惠斯通电桥传感系统的制作方法

本非临时申请要求提交于2015年10月14日的美国临时申请No.62/241,330的优先权，该申请以引用方式并入本文。

技术领域

本实用新型一般涉及电学系统，更具体地涉及惠斯通电桥传感系统。

背景技术：

惠斯通电桥的一种常见用途是检测影响电桥的物理参数的变化。此类物理参数的变化影响电桥中的一个或多个电阻，进而改变的电桥电阻引起跨电桥相对节点的电压变化。因此，可监测跨电桥的电压以检测影响该电桥的一个或多个物理参数的变化。然而，需要与此类惠斯通电桥串联使用的信号处理电路是复杂的，并且消耗过多的空间和功率。

技术实现要素：

本实用新型解决的一个技术问题是如何测量影响惠斯通电桥的物理参数。

本文所公开的实施方案中的至少一些涉及一种系统，更具体地涉及一种惠斯通电桥传感系统，所述系统包括：由第一电流源供电的多电阻器惠斯通电桥；以及第二电流源，所述第二电流源耦接到电桥并且被配置成至少部分地补偿由模数转换器(ADC)检测到的电压，所述电压指示影响电桥的物理参数的改变，其中ADC产生代表所述电压的数字代码。可利用以下概念中的一者或多者的任意顺序和任意组合对这些实施方案中的一者或多者进行补充：其中所述第二电流源可基于代表所述电压的另一数字代码进行数字编程；其中所述数字代码具有的分辨率比所述另一数字代码更高；还包括第三电流源，所述第三电流源耦接到电桥并且被配置成至少部分地补偿电桥中存在的偏移电流；其中所述第三电流源吸收从电桥的第一节点接收的电流并且将电流供应至电桥的第二节点；其中所述物理参数包括施加至电桥的压力；其中所述第二电流源吸收从电桥的第一节点接收的电流并且将电流供应至电桥的第二节点；其中所述第二电流源被配置成至少部分地补偿与电桥相关联的偏移电流。

至少一些实施方案涉及一种系统，更具体地涉及一种惠斯通电桥传感系统，所述系统包括：惠斯通电桥，所述惠斯通电桥具有第一和第二节点；电流源，所述电流源向所述电桥供应电流；静态电流源，如果存在与所述电桥相关联的偏移电流的话，则所述静态电流源被配置成至少部分地补偿与电桥相关联的偏移电流；可变电流源，所述可变电流源被配置成吸收从第一节点接收的电流并且将电流提供至第二节点；以及模数转换器(ADC)，所述模数转换器被配置成检测指示影响电桥的物理参数改变的电压并基于检测到的电压影响由可变电流源提供的电流，其中所述ADC还被配置成基于所述检测到的电压提供数字代码。可利用以下概念中的一者或多者的任意顺序和任意组合对这些实施方案中的一者或多者进行补充：其中所述ADC包括积分器，所述积分器被配置成积分通过电桥接收的电流、由静态电流源产生的电流以及由可变电流源产生的电流；其中所述ADC还包括至少一个比较器，用于测定所述积分器的输出的极性和振幅；其中所述ADC还包括数字滤波器，所述数字滤波器将所述至少一个比较器的输出转化成另一数字代码，并且其中所述另一数字代码可用于影响由所述可变电流源提供的电流；其中所述ADC还包括抽取滤波器，所述抽取滤波器被配置成使用所述另一数字代码来产生所述数字代码，并且其中所述数字代码具有的分辨率比所述另一数字代码更高；其中所述检测到的电压是两个其他电压之间的差；其中所述可变电流源是可数字编程的；其中所述可变电流源补偿所述偏移电流中未由静态电流源补偿的部分；其中所述物理参数包括压力。

本实用新型实现的一个技术效果是补偿电桥偏移电流。

附图说明

在附图中：

图1是包括可变电流源的惠斯通电桥系统的框图。

图2是具有静态电流源和可变电流源的惠斯通电桥系统的框图。

图3是包括可变电流源的惠斯通电桥系统的电路示意图。

图4是包括可变电流源的另一惠斯通电桥系统的电路示意图。

图5是具有静态电流源和可变电流源的惠斯通电桥系统的电路示意图。

图6是用于根据各种实施方案操作惠斯通电桥系统的方法的流程图。

应当理解，附图中给定的具体实施方案以及对它们的详细描述并不限制本公开。相反，这些实施方案和详细描述为本领域技术人员提供了识别替代形式、等价形式和修改形式的基础，这些替代形式、等价形式和修改形式与给定实施方案中的一个或多个一起被包含在所附权利要求书的范围内。

