KR20060132470A - 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치 - Google Patents

개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입력되는 인입 전기 신호와 관련된 적어도 하나의 바람직하지 못한 특성을 간단하고 직접적으로 정정할 수 있는 신규한 전자 회로에 관한 것이다. 일 실시예에서, 상기 장치는 회로의 전기 신호를 정정하기 위해 요구되는 와이어의 개수를 감소시킨다. 또한, 상기 장치는 측정시 하나 이상의 2차 오차항을 정정하며, 동작하는 동안 오프셋 드리프트가 직접적으로 정정될 수 있으며, 동작하는 동안 스팬이 선형화될 수도 있다.

Description

개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치{AN IMPROVED APPARATUS FOR CORRECTING ELECTRICAL SIGNALS}
도 1은 일정 여기를 갖는 압전 저항 휘스톤 브릿지(piezoresistor Wheatstone bridge)를 나타내는 개념도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 멀티-와이어 하니스 하프-브릿지 회로(multi-wire harness half-bridge circuit)를 나타내는 개념도이다.
도 2b는 본 발명에 따른 멀티-와이어 하니스 하프-브릿지 회로를 나타내는 개념도이다.
본 발명은 전기회로를 측정 및 조절하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 전기회로의 전기신호를 정정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 휘스톤 브릿지 회로(Wheatstone bridge circuit)에는 압전 저항(piezoresistor)이 사용된다. 일반적으로, 4개의 압전 저항이 결합되며, 일정- 전압 여기(constant-voltage excitation) 또는 일정-전류 여기(constant-current excitation)가 이용된다. 공지된 바와 같이, 압전 저항은 인가된 스트레인(strain)에 응답시 그들의 저항값이 변하는 저항체이다.
도 1은 감지 파라미터 변환설계(sensed-parameter transduction scheme)에 있어서 압전 저항이 사용된 휘스톤 브릿지 회로를 도시한다. 도 1은, 4 개의 소자가 배치된 휘스톤 브릿지로서, 제 1 압전 저항(110a)과 제 2 압전 저항(110b)의 접합에 연결된 제 1 일정(constant) 전압("Vc") 여기 경로(excitation path; 102)를 도시한다. 제 1 감지("sensed") 전압("V1")은 제 1 감지 와이어(106)에서 측정된다. 제 1 감지 와이어(106)는 제 1 압전 저항(110a)과 제 3 압전 저항(110c)의 접합에 연결된다. 제 2 "감지" 전압("V2")은 제 2 감지 와이어(104)에서 측정된다. 제 2 감지 와이어(104)는 제 2 압전 저항(110b)과 제 4 압전 저항(110d)의 접합에 연결된다. 상기 감지된 파라미터 변환설계에는, 제 3 압전 저항(110c)과 제 4 압전 저항(110d)의 접합에 연결된 반환 경로 와이어(108)를 통하여, 반환 경로가 제공된다. 본 명세서에서, 도 1은 일정 전압 여기 설계에 관하여 설명하고 있지만, 당업자에게 있어서, 도 1에 도시된 회로가 일정 전류 여기 설계용으로도 용이하게 개조될 수 있음은 자명하다. 본 구성에 있어서, 일정 전압 여기 경로(102)는 일정 전류("Ic") 여기 경로로 대체된다. 일부 실시예에서, 압전 저항들(110a, 110b, 110c 및 110d)은 대락적으로 동일한 값을 갖는다.
풀 4 와이어 휘스톤 브릿지(full four wire wheatstone bridge)는 잡음에 대하여 무결성을 보인다. 공지된 잡음 소거 기술을 사용하여, 제 1 감지 와이 어(106) 및 제 2 감지 와이어(104)에 결합된 공통모드 잡음(common mode noise)을 소거할 수 있다. 모든 압전 저항들(110a, 110b, 110c 및 110d)이 동일한 저항(즉, 110a = 110b = 110c = 110d = Ro)을 갖는 실시예에서, 압전 저항들(110a, 110b, 110c 및 110d)의 저항 변화(±ΔRo)를 초래하는 감지 파라미터의 변화는 제 1 감지 와이어(106)와 제 2 감지 와이어(104) 사이에서 차등 전압(differential voltage)을 초래한다. 이 차등 전압은 상기 감지 파라미터의 변화에 비례한다. 일정 전압 여기의 경우, 상기 차등 전압은 VcΔ의 값을 갖는다. 일정 전류 여기의 경우, 상기 차등 전압은 IcΔRo의 값을 갖는다.
