CN2692681Y - 一种电阻的交流方式测量电路 - Google Patents

Abstract

一种电阻的交流方式测量电路，包含：交流测量信号发生单元，其包含模拟多路开关、第一电阻、第二电阻和第三电阻，模拟多路开关其中一侧包含第一节点、第二节点和第三节点而另一侧包含第四节点，其中，第一节点依次经第二电阻和第一电阻连接至恒压源，第二节点依次经第三电阻和第一电阻连接至恒压源，第三节点经第一电阻连接至恒压源，并且所述第一与第二节点之间连接有待测电阻；测量信号采样单元，其输入端与模拟多路开关的第四节点相连；以及控制器，其与所述模拟多路开关的选择端口相连以选定导通的节点。上述电阻的交流方式测量电路具有成本低、运行功耗和待机功耗非常小以及便于小型化的优点，特别适用于精度要求一般、数据转换速度要求不高的民用和工业场合。

Description

一种电阻的交流方式测量电路

技术领域

本实用新型涉及电阻测量电路，特别涉及一种以交流方式测量电阻的电路。

背景技术

在一些电阻型传感器(如湿度、气体成分传感器等)中，由于传感元器件采用诸如无机盐或者高分子等稳定性不好的材料制造，因此当以直流方式测量这类传感器的电阻时，将发生电解现象，使元器件内部功能材料的性质发生变化，从而导致失效。为此可采用交流检测方法来测量传感器电阻，使这些元器件的两极极性在测量过程中交替变化，从而避免直流测量方式下的电解，由此既能测量出传感器的电阻阻值，又使器件免遭损坏。

图1示出了一种常用的电阻交流方式测量原理示意图。如图1所示，传感元器件在测量电路中等效为一个可变的待测电阻Rs，其一端与交流驱动电路11的输出端相连，另一端接地。交流检波器12的输入端与交流驱动电路11的输出端相连，输出端与A/D转换器13的输入端相连。其测量原理为，交流驱动电路11产生的交流电流加载到待测电阻Rs上，使电阻Rs两端产生一个交流电压，交流检波器12采样该交流电压并转换为直流信号，再由A/D转换器13变换为数字信号从而得到待测电阻Rs的阻值。

上述测量方法需要采用交流驱动电路和交流检波器，电路具有一定的复杂度，而且需要比较好的稳定性，因此电路成本较高，功耗、体积等指标也会变差。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种电阻的交流方式测量电路，其具有结构简单、功耗低和便于小型化的优点。

本实用新型的上述目的通过下述技术方案实现。

一种电阻的交流方式测量电路，包含：

交流测量信号发生单元，其包含模拟多路开关、第一电阻、第二电阻和第三电阻，模拟多路开关其中一侧包含第一节点、第二节点和第三节点而另一侧包含第四节点，其中，第一节点依次经第二电阻和第一电阻连接至恒压源，第二节点依次经第三电阻和第一电阻连接至恒压源，第三节点经第一电阻连接至恒压源，并且所述第一与第二节点之间连接有待测电阻；

测量信号采样单元，其输入端与模拟多路开关的第四节点相连；以及

控制器，其与所述模拟多路开关的选择端口相连以选定导通的通道。

比较好的是，在上述电阻的交流方式测量电路中，所述测量信号采样单元包括第四电阻和模拟信号转换电路，其中，第四电阻的一端和模拟信号转换电路的输入端共接于模拟多路开关的第四节点，第四电阻的另一端接地。更好的是，所述模拟信号转换电路为A/D转换器或V/F变换器。

比较好的是，在上述电阻的交流方式测量电路中，所述测量信号采样单元包括第一电容和模拟信号转换电路，其中，第一电容的一端和模拟信号转换电路的输入端共接于模拟多路开关的第四节点，第一电容的另一端接地。更好的是，所述模拟信号转换电路为RC时间转换电路。

比较好的是，在上述电阻的交流方式测量电路中，所述控制器为单片机，其还与所述模拟信号转换电路的信号输出端和控制端相连。

本实用新型的电阻的交流方式测量电路具有成本低、运行功耗和待机功耗非常小以及便于小型化的优点，特别适用于精度要求一般、数据转换速度要求不高的民用和工业场合，例如空调、家电、环境监控设备等需要使用交流型湿度、气体成分传感器的场合。