具体实施方式

本文公开了一种具有多个电流源的惠斯通电桥系统。在一些实施方案中，使用了三个单独的电流源。一个电流源向惠斯通电桥提供静态电流供应。静态电流源用于至少部分地抵消(即，补偿)电桥中固有存在的任何电流偏移，例如由于电桥中电阻器的意外失衡而导致的电流偏移。这种电流源吸收从一个电桥节点接收的电流并在相对的电桥节点处向电桥供应相同的电流。在电流偏移中的至少一些已获得补偿后，模数转换器(ADC)监测电桥的电压失衡(并由此监测电流失衡)。电桥上的电压失衡如果被检测到，表示电桥上的电阻器网络失配，这进而指示与电桥相关的物理参数(例如，压力)已经改变。ADC检测电压并使第三数控可变电流源提供动态可变的电流来补偿在ADC输入端处检测到的电压。ADC还产生指示该检测到的电压的数字代码。此数字代码反映电桥处电阻失配的程度，并且由此反映被监测的物理参数已改变的程度。可按需要使用该数字代码。

图1是示例性惠斯通电桥系统100的框图。电桥系统100包括惠斯通电桥102、电流源104、模数转换器(ADC)106(例如，一阶连续时间三角积分ADC)以及可变电流源108。电流源104通过连接110耦接至电桥102。电桥102通过节点112耦接至可变电流源108和ADC 106。ADC 106通过另外的连接114耦接至可变电流源108。ADC 106在连接116上提供输出。在一些实施方案中，电流源104包括静态电流源，这意味着其可提供具有最小(如果有的话)变化(即，比基线电流变化小5％)的恒定电流。

电流源104提供电流至电桥102，所述电桥包括多个电阻器，如下文所解释。这些电阻器中的一个或多个可因影响电桥102的一个或多个物理参数的变化而改变电阻值。例如，电桥102中的电阻可对施加至电桥102的压力的变化敏感，并且此类压力可使电桥102中的一个或多个电阻器的电阻值改变。这种电桥电阻变化改变了电桥中的电流或电压，并且可测量这种改变以检测一个或多个物理参数的变化。如此，电桥102充当一个或多个物理参数的传感器。

如下文更详细解释的，电桥102提供电流至节点112。可变电流源108从电桥102吸收此电流并提供另一动态可变的电流至电桥102。由电流源108提供至电桥102的电流可发挥多种功能。首先，此电流可至少部分地补偿(即，至少部分地抵消)电桥102中可存在的任何偏移电流。尽管努力平衡电阻，但偏移电流(或偏移电压)仍可因电桥102的电阻值失衡而存在于电桥102中。其次，在考虑电桥102中可存在的任何偏移后，由于影响电桥102的物理参数(例如，压力)的改变，仍然可存在来自电桥102的电流。此类改变影响电桥102中的一个或多个电阻，这进而导致跨电桥中的一对输出节点存在电压(并且由此使得电流从电桥102流至节点112)。来自可变电流源108的电流还试图补偿来自电桥的高于和超出偏移电流(如果有的话)的这种电流。因此，在一些实施方案中，可变电流源108输出具有两个分量的电流：至少部分地抵消任何电桥偏移电流的静态分量，以及补偿高于和超出偏移电流的任何剩余电流的动态可变分量。如所解释的，该“剩余”电流可归因于残余偏移电流和/或影响电桥102的物理参数的变化。

可变电流源108补偿这些来自电桥102的电流并力图平衡存在于节点112上的电流。节点112上的任何电流失衡都表现为ADC 106输入端处的电压。如果ADC 106在其输入端处检测到任何电压(即，ADC输入端处的电压为任何非零值)，则ADC 106产生数字代码并在连接114上输出该代码。(在一些实施方案中，即使在ADC输入端处的电压为零时，ADC 106仍然可输出某类型的数字代码。)可变电流源108在至少一些实施方案中包括可数字编程的电流源(例如，包括数模转换器(DAC))，该可变电流源使用数字代码来调节输出至节点112的电流。通过这种方式，ADC 106构成了反馈回路的部分，所述反馈回路使ADC输入端处存在的电压收敛至零伏特，但是在一些实施方案中，ADC 106可被编程为在ADC输入端处以不同的预定非零电压为目标。此外，ADC 106在连接116上提供另一数字代码。相较于在连接114上提供的数字代码，此数字代码可具有更高的分辨率，可用于任何合适的目的，例如用于测定应用于电桥102的物理参数(例如，压力)的改变。

图2是示例性惠斯通电桥系统200的框图。系统200包括：惠斯通电桥102；通过连接110耦接至电桥102的电流源104；以及全都通过节点112耦接至电桥102、可变电流源108和静态电流源202的ADC 106。系统200另外包括ADC 106和可变电流源108之间的连接114。系统200还包括ADC 106的输出端116。