상기 감지된 파라미터의 변화가 없는 상태에서 존재하는 차등 전압을, 일반적으로 "오프셋(offset)"전압이라 지칭한다. 일반적으로, 선택된 압전 저항에 절단할 수 있는(trimmable) (비피에조; non-piezo) 저항을 병렬연결하고 상기 오프셋이 0 이 될 때까지 상기 저항들 중 하나 이상을 절단 형성함으로써, 이 오프셋을 제거할 수 있다. 이 기술은 초기 오프셋에 대하여 우수한 정정을 제공하지만, 응답 신호에 고차의 오차항을 유도하는 단점이 있다. 상기 차등 전압은, 일정 전압 여기의 경우, Vcc × (Δ + 고차항들)이 되고, 일정 전류 여기의 경우에는 Ic(ΔRo + 고차항들)이 된다. 또한 이 절단-저항(trim-resister) 기술은 동작 중에 나타나는 드리프트(drift)를 오프셋하기 위한 정정을 위하여 사용될 수 없으며, 스팬 드리프트(span drift)에 대한 정정을 위해서도 사용될 수 없다. 또한, 이 기술은 상기 브릿지의 응답을 선형화할 수 없다.
따라서, 그러므로, 전기회로의 바람직하지 못한 신호 특성을 정정하기 위한 장치 및 방법에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명의 가르침은 입력 전기신호의 바람직하지 못한 신호 특성을 정정하기 위한 개선된 장치를 제공한다.
전기회로의 바람직하지 못한 신호 특성을 정정하기 위한 개선된 장치가 개시된다. 일 실시예에서, 멀티-와이어 감지 브릿지 회로가 개시된다. 본 실시예에서, 인입(incoming) 신호를 감지하고, 후속하여 복수의 잠재적인 바람직하지 못한 신호 특성들 중 적어도 하나를 정정하기 위하여 제 1 임피던스 부재 및 제 2 임피던스 부재가 배치된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 개선된 멀티-와이어 감지 브릿지 회로를 도시한다. 일 실시예에서, 상기 개선된 멀티-와이어 감지 브릿지는, 예시적인 3 와이어 "하프-브릿지" 회로를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 멀티-와이어 감지 브릿지는 인입 전기신호를 감지하고 상기 인입 전기신호와 관련된 바람직하지 못한 특성을 정정하기 위하여 개조된다.
도 2a에 도시된 일 실시예에서, 제 1 전기 도전성 와이어(202)는 제 1 임피던스 부재(208)에 연결된다. 제 2 전기 전도 와이어(204)는 노드(209)에서 상기 제 1 임피던스 부재(208)와 제 2 임피던스 부재(210)의 접합에 연결된다. 반환 경로는 제 3 전기 도전성 와이어(206)을 통하여 제 2 임피던스 부재(210)에 전기적으로 연결된다. 일부 실시예에서, 상기 제 1 임피던스 부재(208) 및 상기 제 2 임피던스 부재(210)는 압전 저항을 포함한다.
이하, 도 2b를 참조하여, 개선된 멀티-감지 브릿지 회로를 상술한다. 제 1 전류(Ic1)는 제 1 와이어(224)를 통하여 제 1 임피던스 부재(228) 및 반환 경로 와이어(230)로 흐른다. 제 2 전류(Ic2)는 제 2 와이어(222)를 통하여 제 2 임피던스 부재(226) 및 반환 경로 와이어(230)로 흐른다. 개선된 멀티 감지 브릿지(220)가 동작 시, 제 1 와이어(224)는 관련 및 해당되는 제 1 여기 및 제 1 감지 파라미터를 갖는다. 개선된 멀티 감지 브릿지(220)가 동작 시에, 제 2 와이어(222)는 관련 및 해당되는 제 2 여기 및 이와 관련된 제 2 감지 파라미터를 갖는다. 제 1 임피던스 부재(228) 및 제 2 임피던스 부재(226)는 노드(235)에서 반환 경로 와이어(230)에 연결된다. 제 1 와이어(224) 및 제 2 와이어(222)는 여기 배선들과 감지 파라미터 배선들을 모두 포함한다. 임피던스 부재(228 및 226)는 각각 배선(224, 222)을 통하여, 분리된 독립전류원(Ic1 및 Ic2)에 의해 여기된다.
