专利名称：电阻电桥架构和方法
技术领域：
本发明涉及电阻电桥架构，更具体而言，一个或多个实施例涉及利用两个测量电 路的电阻电桥架构。
背景技术：
电阻电桥是一种通过测量电阻器之间的比值来比较电阻器的装置。例如，电阻电 桥可以用于确定电耦合至第二电阻器的第一电阻器的电阻值。电阻电桥测量两个电阻器的 电参数，耦合到电阻电桥的微处理器基于电测量结果计算两个电阻器的比值。电阻电桥可 以用于多种使用电阻测量的应用中，例如温度计、电阻器校准器、万用表等。通常，电阻电桥 测量电路提供高精确度的测量。然而，任何电路的精度都取决于电路之内电气部件的稳定 性。因此，电阻电桥测量电路的精度可能受限于电桥架构之内电气部件的稳定性。例如，如 果电阻电桥测量电路的电流源中存在漂移，该漂移可能会影响到电阻电桥中测量的精度。 尽管可以改善电流源的性能，但由于电气部件中的实际局限，仍然会残留一些电流漂移。图1是现有技术中耦合到两个电阻器Rs 104和Rx 106的电阻电桥测量电路100 的示意图。电阻电桥测量电路100包括电流源102、开关108和测量电路101。测量电路 101可以包括放大器110和模拟数字转换器(ADC) 112。电阻器Rs 104是标准或基准电阻 器，具有已知的电阻。电阻器Rx 106可以具有未知电阻，例如是要校准或测试的电阻器。 基准电阻器Rs 104和传感器电阻器Rx 106串联连接。在电流源102向电路提供电流时， 电流同时流经基准电阻器Rs 104和传感器电阻器Rx 106。在电流流经每个电阻器Rs 104 和Rx 106时，产生每个电阻器两端的电压，该电压与每个电阻器的电阻成正比。放大器110 和ADC 112依次测量每个电阻器两端的电压。例如，Rs 104两端的电压为Vs，Rx 106两端 的电压为Vx。由于一次仅能够测量一个电压，设置开关108以在两个电阻器Rs 104和Rx 106之间耦合放大器110和ADC 112。一旦已经测量了每个电阻器Rs 104和Rx 106两端
的电压，可以将电压转换成电压比，电压比与电阻比对应
Γ Vx Rx——=— Vs Rs因为电阻器Rs 104的值是已知的，所以可以从该比值确定Rx 106的值。因为每个电阻器Rs 104和Rx 106是依次测量的，所以电流源102中的任何漂移 或电路中的噪声都可能导致不精确的测量结果。例如，图1示出了测量电路100，开关108 耦合到电阻器Rs 104。在这种状态下，放大器110和ADC 112测量电阻器Rs 104两端的 电压。一旦已经进行了测量，开关108可以改变状态，从而将放大器110和ADC 112耦合到 电阻器Rx 106，从而可以测量电阻器Rx 106两端的电压。因此，如果在测量电阻器Rs 104 时和测量电阻器Rx 106时之间电流源发生漂移，该比值会包含误差，该误差会影响测量电 路100的精度。此外，测量期间电路100中的任何噪声也可能影响测量的精度。因此，需要一种更精确的电阻电桥测量电路，减小电路中的噪声或电流源中的漂 移的影响。
图1是现有技术中电阻电桥测量电路的示意图。图2是根据本发明一个实施例的电阻电桥测量电路的示意图。图3是根据本发明一个实施例包括电阻电桥测量电路的系统框图。
具体实施例方式本发明的实施例涉及使用两个测量电路的电阻电桥架构，更具体而言，一个或多 个实施例涉及使用一前一后两个测量电路的电阻电桥架构。在下文中将对某些细节加以阐 述，以提供对本发明的充分理解。但是，对于本领域技术人员而言，显然可以在不需要这些 具体细节的情况下实践本发明。一个或多个实施例利用具有两个电压测量电路的电阻电桥，两个电压测量电路一 前一后地工作以测量两个电阻器两端的电压。使用每个电阻器两端的电压计算比值，可以 使用该比值来确定电阻器之一的电阻。例如，可以向串联耦合的两个电阻器施加恒定电流。 第一测量电路可以测量第一电阻器两端的第一电压，第一电阻器是电阻已知的标准电阻 器。同时，第二测量电路测量第二电阻器两端的第二电压，第二电阻器具有未知的电阻。在 一个实施例中，可以在微处理器中将第一和第二电压转换成比值。例如，电阻未知的电阻器 两端的第一电压可以除以已知电阻器两端的电压(或反之)以获得电压比，电压比与电阻 比对应。从比值和已知电阻器的电阻可以确定未知电阻器的电阻。