CN1249811A - 提供可切换分辨率的分压器 - Google Patents

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Abstract

从分压电路输出一个模拟信号。通过利用晶体管开关来有选择地连接和断开与构成该分压电路的一个电阻相并联的分辨率电阻来调节该信号的分辨率。然后,所得的分辨率调节后的模拟信号由一个模数转换器所处理。另外,从该分压电路输出的模拟信号传送到由一个运算放大器所实现的比例变换放大电路。通过利用晶体管开关来有选择地连接和断开与构成该运算放大器电路的反馈电阻相并联的分辨率电阻来调节该信号的分辨率。然后,所得的分辨率调节后的模拟信号由一个模数转换器所处理。

Description

提供可切换分辨率的分压器
发明背景
本发明的技术领域
本发明涉及模/数(A/D)转换，特别涉及一种装置，用于切换模数转换器输出的分辨率以提高灵敏度。
相关技术描述
现在参照图1，其中示出作为现有技术的基于变量传感器10的常规模数(A/D)转换器。电压源12包括正端14和负端(地)16。连接于端子14和16之间的是包括两个串联电阻20的分压电路18。第一个电阻20(1)连接于正端14与节点22之间。第二个电阻20(2)连接于节点22与负端16之间。节点22通过引线24连接到模数转换器26的输入端。
在一个实例中，由传感器10所测量的变量是来自电压源12的电压输出。电压源12可以相应地包括一个电池。在另一个实例中，由传感器10所测量的变量是温度。第二个电阻20(2)相应地包括一个对温度敏感的热敏电阻。在这两种情况中，具有与所测量变量相关(即，成比例)的电压的模拟信号由分压电路18在节点22处产生，并通过引线24施加到模数转换器26的输入端。然后，在引线24上的模拟信号的电压被转换为数字信号值，以从该模数转换器26输出，或者由该模数转换器26作进一步的处理。在这方面，人们认识到模数转换器26可以包括一个离散电路元件(如图所示)或者另外可以包括一部分多功能电路元件(例如，微控制器)。
在许多实例中，不仅需要测量变量的一般相对值(例如，与给定的阈值相比)，而且为其他原因还要测量具有较高分辨率的该变量的数值(例如，改变率)。例如，对于一个电池电压传感器来说，用户可能不但需要知道该电池电平是高还是低，而且还要知道该电压下降的速度。为了实现这两个目的，通常需要用不同的分辨率测量关于要估计变量的数据。则，这需要在模数转换之前支持使从通用分压电路输出的模拟信号的分辨率增加的电路。
发明概要
通过有选择地连接和断开与构成分压电路的其中一个电阻相并联的分辨率电阻，可以在第一实施例中提供对从分压电路输出的模拟信号的分辨率的调节。在第二实施例中，从分压电路输出的模拟信号被提供给比例变换放大电路，并且通过有选择地连接和断开与该放大电路的反馈电阻相并联的分辨率电阻来调节该模拟信号的增益(放大率)。在每个实施例中，晶体管响应所施加控制信号的切换操作实现分辨率电阻有选择地并联连接和断开，以便于为所测量变量提供可切换(高或低)的分辨率。
附图简述
通过参照下文结合附图的具体描述可以获得对本发明的方法的装置的更加完整的理解，其中：
图1(上文中部分地进行了描述)是基于变量传感器的常规现有模数(A/D)转换器的电路图；
图2是根据本发明具有分辨率调整的基于变量传感器的模数(A/D)转换器的第一实施例的电路图；以及
图3是根据本发明具有分辨率调整的基于变量传感器的模数(A/D)转换器的第二实施例的电路图。
附图具体描述
再次参照图1。在分压电路18中用于各晶体管20的相对阻值的选择影响传感器10的分辨率(即，该传感器的灵敏度在测量变量中改变)。对于由电压源12产生的所施加电压V，由分压电路18在节点22产生的模拟信号的电压V’由下式给出： V ′ = R 2 R 1 + R 2 V - - - - - ( 1 ) 其中：R1是第一电阻20(1)的阻值；以及
  R2是第二电阻20(2)的阻值。方程(1)示出，与R1的阻值相比R2的阻值越大，则V’对V的变化越敏感。这可以通过参照一个具体实例而得到证明。首先假设R1等于3欧姆(3Ω)，并且R2等于5欧姆(5Ω)。带入方程(1)中，对于V等于10伏(10V)，V’等于6.25V。如果V现在变为12伏(12V)，则V’将等于7.5V。这对于在V中改变2V，则在V’中改变1.25V。现在把R1的值降低为2欧姆(2Ω)。对于V仍然等于10伏(10V)，现在V’等于7.14伏。如果V再次变为12伏(12V)，则V’将等于8.57V。这对于在V中改变2伏，则在V’中改变1.43V。比较电压的改变结果表明对于同样在V中改变2伏，与R2(5Ω)相对，对于较小的R1值(2Ω和3Ω)，在V’中有较大的变化(1.43V和1.25V)。因此，与R1阻值相对较大的R2值造成从分压电路18在节点22输出的模拟信号的分辨率升高。当需要较高分辨率时，可以通过增加R2的相对值或降低R2的相对值获得这种效果。