附图说明

图1示出了一种常用的电阻交流方式测量原理示意图。

图2为按照本实用新型第一较佳实施例的测量电路原理图。

图3为测量过程中的信号时序图。

图4为按照本实用新型第二较佳实施例的测量电路原理图。

具体实施方式

以下借助附图描述本实用新型的较佳实施方式。

第一实施例

图2为按照本实用新型第一较佳实施例的测量电路原理图。图2所示测量电路包含第一～第四电阻R1～R4、模拟多路开关U1、控制器U2和模拟信号转换电路U3，其中，电阻R1～R3和模拟多路开关U1构成交流测量信号发生单元，电阻R4和模拟信号转换电路U3构成测量信号采样单元，控制器U3则负责整个测量过程的控制。

在交流测量信号发生单元中，模拟多路开关U1通常可选用CD4051/4052或者类似的器件，如图2所示，第一节点A、第二节点B和第三节点C位于开关的左侧，第四节点D位于开关的右侧，节点C经电阻R1连接至恒压源Vref，节点A依次经电阻R2和电阻R1连接至恒压源Vref，节点B依次经电阻R3和电阻R1连接至恒压源Vref。传感元器件在测量电路中等效为一个可变的待测电阻Rs，其连接在模拟多路开关U1的节点A与B之间。

在测量信号采样单元中，U3为模拟信号转换电路，它可以是A/D转换器或V/F变换器，如图2所示，其输入端和电阻R4的一端共接于模拟多路开关U1的节点D，电阻R4的另一端接地。

控制器U2通常为单片机，如图2所示，其一方面与模拟多路开关U1的通道选择端口E相连，因此可利用产生的选择信号Select在节点A与D、B与D和C与D之间的三条通道中选通一条通道，另一方面其还与模拟信号转换电路U3的信号输出端F和控制端G相连以接收转换后的测量信号并控制信号转换过程。

以下借助图3描述上述测量电路的信号时序。图3中的select信号由控制器U2产生，用于选通节点A与D之间、节点B与D之间和C与D之间的通道，U_A和U_B表示节点A和B的电平信号，U_A-B表示节点A与B之间的电位差信号，Vx表示节点D处的电平信号。当select信号选通节点A与D之间的通道时，电流从B点流向A点再流向D点，因此电阻Rs两端的电位是U_B高于U_A。经过一个给定时间间隔以后，当控制器U2产生选通节点B与D之间通道的控制信号Select时，电流从A点流向B点再流向D点，因此电阻Rs两端的电位是U_A于U_B。如果不断以等间隔产生上述两种Select控制信号，则在电阻Rs上有交变电流通过，从而使A点与B点之间的电压信号U_A-B交替变化，并且占空比为50％。为简单起见，假设偏置电阻R2与R3相等，则根据对称性，加载在被测电阻Rs两端的信号U_A-B将是一个如图3所示占空比为50％且平均值为0V的信号，由此使得在电阻Rs上不会出现电解现象。

以下描述传感器电阻的计算方法。在经过A点和B点的通道交替选通时，可以通过测量节点D的电压Vx来计算待测电阻Rs的阻值。当选通A点通道时，电阻R2、R3和RS的连接情形为电阻R3与Rs串联后再与电阻R2并联，将这种连接状态下A点与B点之间的电阻记为Rab，则有：

$\mathrm{Rab}=\frac{\mathrm{Vref}}{\mathrm{Vx}}R4-R1-R4-\mathrm{Rd}---\left(1\right)$

这里，R1和R4为第一和第四电阻的阻值，Vref为恒压源的参考电压，Rd为模拟多路开关U1的内部导通电阻，也即节点A与D之间的电阻，Vx为节点D处的电压。

当选通B点通道时，电阻R2、R3和RS的连接情形为电阻R2与Rs串联后再与电阻R3并联，将这种连接状态下A点与B点之间的电阻记为Rba，则有：

$\mathrm{Rba}=\frac{\mathrm{Vref}}{\mathrm{Vx}}R4-R1-R4-\mathrm{Rd}---\left(2\right)$

这里，Rd为模拟多路开关U1的内部导通电阻，也即节点B与D之间的电阻。

根据Rab以及Rba，经过如下的计算公式即可得到Rs的数值：

$\mathrm{Rs}=\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{Rab}}-\frac{1}{R2}}-R3---\left(3\right)$

由上可见，Rs值的精度取决于节点D处电压Vx的测量精度，通常可以通过测量多个选通周期内的电压Vx并取其平均值来提高测量精度。如图3所示，在select选通信号发生变化的位置附近电压Vx不够稳定，因此每次测量应在电压Vx由过渡阶段进入稳定阶段后进行。