도 2a 및 2b에 도시된 하프-브릿지 회로는 바람직하지 못한 전기신호 특성을 정정하기 위하여 요구되는 여기/감지 파라미터 와이어의 개수를 감소시키는 이점이 있다. 일반적으로, 예를 들면, 휘스톤 브릿지에서, 4 개의 와이어가 요구된다. 그러나, 도 2a 및 2b의 회로에서는 3 개의 와이어만이 요구된다.
제 1 와이어(224)는 이와 관련된 제 1 전압("V1")을 갖는다. 유사하게, 제 2 와이어(222)는 이와 관련된 제 2 전압("V2")을 갖는다. 임피던스 부재(226, 228)가 압전 저항들을 포함하는 일 실시예에서, 차등 전압은 다음의 방정식에 의하여 정의된다.
식 1: V2 - V1 = (Ic2)*(Ro2)-(Ic1)*(Ro1)
여기서, Ro1는 제 1 임피던스 부재(228)와 관련된 저항값을 포함하며, Ro2는 제 2 임피던스 부재(226)와 관련된 저항값을 포함한다.
Ic1 = Ic2의 경우에, Ro1이 Ro2와 동등하다면, 측정된 오프셋은 0 이다.
제 1 임피던스 부재(228)에 대하여 상기 감지 파라미터가 그의 기준영점에 있다면, Ro1 = Ro1(0) 이고, 제 2 임피던스 부재(226)에 대하여는 Ro2 = Ro2(0) 이다. 또는, Ro1과 Ro2이 정확하게 동등하지 않고 크기 "r" 만큼 다르면, Ro2(0) = Ro1(0) - r = Ro(0) - r 이 된다. 그리고, Ic1 = Ic2 = Ic 라면, V2 - V1은 0으로부터 V2(0) - V1(0) = -Ic*r 만큼 오프셋될 것이다.
Ic2(0) = [Ro(0)/(Ro(0)-r)]*Ic1(0) = [V1(0)/V2(0)]*Ic(0) 이도록, Ic2(0)을 조절함으로써, 상기 감지 파라미터의 오프셋을 직접적으로 정정할 수 있다.
그 결과, 조절된 오프셋, ADJ[V2(0)-V1(0)]는 ADJ[V2(0)-V1(0)] = {[[Ic(0)]*[Ro(0)]]/[Ro(0)-r]}*[Ro(0)-r]-(Ico(0))*(Ro(0)) = 0 이 된다.
인입 전기신호의 감지 파라미터의 변화가 Ro2 = Ro2(0)(1 + δ) 및 Ro1 = Ro1(0)*(1- δ)를 초래한다면, 그 결과는:
V2 - V1 = {[[Ic(0)]*Ro(0)]]/Ro(0)-r}*[Ro(0)-r]*[1 + δ] - [Ic(0)]*R(0)*(1 - δ) = 2*Ic(0)*Ro(0)* δ 이다.
이 표현은, 고차 오차항(예를 들면, 2차 오차항) 없이, V2 - V1 과 δ 사이에 대한 간단한 선형관계를 제공한다. 이와 같이, 상기 개선된 멀티-와이어 브릿지는 감지 파라미터의 측정으로부터 고차항을 제거하는 이점이 있다.
기지의 또는 검출할 수 있는 선형 또는 비선형의 패턴, δ(T) = (1 + B(T))* δ 에 따라, δ가 온도("T")에 따라 변한다면, 스팬 드리프트(span drift)에 대하여, 상기 브릿지는 각각 팩터 (1+B(T))-1에 의하여 Ic1 및 Ic2를 수정함으로써 직접적으로 정정될 수 있다. 스팬 드리프트는 2 개의 주요 요인, 즉 온도의 변화와 센서의 열화에 의하여 초래된다.
위의 개시 사항은 인입 전기신호와 관련된 바람직하지 못한 특성을 정정하기 위한 장치에 관한 실시태양의 예시적인 실시예들 및 신규한 특징들을 설명한 것이다. 선택적인 실시예들이 제공되지만, 본 발명에 따른 장치의 모든 선택적인 실시형태를 열거하는 것은 실용적이지 못하다. 그러므로, 본 개시의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여서만 결정되며, 첨부된 특허청구범위에서 그러한 한정이 언급된 경우를 제외하고는 위의 개시 사항에서 설명된 특징들에 의해 한정되어서는 안 된다.