方程(1)还示出，对于固定的V，与R1相比R2越大，则V’对R2的改变越不敏感。这可以通过参照一个具体实例得到证明。首先假设R1等于3欧姆(3Ω)，并且V等于10伏(10V)。带入方程(1)中，对于R2等于4欧姆(4Ω)，V’等于5.71V。现在把R2的值增加到6欧姆(6Ω)，则V’现在等于6.67V。这对于在R2中改变2欧姆，则在V’中改变0.96V。如果现在把R1的值降低为1欧姆(1Ω)，对于R2仍然等于4欧姆(4Ω)，则V’等于8.0V。现在再次把R2的值增加到6欧姆(6Ω)。现在V’等于8.57V。这对于在R2中改变2欧姆，则在V’中改变0.57V。比较电压的改变结果表明对于同样在R2中改变2欧姆，与R2相关，对于较大的R1值(3Ω和1Ω)，在V’中有较大的变化(0.96V和0.57V)。因此，与R1阻值相对较小的R2值造成从分压电路18在节点22输出的模拟信号的分辨率升高。当需要较高分辨率时，可以通过增加R1的相对值获得这种结果。
现在参照图2，其中示出根据本发明基于变量传感器100的模数(A/D)转换器的第一实施例的电路图。电压源112包括正端114和负端(地)116。连接于端子114和116之间的是包括多个串联电阻120(图中示出两个)的分压电路18。第一个电阻120(1)连接于正端114与节点122之间。第二个电阻120(2)连接于节点122和负端116之间。节点122通过引线124连接到包括一部分多功能电路元件128(例如，微控制器)的模数转换器126的输入端。
该传感器110还包括半导体晶体管开关130，其中包括一个场效应晶体管(FET)器件(如图所示)或一个双极型晶体管器件(未示出)。开关130包括连接到正端114端漏极端132、连接到微控制器128的输出端136的栅极端134、以及源极端138。传感器110还包括连接于源极端138与节点122之间的分辨率电阻140，该节点通过引线124连接到模数转换器126的输入端。有选择地由微控制器128从端口136输出的信号控制开关130的操作(“关”和“开”)分别有效地使与在正端114和节点122之间的第一电阻120(1)相并联的分辨率电阻140断开和连接。当开关130由微控制器128的输出信号所导通时，由分辨率电阻140和第一电阻120(1)形成有效第一电阻120(1)’。有效第一电阻120(1)’的阻值由下式给出： R eff = R 1 R r R 1 + R r - - - - - ( 2 )
其中：R1是第一电阻120(1)的阻值；
Rr是分辨率电阻140的阻值；以及
Reff是有效电阻120(1)’的阻值。
在一个实例中，由传感器110所测量的变量在来自电压源112的电压输出中改变。在这种情况下，电压源112可以相应地包括一个电池。传感器110以两种分辨率模式工作。在低分辨率模式中(即，传感器110对从电压源112输出的电压中的改变更不敏感的模式)，微控制器128启动以从端口136输出一个信号，控制开关130的操作(“关”)，有效地从正端114上断开分辨率电阻140。在高分辨率模式中(即，传感器110对从电压源112输出的电压中的改变更加敏感的模式)，微控制器128启动以从端口136输出一个信号，控制开关130的操作(“开”)，有效地把分辨率电阻140连接到正端114上，从而形成有效电阻120(1)’。根据方程(2)，有效电阻120(1)’的阻值小于第一电阻120(1)。如上文结合方程(1)的分析所示，对于在电压V中的给定变化，与第一电阻120(1)或其有效电阻120(1)’(即，R1)的阻值相对，对于第二电阻120(2)(即，R2)的较大阻值，分辨率的增加使得从分压电路118在节点122输出的模拟信号有提高的灵敏度。当开关130接通，并且连接上分辨率电阻140时，第二电阻120(2)的相对值较大。
尽管没有在图1中具体示出，但是应当知道，传感器110的类似操作可以通过利用开关130有选择地连接和断开与在节点122和负端116之间的第二电阻120(2)相并联的分辨率电阻而实现。在这种结构中，当由微控制器128“接通”开关130时出现低分辨率模式，并且当由微控制器128“断开”开关130时出现高分辨率模式。
