的信号电压V加到非反相输入端(+)，测量运算放大器1的输出电压Vout，然后计算这两个输出电压的差值，则由等式(3)可以求得阻抗元件3的阻抗值Zs。
因为将运算放大器1的输出电压积分就可以得到与阻抗元件的阻值Zs成比例的直流电压，因此利用图2的阻抗-电压转换器还可以制造阻抗测量仪器。
为了验证本发明的目的，构造了根据本发明的阻抗-电压转换器的两个实例。
阻抗-电压转换器的一个实例包含阻抗元件3、电阻器8和交流信号发生器6，阻抗元件3是一个具有可变阻值Rf(kΩ)的电阻器，电阻器8的阻值Ri等于1MΩ，交流信号发生器6输出振幅为2V偏离电压为1V的1kHz交流信号。当改变Rf的值检测输出电压Vout，可得到图3所示的图形。图3清楚地表明输出电压Vout与Rf/Ri成正比。
阻抗-电压转换器的另一个实例包含阻抗元件3和交流信号发生器6，阻抗元件3是一个具有可变电容值Cf(fF)的电容器，交流信号发生器6输出振幅为0.1V偏离电压为2.5V的1kHz交流信号。在这个实例中，应当指出，电容值ci等于1pF的电容器代替了图2所示的电阻器8。当改变Cf的值检测输出电压Vout，可得到图4所示的图形。图4表明输出电压Vout与Ci/Cf成正比。
工业上的可利用性
如前所述，参照实施方案，本发明显而易见地产生如下的独特效果：
(1)使用运算放大器工作于虚拟短路状态的结果是，连接线1、信号线和屏蔽线之间产生的寄生电容将不会出现于运算放大器的反相和非反相输入端之间。因此，例如，连接于运算放大器的电容阻抗元件，即使它的电容值很小，即飞法(1/1000皮法)量级，运算放大器可以在测量中输出精确对应于阻抗元件如此小阻值的电压，因为没有受到上面提到的寄生电容的影响，使阻抗电压的精确转化成为可能。
(2)仅在简单的电路结构中就可以高精度地得到与任意的阻抗元件阻值对应的电压值。
(3)因为本发明的阻抗-电压转换器不需要使用传统静态电容-电压转换器中要求的反馈电容器Cf，可以避免以单片集成芯片中形式制作转换器的复杂工艺，并可避免增大芯片尺寸。

Claims (10)

1.一种阻抗-电压转换器，包括：
具有反相输入端、非反相输入端和输出端的运算放大器，所述运算放大器在所述反相输入端和所述非反相输入端之间置于一种虚拟短路状态；
连接于所述输出端和所述反相输入端之间的阻抗元件，该元件包含一端与所述阻抗元件连接、另一端与所述反相输入端连接的连接线；
具有已知阻抗的电路元件；
信号线，其一端与所述反相输入端连接，另一端与所述电路元件连接；
至少包裹着所述信号线和/或所述连接线的一部分的屏蔽，该屏蔽与所述非反相输入端连接；
与所述非反相输入端连接且不与所述运算放大器的所述输出端连接的交流电压发生器，该交流电压发生器的输出是恒定的，
其中，所述运算放大器输出一个信号，该信号包含与从所述交流电压发生器施加的交流信号成正比的值。
2.如权利要求1所述的阻抗-电压转换器，其中阻抗元件的阻抗至少是晶体管电导、电感、电容和电阻的一种。
3.如权利要求1或2所述的阻抗-电压转换器，其中所述屏蔽包裹着整个所述信号线和所述连接线。
4.如权利要求1或2所述的阻抗-电压转换器，还包括：
用于将所述运算放大器的输出交流电压积分以转换为直流电压的反相电路。
5.如权利要求1或2所述的阻抗-电压转换器，还包括：
用于将一已知电压偏置到所述电路元件上的装置。
6.一种阻抗-电压转换方法，将阻抗转换为电压以获得与阻抗元件阻值变化对应的交流电压值，包括下列步骤：
提供一具有反相输入端、非反相输入端和输出端的运算放大器；
在所述反相输入端和输出端之间连接一个阻抗元件；
将一个已知阻抗的电路元件连接到所述反相输入端；
提供用于至少包裹连接线和/或信号线的一部分的屏蔽，该连接线连接在所述阻抗元件和所述反相输入端之间，该信号线连接在所述电路元件和所述反相输入端之间；
连接所述屏蔽线和所述非反相输入端；
向所述运算放大器的所述非反相输入端提供一个恒定的交流电压，但不向所述输出端提供恒定的交流电压。
7.根据权利要求6的阻抗-电压转换方法，其中所述阻抗元件的阻抗至少是晶体管的电导、电感、电容和电阻的一种。
8.根据权利要求6或7的阻抗-电压转换方法，其中：
所述屏蔽包裹着整个所述信号线和所述连接线。
9.根据权利要求6或7的阻抗-电压转换方法，还包括以下步骤：
将所述运算放大器的输出交流电压积分以转换为直流电压。
10.根据权利要求6或7的阻抗-电压转换方法，还包括以下步骤：
向所述电路元件施加一已知偏置电压。
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