在信号选通时，多路模拟开关U1的内部电阻Rd大约在10～300欧姆范围并随着温度和时间的变化而变化，因此如果要保证数据转换的精度，则需要消除该电阻的影响，为此采用如下的方法来进行校准。

控制器U2产生选通C点通道而关闭A点通道和B点通道的控制信号Select，使得基准电阻R1与R4直接相连，从而有：

$\mathrm{Rd}=\frac{\mathrm{Vref}}{\mathrm{Vx}}R4-R4-R1---\left(4\right)$

由于R1、R4和Vref已知，Vx通过测量确定，因此可计算出节点C与D之间通道的电阻Rd。虽然历经节点A、B和C的三条通道的导通电阻存在差异，但是通常不会超过10％甚至更少，因此可以将经过节点A或B的通道的导通电阻取值为经过节点C的通道的导通电阻Rd。

在Select控制信号切换过程中，Vx会有一些干扰，虽然通常不会对转换造成严重的不良影响，但是如果有必要，也可以在电阻R4旁边并联一个滤波电容即可。

第二实施例

图4为按照本实用新型第二实施例的测量电路原理图。与图2所示的测量电路相比，在本实施例的测量信号采样单元中，电阻R4被充放电电容C1代替，如图4所示，模拟信号转换电路U3的输入端和电容C1的一端共接于模拟多路开关U1的节点D，电容C1的另一端接地。

在图4所示的测量电路中，同样也通过Select信号交替选通节点A与D之间通道和节点B与D之间通道从而实现交流方式的电阻测量，但是不同之处在于，本实施例通过测量其它电路参数(例如电容C1的充放电时间等)而不是测量电压Vx来确定输入电阻Rx，也即电容C1和模拟信号转换电路U3共接端之前的电阻。有关这种测量方式的具体描述可以参见申请号为95190267.9和99119404.7的中国专利申请。

同样，为了保证数据转换的精度，需要消除多路模拟开关U1的内部电阻Rd，为此采用如下的方法来进行校准。

控制器U2产生选通C点通道而关闭A点和B点通道的控制信号Select，使得基准电阻R1与Rd相连，并通过电容C1充放电，因此总输入电阻数值Rx为：

                  Rx＝Rd+R1                (5)

于是可以计算得到导通电阻Rd：

                  Rd＝Rx-R1                (6)

与上述实施例相同，也可以将经过节点A或B的通道的导通电阻取值为经过节点C的导通电阻Rd。

Claims (6)

1、一种电阻的交流方式测量电路，其特征在于，包含：

交流测量信号发生单元，其包含模拟多路开关(U1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，模拟多路开关(U1)其中一侧包含第一节点(A)、第二节点(B)和第三节点(C)而另一侧包含第四节点(D)，其中，第一节点(A)依次经第二电阻(R2)和第一电阻(R1)连接至恒压源(Vref)，第二节点(B)依次经第三电阻(R3)和第一电阻(R1)连接至恒压源(Vref)，第三节点(C)经第一电阻(R1)连接至恒压源(Vref)，并且所述第一与第二节点之间连接有待测电阻(Rs)；

测量信号采样单元，其输入端与模拟多路开关(U1)的第四节点(D)相连；以及

控制器(U2)，其与所述模拟多路开关(U1)的选择端口(E)相连以选定导通的通道。

2、如权利要求1所述的电阻的交流方式测量电路，其特征在于，所述测量信号采样单元包括第四电阻(R4)和模拟信号转换电路(U3)，其中，第四电阻(R4)的一端和模拟信号转换电路(U3)的输入端共接于模拟多路开关(U1)的第四节点(D)，第四电阻(R4)的另一端接地。

3、如权利要求2所述的电阻的交流方式测量电路，其特征在于，所述模拟信号转换电路(U3)为A/D转换器或V/F变换器。

4、如权利要求1所述的电阻的交流方式测量电路，其特征在于，所述测量信号采样单元包括第一电容(C1)和模拟信号转换电路(U3)，其中，第一电容(C1)的一端和模拟信号转换电路(U3)的输入端共接于模拟多路开关(U1)的第四节点(D)，第一电容(C1)的另一端接地。

5、如权利要求4所述的电阻的交流方式测量电路，其特征在于，所述模拟信号转换电路(U3)为RC时间转换电路。

6、如权利要求2～5中任意一项所述的电阻的交流方式测量电路，其特征在于，所述控制器(U2)为单片机，其还与所述模拟信号转换电路(U3)的信号输出端(F)和控制端(G)相连。