通过基本同时测量每个 电阻器，两个测量电路将包括在测量期间可能发生的任何噪声或电流漂移。因此，电流漂移 将在每次测量中，因此在将测量结果转换成比值时将至少部分被抵消。在一些实施例中，每个测量电路可以测量每个电阻器两端的电压。然后可以对每 个相应电阻器两端的两个电压求平均。如上所述，可以使用每个电阻器的平均电压计算对 应的电阻比。于是，如果任一测量电路具有增益误差，增益误差将在两个平均电压中都存 在，因此至少部分被抵消。此外，通过对每个相应电阻器两端的两个电压求平均，由电路噪 声或电流源漂移对测量导致的任何影响都可以减小。本领域的普通技术人员将明了，使用 两个电压测量电路基本同时测量每个电阻器两端的电压提高了测量精度。图2是根据本发明一个实施例的电阻电桥测量电路200的示意图。电阻电桥测量 电路200包括电流源202、两个测量电路201和203。类似于图1中的电阻电桥测量电路 100，电阻电桥测量电路200耦合到标准或基准电阻器Rs 204以及传感器电阻器Rx 206。电 阻器Rs 204和电阻器Rx 206串联连接。电阻器Rs 204具有已知电阻值。电阻器Rx 206 可以是未知的或是待校准或测试的电阻器。电阻器Rs 204和Rx 206可以是任何类型的电 阻器，例如电阻介于0和500千欧的电阻器。在一些实施例中，电阻器具有5和400欧姆之 间的电阻。电流源202向电路200提供电流，使得电流同时流经电阻器Rs 204和Rx 206，在 每个电阻器Rs 204和Rx 206的两端产生电压电势。在一个实施例中，电流源202是可逆 的。两个测量电路201和203可以配置成测量电参数，例如电压。测量电路201和203可 以相同或彼此不同。在一些实施例中，测量电路201和203分别包括放大器210和211以 及ADC 212和213。每个测量电路201和203分别耦合到开关208和开关209。开关208和209可以是任何种类的用于改变状态的开关。开关208和209可以是单个开关或一前一 后工作的两个分立开关。在一个实施例中，开关208和209可以是继电器开关，例如机电继 电器开关。在另一实施例中，开关208和开关209可以是模拟开关。在这一实施例中，测量 电路201和/或203分别可以不包括放大器210或211。例如，模拟开关208和209可以直 接分别耦合到ADC 212和213。在一个或多个实施例中，每个测量电路201和203基本同时测量相应电阻器Rs 204和Rx 206的电压。因此，电流源中的噪声或漂移可能存在于两个测量中，一旦将测量结 果作为比值提供，可以至少部分抵消电流源中的噪声或漂移。更具体而言，如果与测量电路 203测量电阻器Rs 204两端电压基本同时，测量电路201测量电阻器Rx 206两端的电压， 两次测量都可能包括电流源202产生的噪声。例如，在图2所示的状态下，放大器210的第 一节点由开关208耦合到电阻器Rx 206的第一节点，放大器210的第二节点由开关208耦 合到电阻器Rx 206的第二节点，使得测量电路201可以测量电阻器Rx 206两端的电压电 势Vx0此外，放大器211的第一节点由开关209耦合到电阻器Rs 204的第一节点，放大器 211的第二节点由开关209耦合到电阻器Rs 204的第二节点，使得测量电路203可以测量 电阻器Rs 204两端的电压电势Vs。本领域的普通技术人员将明了，可以使每次电压测量的 定时同时或在时间上充分接近，使得两个测量电路201和203都部分或全部测量到电流源 中的任何噪声。在微处理器(未示出)中，可以将电压电势Vs和Vx表达为电压比，该电压比与电 阻比对应。例如，在一些实施例中，因为电阻与电压成正比，且电流恒定，因此可以从电压电 势Vs和Vx计算电阻比。例如，使用V = IR,并知道电流源恒定，可以如下表达电阻器Rs 204和Rx 206两端的电压