惠斯通电桥系统200的操作类似于图1的惠斯通电桥系统100的操作。然而，电桥系统200包括在图1所示的系统100中被省略的静态电流源202。静态电流源202可提供恒定电流(例如，变化不大于5％)，所述恒定电流抵消或至少部分地抵消电桥102中存在的偏移电流。此类偏移电流可因电桥电阻器的失衡而存在于电桥102中，并且纵使小心尝试平衡电桥电阻器，该偏移仍可能持续存在。由静态电流源202提供的电流可在检测到偏移电流后被自动设置，或者，在至少一些实施方案中，该电流可被手动设置。来自电桥的偏移电流流至静态电流源202并且由静态电流源202吸收。进而，静态电流源202提供输出电流至电桥102，该输出电流与所吸收的偏移电流相同。从静态电流源202提供至电桥102的这种电流抵消或者至少部分地抵消电桥102中存在的偏移电流。

来自电桥102的任何剩余电流(诸如由影响电桥102的物理参数的变化而产生的电流，以及诸如任何剩余偏移电流)使得在ADC 106的输入端处的节点112上出现电压。ADC 106、连接114和可变电流源108充当反馈回路，以持续调节由可变电流源108提供的电流，直到ADC 106输入端处的电压变得尽可能接近0V(或者某种其他预定电压)。换句话说，可变电流源108追踪来自电桥102的高于和超出静态电流源202所提供电流的任何电流。抵消ADC 106输入端处的电压所需的来源于可变电流源108的电流由116处输出的数字代码表示，该数字代码被反馈至可数字编程的可变电流源108。该数字代码表示影响电桥102的物理参数的改变程度。因此，可解码和处理这种数字代码，以测定影响电桥102的物理参数。在至少一些实施方案中，静态电流源202和可变电流源108产生与电流源104所产生电流成正比的电流。

图3是图1的示例性惠斯通电桥系统100的电路示意图。电流源104通过连接110和引脚300提供电流(例如，介于约5微安至5毫安之间，含端值)至惠斯通电桥102。惠斯通电桥102包括四个电阻器302、304、306和308，如图所示。可按需要选择电阻，但是在至少一些实施方案中，电桥总电阻在1千欧与10千欧之间的范围内。此外，在至少一些实施方案中，平衡电阻器以使得跨节点305和307的电压尽可能接近0V。电阻器306和308之间的节点接地。节点307耦接至引脚312，而节点305耦接至引脚314。引脚312耦接至节点316和电阻器320(例如，1千欧至10千欧)，而引脚314耦接至节点318和电阻器322(例如，1千欧至10千欧)。节点316和318耦接至可变电流源108。具体地讲，可变电流源108吸收流自所述节点中的一者(例如，节点316)的电流，并且可变电流源108通过另一节点(例如，节点318)供应(即，提供)电流至电桥102。

例如，在一些实施方案中，节点316、318持续吸收恒定电流(例如，通过接地连接)，并且供应至那些节点的电流量可基于通过连接114接收的数字信号而变化(下文描述)。在一些实施方案中，当通过连接114接收的数字信号中的位(比特)全都为低(LOW)时，由电流源108产生的所有电流均流至所述两个节点中的仅一者(例如，节点316)。这可能是由于耦接至电流源108的开关可由多个(例如，256个)位单元构成，每个位单元对应于通过连接114接收的数字信号中的一个位。在一些实施方案中，当通过连接114接收的数字信号中的位是混合态时，由电流源108产生的电流成比例地流至所述两个节点316、318中的每一者，具体取决于信号中的特定位。在一些实施方案中，当通过连接114接收的数字信号中的位(比特)全都为高(HIGH)时，由电流源108产生的电流流至所述两个节点中的仅一者(例如，节点318)。这些实施方案的净效应是，根据通过连接114接收到的信号位，在节点316、318中的每一者上供应的净电流可为正值、负值，或为零。相同或相似的技术用于图4和图5所示并且在下文中描述的开关和电流源。

电阻器320和322耦接至ADC 106的输入端，并且更具体地讲，耦接至积分器324的输入端。积分器324包括运算放大器325和反馈电容器327、329。积分器324积分由电桥102和可变电流源108提供的电流总和。积分器324的输出端耦接至比较器326，该比较器测定积分器324输出端的符号和振幅。比较器326的输出端耦接至数字滤波器328，所述数字滤波器包括可逆计数器和高通滤波器。数字滤波器328将比较器326的输出转化成数字代码(例如，6至8位的数字代码)，所述数字代码通过节点332和连接114被提供至可变电流源108。数字滤波器328包括可逆计数器和高通滤波器。高通滤波器的频宽被设定为使得由积分器324、ADC 106、数字滤波器328和可变电流源108形成的闭合回路系统是稳定的。进而，可变电流源108至少部分地基于提供至其的数字代码而在节点316或节点318上产生电流。在一些实施方案中，可变电流源108可具有基线电流输出，该基线电流输出是静态的，并且与电桥102中存在的偏移电流匹配。将可变电流添加至基线电流输出以产生电流，该电流可至少部分地抵消电桥偏移电流并且可解决ADC 106输入端处存在的任何电压。