在另一个实例中，由传感器110所测量的变量是温度。在该实例中的第二电阻120(2)包括热敏电阻。传感器110再次工作于两种分辨率模式中。在低分辨率模式中(即，传感器110对热敏电阻的阻值改变较不敏感的模式)，微控制器128启动，以从端口136输出一个信号，控制开关130的操作(“接通”)，有效地把分辨率电阻140连接到正端114，从而形成有效电阻120(1)’。在高分辨率模式中，(即，传感器110对从电压源112输出的电压中的改变更加敏感的模式)，微控制器128启动，以从端口136输出一个信号，控制开关130的操作(“断开”)，有效地把分辨率电阻140从正端114上断开。根据方程(2)，有效电阻120(1)’的阻值小于第一电阻120(1)的阻值。如上文结合方程(1)分析电阻R2的改变所示，相对于第一电阻120(1)或其有效电阻120(1)’(即，R1)来说，第二电阻120(2)(即，热敏电阻R2)的阻值越小，则分辨率的增加使得从分压电路118在节点122输出的模拟信号灵敏度提高。当开关130断开并且分辨率电阻140断开时，对于第二电阻120(2)出现更小的相对值。
现在参照图3，其中示出根据本发明的基于变量传感器210的模数(A/D)转换器的第二实施例的电路图。电压源212包括正端214和负端(地)216。连接于端子214和216之间的是包括多个串联电阻220(图中示出两个)的分压电路218。第一个电阻220(1)连接于正端214与节点222之间。第二个电阻220(2)连接于节点222和负端216之间。节点222通过引线224连接到运算放大器252的第一输入端250。运算放大器252的第二输入端254连接到负端(地)216。运算放大器252的输出端256通过反馈电阻258连接到第一输入端250。这有效地构成作为用作相对于在节点222产生的所接收模拟信号的比例变换器的运算放大器。运算放大器252的输出端256还连接到模数转换器226的输入端，该转换器包括一部分多功能电路元件228(例如，微控制器)。
该传感器210还包括一个半导体晶体管开关230，该开关包括一个场效应晶体管(FET)器件(如图所示)或一个双极型半导体器件(未示出)。该开关230包括连接到运算放大器252的输出端256的漏极端232、连接到微控制器228的输出端236的栅极端234、以及源极端238。传感器210还包括连接于源极端238和连接到节点222的运算放大器252的第一输入端250之间的分辨率电阻140。有选择地由微控制器228从端口236输出的一个信号控制开关230的操作(“断开”和“接通”)，分别有效地断开和连接与在运算放大器252的输出端256和第一输入端250之间的反馈电阻258相并联的分辨率电阻140。当开关230由微控制器228输出信号所接通时，由分辨率电阻140和反馈电阻258形成有效反馈电阻258’。当运算放大器252的设计成作为比例变换器而工作，响应微控制器228输出信号而造成的分辨率电阻140的连接和断开使得增益改变。有效反馈电阻258’的阻值由下式给出： R eff = R f R r R f + R r - - - - - ( 3 )
其中：Rf是反馈电阻258的阻值；
Rr是分辨率电阻240的阻值；以及
Reff是有效反馈电阻258’的阻值。
在一个实例中，由传感器210所测量的变量是从电压源212输出电压中的变化。在这种情况下，电压源212可以相应地包括一个电池。传感器210工作在两种分辨率模式中。在高分辨率模式中(即，传感器210对从电压源212输出的电压中的改变更加敏感的模式)，微控制器228启动以从端口236输出一个信号，控制开关230的操作(“断开”)，有效地从运算放大器252的输出端256断开分辨率电阻240。根据方程(3)，反馈电阻258的阻值大于有效反馈电阻258’的阻值。这样，由比例变换运算放大器252采用更高的增益，结果对从分压电路218在节点222输出的模拟信号中的变化的灵敏度增加。在低分辨率模式中(即，传感器210对输出自电压源212的电压中的改变更不敏感的模式)，微控制器228启动以从端口236输出一个信号，控制开关230的操作(“接通”)，有效地使分辨率电阻240与反馈电阻258相并联，从而形成有效反馈电阻258’。根据方程(3)，有效反馈电阻258’的阻值小于反馈电路258的阻值。这样，由比例变换运算放大器252采用更高的增益，结果对从分压电路218在节点222输出的模拟信号中的变化的灵敏度下降。
尽管本发明的方法和装置的优选实施例已经在附图中示出，并且在上文的具体描述中说明，应当知道，本发明不限于所公开的实施例，而是可以有各种调整、改变和代替，而不脱离所附权利要求中提出和确定的本发明的精神。

Claims (23)

1.一种电路，其中包括：
分压器，其中包括在一节点处与第二电阻相串联的第一电阻；
分辨率电阻；以及
开关，其响应一控制信号，用于有选择地连接和断开与分压器的第一电阻相并联的分辨率电阻。