r ， Vx Rx——=-Vs Rs因此，因为电压电势Vs、电压电势Vx和电阻器Rs 204的电阻值是已知的，所以可 以计算电阻器Rx 206的电阻值。在一个或多个实施例中，每个测量电路201和203可以测量每个电阻器Rs 204和 Rx 206两端的电压。因此，如果在任一个测量电路201和203中有任何缺陷，通过利用两 个测量电路测量每个电阻器，可以抵消由单一测量电路导致的任何增益。更具体而言，除了 如上所述测量电路201测量电阻器Rx 206两端的第一电压Vxl和测量电路203测量电阻 器Rs 204两端的第一电压Vsl之外，可以倒转开关208和209，使得测量电路201测量电阻 器Rs 204两端的第二电压Vs2，测量电路203测量电阻器Rx 206两端的第二电压Vx2。例 如，可以倒转开关208，使得放大器210的第一节点耦合到电阻器Rs 204的第一节点，放大 器210的第二节点耦合到电阻器Rs 204的第二节点。此外，可以倒转开关209，使得放大器 211的第一节点耦合到电阻器Rx 206的第一节点，放大器211的第二节点耦合到电阻器Rx 206的第二节点。在这一实施例中，可以组合每个测量电路201和203在每一相应电阻器Rs 204和 Rx 206两端进行的每次电压测量并如上所述计算比值。例如，在一个实施例中，将电阻器 Rs 204两端的每个电压Vsl和Vs2共同求平均，Vsl是测量电路203测量的电压，Vs2是测 量电路201测量的电压。类似地，将电阻器Rx 206两端的每个电压Vxl和Vx2共同求平均，Vxl是测量电路201测量的电压，Vx2是测量电路203测量的电压。将每个电阻器Rs 204 和Rx 206两端的电压平均值转换成对应于电阻比的电压比。例如，可以使用以下方程确定 电阻比
(Vxl + Vxl) / 2 (Fxl + Vxl) Rx -=-=——
{Vs\ + Vs2)/2 (Vsl + Vs2) Rs因此，使用电阻器Rs 204的已知电阻，可以计算出Rx 206的电阻。本领域的普通技术人员将明了，在倒转开关208和/或开关209时，每个对应的测 量电路201和203改变相对于另一测量电路201和203以及相对于电路中电流流动方向的 地电势。因此，在一些实施例中，可以将测量电路201的电源与测量电路203的电源隔离 开。例如，可以在进行测量的同时将用于每个测量电路201和203的电源与另一个隔离开。 在一个实施例中，在测量电路201和203测量相应电阻器Rs 204和Rx 206两端的电压时， 测量电路201和203可以彼此电隔离，使得每个电路由相应的储能装置，例如电池或电容器 供电。在测量之间，可以对每个储能装置再充电。例如，在一个实施例中，每个储能装置可 以耦合到开关模式功率转换器，该转换器用于对相应储能装置再充电。在一个实施例中，开 关模式功率转换器是DC到DC转换器。在测量期间，可以从储能装置解除开关模式功率转 换器的耦合和/或将其关闭。在另一实施例中，不是隔离电源，而是可以使用每个测量电路 201和203的放大器来偏移与地电势间的电平。在一些实施例中，可以进行另一组测量，其中反转电路200中的电流。通过首先测 量电流沿第一方向流动的电压，然后测量电流沿相反方向流动的电压，可以消除测量电路 201和203中的偏移电压，例如由于温差电动势(EMF)导致的电压。例如，在一个实施例中， 电流源202沿顺时针方向向电路供应电流，使得电流从电阻器Rs 204流向电阻器Rx 206。 与测量电路203测量电阻器Rs 204两端的第一电压电势Vsl基本同时，测量电路201测量 电阻器Rx 206两端的第一电压电势Vxl。在完成测量后，开关208和209倒转，使得与测量 电路203测量电阻器Rx 206两端的电压电势Vx2基本同时，测量电路201测量电阻器Rs 204两端的电压电势Vs2。在完成以上测量之后，电流源202可以翻转电流，使得电流沿逆时针方向流经电 路200。在电流沿逆时针方向流经电路200的同时，与测量电路203测量电阻器Rx 206两 端的电压Vx3基本同时，测量电路201可以再次测量电阻器Rs 204两端的电压Vs3。在完 成测量后，开关208和209倒转，使得与测量电路203测量电阻器Rs 204两端的电压电势 Vs4基本同时，测量电路201测量电阻器Rx 206两端的电压电势Vx4。所得的电压测量结果Vxl和Vx4是在电流沿相反反向流动时由测量电路201测量 的。Vx2和Vx3是在电流沿相反方向流动时利用测量电路203测量的。在微处理器中，确 定在电流沿相反方向流动时由每个测量电路和每个电阻器测量的电压之间的差异。