可变电流源108具有高切换频率(例如在1至100MHz的范围内)。换句话说，可变电流源108在不同数字代码之间切换以及由此在不同输出电流之间切换的频率是很高的。然而，不太可能存在6至8位分辨率水平的单一数字代码，该数字代码将产生来自可变电流源108的电流，该电流将完全解决ADC 106输入端处的电压。换句话说，ADC 106输入端处的电压可能永远不会严格为0V(或者意在用于ADC 106输入端处的预定非零电压)。相反，当可变电流源108试图解决ADC 106输入端处的电压时，将重复地在两个(很可能连续的)数字代码之间切换。抽取滤波器330(例如，低通滤波器)产生这些代码的滑动平均，可变电流源108在这些代码间切换，并且该抽取滤波器在116处输出此平均值。例如，如果在规定时间段内，数字滤波器328在两个不同的数字代码之间切换，其中该时间段的50％用于输出第一数字代码，且该时间段的50％用于输出第二数字代码，则抽取滤波器330产生的平均值将为确切处于这两个数字代码之间的数字代码。

与数字滤波器328产生的数字代码相比，该平均值为具有更高分辨率(例如，12位至14位)的数字代码。这种高分辨率数字代码可用于例如测定影响电桥102的电阻的物理参数(诸如压力)的改变。在一些实施方案中，抽取滤波器330以相较于数字滤波器328更低(例如，介于约5至20千赫兹之间)的频率输出其数字代码。

如图4所示，在一些实施方案中，比较器326的输出端可直接耦接至可变电流源108和抽取滤波器330，并且可去除数字滤波器328。在此类实施方案中，使用比较器326的符号比较，但不使用振幅测量。

图5是图2的示例性惠斯通电桥系统200的电路示意图。前面参照图3和图4进行的关于惠斯通电桥系统100的论述适用于图5所示的系统200。然而，系统200与系统100的不同之处在于，系统200包括单独的电流源202和108。电流源202是静态电流源，并且其至少部分地补偿电桥102中存在的任何偏移电流。静态电流源202的输出端可自动固定或手动固定。其通过由连接114上的数字代码控制的切换机构耦接至节点316和318，并且其可接收和吸收来自这些节点中的一者(例如，节点316)的电流，并且其可通过另一节点(例如，节点318)提供电流至电桥102。在一些实施方案中，由静态电流源202输出的电流与静态电流源202吸收的电流相同。这完全或者至少部分地抵消/补偿电桥偏移电流。可变电流源108也使用图3和图4中先前示出的切换机构来通过节点316和318吸收和供应电流，但是其输出电流根据其从数字滤波器328接收的数字代码而变化。系统200中可变电流源108的操作基本上类似于系统100中可变电流源108的操作。然而，操作中的一个差异为以下事实：系统100的可变电流源108独自抵消任何电桥偏移电流，而此功能完全由系统200中的静态电流源202处理，或者作为另外一种选择，在系统200中的电流源202、108之间的共享任务配置中处理。

图6是用于根据各种实施方案惠斯通电桥系统的操作的示例性方法500的流程图。方法500开始于从第一电流源提供电流至惠斯通电桥(步骤502)。方法500接下来包括检测指示影响电桥的物理参数之改变的电压(步骤504)。方法500随后包括从第二电流源提供电流至电桥，以至少部分地补偿电桥偏移电流(如果有的话)(步骤506)。方法500还包括基于检测到的电压从第三电流源提供电流至电桥(步骤508)。如上文所解释的，该第三电流源为可变的、可数字编程的电流源。最后，方法500包括基于检测到的指示物理参数改变的电压提供数字值(步骤510)。可按需要修改方法500，包括添加、删除、修改或重排一个或多个步骤。

至少一些实施方案涉及一种方法，所述方法包括：从第一电流源提供电流至惠斯通电桥；检测指示影响电桥的物理参数改变的电压；基于所检测到的电压从第二电流源提供电流至电桥；以及基于所检测到的电压提供指示物理参数的所述改变的值。可利用以下概念中的一者或多者的任意顺序和任意组合对这些实施方案中的一者或多者进行补充：其中从所述第二电流源提供电流至电桥包括提供足以使所述电压回复至预定值的一定量电流；还包括从第三电流源提供电流至电桥以至少部分地补偿与所述电桥相关联的偏移电流。

一旦完全理解了上述公开的内容，对于本领域技术人员来说许多其他变型形式和修改形式就将变得显而易见。所附权利要求书被解释为旨在包含所有此类变型形式、修改形式和等同形式。另外，术语“或”应当被解释为包含的含义。