2.如权利要求1所述的电路，其中还包括一个模数转换器，其具有连接到分压器的节点上的输入端。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，该模数转换器是用于一个微控制器中的，并且该微控制器产生控制信号，以改变从该节点输出的模拟信号的分辨率，并由模数转换器所处理。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，第二电阻包括一个热敏电阻。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于：
该开关包括一个半导体开关，其具有接收该控制信号的第一端、连接到分辨率电阻的第二端、以及连接到第一电阻上与分压器的节点相对的一端；以及
分辨率电阻上与第二端相对的一端连接到分压器的节点上。
6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，该半导体开关包括一个场效应晶体管，并且该第一端包括一个栅极，该第二端包括一个源极，以及该第三端包括一个漏极。
7.一种电路，其中包括：
分压器，其中包括：
具有第一端和第二端的第一电阻；以及
具有第一端和第二端的第二电阻，第二电阻的第一端在一节
点处连接到第一电阻的第二端；
分辨率电阻，其具有第一端和第二端，该第二端连接到该节点；以及
半导体开关，其具有接收一个控制信号的第一端子、连接到分辨率电阻的第一端的第二端子、以及连接到第二电阻的第一端的第三端子，该控制信号驱动半导体开关有选择地连接和断开与分压器的第一电阻相并联的分辨率电阻。
8.如权利要求7所述的电路，其中还包括一个模数转换器，其具有连接到分压器的节点上的输入端。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，该模数转换器是用于一个微控制器中的，并且该微控制器产生控制信号，以改变从该节点输出的模拟信号的分辨率，并由该模数转换器所处理。
10.如权利要求7所述的电路，其特征在于，第二电阻包括一个热敏电阻。
11.如权利要求7所述的电路，其特征在于，该半导体开关包括一个场效应晶体管，并且该第一端包括一个栅极，该第二端包括一个源极，以及该第三端包括一个漏极。
12.一种电路，其中包括：
分压器，其包括在第一节点处与第二电阻相串联的第一电阻；
放大器电路，其具有连接到该节点的输入端，并具有影响增益的反馈电阻；
分辨率电阻，以及
开关，其响应一个控制信号，用于有选择地连接和断开与该放大器电路的反馈电阻相并联的分辨率电阻。
13.如权利要求12所述的电路，其特征在于，该放大器电路包括一个运算放大器电路，其被设计为具有反馈电阻，以用作为比例放大器。
14.如权利要求12所述的电路，其特征在于：
该开关包括一个半导体开关，其具有接收该控制信号的第一端子、连接到分辨率电阻的第二端子、以及连接到放大器电路的一个输出端的第三端子；以及
在分辨率电阻上与放大器电阻的输出端相对的一端连接到该放大器电路的输入端。
15.如权利要求14述的电路，其特征在于，该半导体开关包括一个场效应晶体管，并且该第一端包括一个栅极，该第二端包括一个源极，以及该第三端包括一个漏极。
16.如权利要求12所述的电路，其中还包括一个模数转换器，其具有连接到放大器电路输出端的输入端。
17.如权利要求16所述的电路，其特征在于，该模数转换器是用于一个微控制器中的，并且该微控制器产生控制信号，以改变从该放大器电路输出的模拟信号的分辨率，并由该模数转换器所处理。
18.如权利要求12所述的电路，其特征在于，第二电阻包括一个热敏电阻。
19.一种电路，其中包括：
分压器，其中包括：
具有第一端和第二端的第一电阻；以及
具有第一端和第二端的第二电阻，第二电阻的第一端在一节
点处连接到第一电阻的第二端；
运算放大器，其具有连接到该节点的输入端，并具有一个输出端，该运算放大器被设计为具有连接于其输出端和输入端之间的反馈电阻的比例放大器；
分辨率电阻，其具有第一端和第二端，该第二端连接到运算放大器的输入端；以及
半导体开关，其具有接收一个控制信号的第一端子、连接到分辨率电阻的第一端的第二端子、以及连接到运算放大器的输出端的第三端子，该控制信号驱动半导体开关来有选择地连接和断开与反馈电阻相并联的分辨率电阻。
20.如权利要求19述的电路，其特征在于，该半导体开关包括一个场效应晶体管，并且该第一端包括一个栅极，该第二端包括一个源极，以及该第三端包括一个漏极。
21.如权利要求19所述的电路，其中还包括一个模数转换器，其具有连接到运算放大器输出端的输入端。
22.如权利要求21所述的电路，其特征在于，该模数转换器是用于一个微控制器中的，并且该微控制器产生控制信号，以改变从该运算放大器输出的模拟信号的分辨率，并由该模数转换器所处理。
23.如权利要求19所述的电路，其特征在于，第二电阻包括一个热敏电阻。
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