위의 개시 사항은 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들을 지적하고 있지만, 당업자에게, 본 발명의 가르침의 범위로부터 벗어나지 않고서도 상술한 본 발명에 관한 방법 및 시스템의 형태와 세부 사항에 있어서 다양한 생략, 치환, 교환 및 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다.
본 명세서에서 상술한 상기 구성요소들 및 선택적 구성요소들의 각 실용적이고 신규한 조합, 그리고 상기 구성요소들에 대한 균등물의 각 실용적 조합은, 본 발명의 가르침에 따른 실시예로서 여겨진다. 본 명세서에서 명시적으로 그리고 합리적으로 열거될 수 있는 것 이상인, 구성요소들의 많은 조합이 본 발명의 가르침에 따른 실시예로서 여겨지기 때문에, 본 발명에 따른 가르침의 범위는 위의 개시 사항에 의해서라기보다는 첨부된 특허청구범위에 의해서 적합하게 한정된다. 다양한 특허청구범위의 구성요소에 대한 균등물의 의미와 범위 내에 존재하는 모든 실시형태의 변형들은 해당 특허청구범위의 기술 사상에 포함된다. 이하, 기재된 각 청구항은, 임의의 장치 또는 방법이 실제적으로 선행 기술의 실시예가 아닌 한 이러한 청구항의 문언적 용어와 비실질적으로만 차이가 있는 장치 또는 방법을 포함하는 것이다. 마지막으로, 각 청구항에서 상술된 각 구성요소는 가능한 한 넓게 해석되어야만 하며, 선행 기술을 포함하지 않는 한 이러한 구성요소에 대한 모든 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 용어 "포함한다(include)"가 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 사용되는바, 그러한 용어는 용어 "이루어지다(comprising)"와 유사하게 포괄적 의미를 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치는, 3 와이어 "하프-브릿지" 회로와 같이, 각각 전기 도전성 와이어에 연결되어 분리된 전류원 또는 전압원에 의해 여기되는 제 1 임피던스 부재 및 제 2 임피던스 부재를 포함함으로써, 여기/감지 파라미터 와이어의 개수를 감소시키고, 감지 파라미터의 변화로부터 초래되는 인입 전기신호의 바람직하지 못한 신호 특성을 고차의 오차항이 없이도 간단하고 직접적으로 정정할 수 있는 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치를 제공한다.

Claims (9)

  1. 입력되는 인입 전기신호와 관련된 바람직하지 못한 특성을 정정하도록 개조된 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치에 있어서,
    a) 복수의 전기 도전성 와이어를 구비하며, 상기 전기 도전성 와이어에 전기적으로 연결되는 멀티-와이어 하니스(multi-wire harness)와,
    b) 제 1 임피던스 부재값, 제 1 임피던스 부재 여기측 및 제 1 임피던스 부재 반환측을 구비하며, 상기 제 1 임피던스 부재 여기측이 상기 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지에 입력되는 상기 인입 전기신호에 동작하도록 결합되며, 상기 제 1 임피던스 부재 반환측이 반환 경로에 동작하도록 결합되는 제 1 임피던스 부재, 및
    c) 제 2 임피던스 부재값, 제 2 임피던스 부재 여기측 및 제 2 임피던스 부재 반환측을 구비하며, 상기 제 2 임피던스 부재 여기측이 상기 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지에 입력되는 상기 인입 전기신호에 동작하도록 결합되며, 상기 제 2 임피던스 부재 반환측이 상기 반환 경로에 동작하도록 결합되는 제 2 임피던스 부재를 포함하는
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 멀티-와이어 하니스는 3개의 와이어 하니스를 포함하는
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 부재 및 상기 제 2 임피던스 부재는 압전 저항(piezoresistors)을 포함하는
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 부재 및 상기 제 2 임피던스 부재는 대략 동등한 임피던스 값을 갖는
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 부재 여기측 및 상기 제 2 임피던스 부재 여기측은 공통 반환 경로 노드를 공유하는
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인입 전기신호의 측정시 2차 오차를 회피하도록 더 개조된
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 인입 전기신호의 오프셋 드리프트(offset drift)를 정정하도록 더 개조된
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 인입 전기신호의 스팬 드리프트(span drift)를 정정하도록 더 개조된
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지의 응답을 선형화하도록 더 개조된
    개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치.
KR1020060054020A 2005-06-17 2006-06-15 개선된 멀티-와이어 센싱 브릿지 장치 KR20060132470A (ko)

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