例如， 对于测量电路201和电阻器Rx 206，从Vx4减去电压Vxl。对于测量电路203和电阻器Rx 206，从电压Vx3减去Vx2。对于测量电路203和电阻器Rs 204，从电压Vs3减去Vsl。对于 测量电路203和电阻器Rs 204，从电压Vs4减去Vs2。此外，可以组合由每个测量电路201 和203产生的电压电势，例如通过对每个测量电路为每个相应电阻器进行的测量求平均。 例如，可以使用以下方程确定比值(Vxl - Vx4) + (Vx2 - Vx3) _ Rx(Vs2-Vs3) + (Vsl-Vs4) — ~Rs从以上方程，可以通过代入Rs的已知电阻值确定Rx的电阻值。在一个实施例中，图2的电阻电桥测量电路200可以用于温度计。具体而言，温度 计探针可以包括可以串联耦合到已知电阻器的电阻器，该已知电阻器耦合到电阻电桥测量 电路。一旦确定了探针中电阻器的电阻值，就可以使用该电阻值和电阻温度系数确定探针 温度。在另一实施例中，图2的电阻电桥测量电路200可以用于校准或测试电阻器。图3是根据本发明一个实施例包括电阻电桥测量电路的系统300的方框图。系统 300中的很多部件与图2中的电阻电桥测量电路200中的部件以相同方式工作。因此，为 了简洁，不再重复它们的结构和功能。系统300包括耦合到两个测量电路320和322的微 处理器310、开关340和342以及电流源360。微处理器可以用于控制开关340和342的状 态。测量电路320和322进一步耦合到相应的开关340和342。测量电路320和/或322 可以包括放大器和ADC。在一些实施例中，测量电路320和/或322可以包括可耦合到开关 340和342的ADC。每个测量电路320和322可以耦合到相应的隔离电源330和332。每个 隔离电源330和332可以用于在进行测量时为相应测量电路320和322供电。开关340和 342可以耦合到电阻器350。电阻器350可以是任意数量的电阻器。电阻器350耦合到电 流源360。微处理器可以用于控制电流源360提供给电阻器350的电流。微处理器310可 以用于从测量电路320和322进行的各种电压测量计算电压比。电压比与电阻比对应。此 外，微处理器310可以用于使用电压或电阻比，确定电阻器之一，例如图2的电阻器Rx的电 阻。尽管已经参考所公开的实施例描述了本发明，本领域的技术人员将认识到，可以 在形式和细节方面进行改变而不脱离本发明的精神和范围。例如，对于本领域的普通技术 人员而言显而易见的是，测量电路测量每个电阻器两端的电压的次序或通过电路提供电流 的次序可以与上文例示和描述的实施例不同。这样的修改完全处于本领域技术人员的技能 范围内。因此，本发明除了受到权利要求的限定外不受任何限制。
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权利要求
一种电阻电桥测量电路，配置成耦合到第一电阻器和第二电阻器，所述第一和第二电阻器串联耦合，所述电阻电桥测量电路包括耦合到所述第一和第二电阻器的电流源；以及第一电压测量电路和第二电压测量电路，所述第一电压测量电路配置成测量所述第一电阻器两端的第一电压，所述第二电压测量电路配置成测量所述第二电阻器两端的第二电压，所述第一电压和所述第二电压是基本同时测量的。
2.根据权利要求1所述的电阻电桥，还包括用于从所述第一和第二电压计算比值的微 处理器。
3.根据权利要求2所述的电阻电桥，其中，所述比值为电阻比。
4.根据权利要求2所述的电阻电桥，其中，所述微处理器还用于从所述第一电阻器的 电阻和所述比值计算所述第二电阻器的电阻。
5.根据权利要求1所述的电阻电桥，其中，所述第一电压测量电路还配置成测量所述 第二电阻器两端的第三电压，所述第二电压测量电路还配置成测量所述第一电阻器两端的 第四电压。
6.根据权利要求5所述的电阻电桥，还包括微处理器，所述微处理器用于计算所述第 一和第四电压的第一平均值以及所述第二和第三电压的第二平均值，并将所述第一和第二 平均值转换成比值。
7.根据权利要求5所述的电阻电桥，还包括两个开关，每个开关配置成将每个电压测 量电路耦合到所述第一和第二电阻器以及从所述第一和第二电阻器解除每个电压测量电 路的耦合。
8.根据权利要求1所述的电阻电桥，其中，在测量所述第一和第二电压时，所述第一电 压测量电路和所述第二电压测量电路由彼此电隔离的电源供电。
9.根据权利要求1所述的电阻电桥，其中，所述电流源是可逆的。
10.一种配置成测量传感器电阻器两端的电压的温度计，包括微处理器；第一电压测量电路和第二电压测量电路，所述第一和第二测量电路耦合到所述微处理器；包括第一电阻器的温度探针，所述第一电阻器配置成与所述传感器电阻器串联耦合；电流源，被配置成耦合到所述第一电阻器和所述传感器电阻器，所述电流源被配置成 向所述第一和传感器电阻器供应电流；以及第一开关和第二开关，所述第一开关耦合到所述第一测量电路，所述第二开关耦合到 所述第二测量电路，每个开关配置成将其对应的电压测量电路耦合到所述第一电阻器和所 述传感器电阻器以及将其对应的电压测量电路从所述第一电阻器和所述传感器电阻器解 華禹。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一电压测量电路配置成在所述第一开 关将所述第一电压测量电路耦合到所述第一电阻器时测量所述第一电阻器两端的第一电 压，所述第二电压测量电路配置成在所述第二开关将所述第二电压测量电路耦合到所述传 感器电阻器时测量所述传感器电阻器两端的第二电压，其中，所述测量是基本同时执行的。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述微处理器用于使用所述第一电阻器的电阻值和所述第一和第二电压确定所述传感器电阻器的电阻。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述微处理器还配置成使用所述传感器电阻 器的电阻确定所述传感器电阻器的温度。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一电压测量电路和所述第二电压测量 电路均包括开关和模拟数字转换器。
15.一种确定电路中电阻的方法，所述电路具有串联耦合的第一电阻器和第二电阻器， 所述方法包括测量所述第一电阻器两端的第一电压；测量所述第二电阻器两端的第二电压；所述第一电压是独立于所述第二电压并与其基 本同时测量的，其中，所述第一电压是由第一测量电路测量的，所述第二电压是由与所述第 一测量电路不同的第二测量电路测量的；以及从所述第一电压和所述第二电压计算比值，并使用所述比值和所述第一电阻器的电阻 确定所述第二电阻器的电阻。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一测量电路测量所述第二电阻器两端 的第三电压，所述第二测量电路测量所述第一电阻器两端的第四电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，从所述第一电压和所述第二电压计算比值的 动作包括对所述第一电压和所述第三电压求平均值以得到第一平均电压，对所述第二电压 所述第四电压求平均值以得到第二平均电压，并从所述第一平均电压和所述第二平均电压 计算比值。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括反转流经所述第一和第二电阻器的电流方向 并利用每个测量电路在每个电阻器两端进行后续电压测量。
19.根据权利要求15所述的方法，还包括在进行测量时，由第一电源为所述第一测量 电路供电，由第二电源为所述第二测量电路供电，所述第一电源与所述第二电源电隔离。
全文摘要
一个或多个实施例涉及具有一前一后工作的两个电压测量电路的电阻电桥。在一个实施例中，可以向两个串联耦合的电阻器施加恒定电流源，其中第一电阻器具有已知电阻，第二电阻器的电阻有待确定或验证。第一测量电路可以测量第一电阻器两端的第一电压，第二测量电路基本同时可以测量第二电阻器两端的第二电压。将每个电阻器的电压转换成比值。基于所述比值和第一电阻器的电阻，可以计算第二电阻器的电阻。
文档编号G01R27/14GK101943712SQ20101022280
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者R·W.·沃克 申请人:弗卢克公司