一种阻性传感阵列读出电路以及测量方法与流程

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种阻性传感阵列读出电路及测量方法。

背景技术

阻性传感阵列是应用比较广泛的一种传感器，它通过共用行线和列线的方式大大降低了线路的复杂性。在使用阻性传感阵列时，需要相关的阵列扫描电路对阻性传感单元进行电阻测量，又因为阻性传感阵列中的行和列是共用的，所以有效减小测量过程中的干扰，进行精确的测量非常必要。

现有技术中，一般采用零电势法进行测量，但是由于电路中的行、列多路选择器存在内阻，并且行多路选择器的驱动能力比较弱，从而导致对阻性传感阵列中的阻性传感单元的阻值测量存在误差，而且现有的二维阻性传感阵列读出电路很少考虑到电源电压的不稳定性，从而导致的测量结果的不准确。

因此，需要一种能够精准测量阻性传感单元的阻值的电路。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本发明的实施例提供一种阻性传感阵列读出电路，包括：

二维阻性传感阵列，包括多个阻性传感单元，其中，每一个阻性传感单元的一端连接行线，另一端连接列线，每一行阻性传感单元共用一条行线，每一列阻性传感单元共用一条列线；

标准电阻行，所述标准电阻行包括多个电阻已知的标准电阻，所述多个标准电阻共用一条行线，并与所述每一列阻性传感单元共用一条列线；

行多路选择器，所述行多路选择器的一端与所述行线连接；

第一运算放大器，所述行多路选择器的另一端与所述第一运算放大器连接；

被测单元测量电路，所述被测单元测量电路的输入端与所述列线连接，其中每条列线均连接一个被测单元测量电路。

进一步地，所述被测单元测量电路包括一个第二运算放大器和一个负反馈电阻；

其中，所述第二运算放大器的反相输入端与列线连接，并通过所述负反馈电阻与第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正相输入端接地。

进一步地，数字模拟转换器，所述数字模拟转换器与所述第二运算放大器的输出端连接。

进一步地，列多路选择器和数字模拟转换器，所述列多路选择器的输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述列多路选择器的输出端与所述数字模拟转换器连接。

进一步地，所述行多路选择器包括多个分别与每一条行线连接的开关电路，其中，每一个开关电路均包括两个闭合开关，所述两个闭合开关的一端均与同一条行线连接。

进一步地，所述第一运算放大器的输出端与其中一个闭合开关的另一端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与另一个闭合开关的另一端连接，所述第一运算放大器的正相输入端用于接通输入电压。

进一步地，所述电路还包括用来控制行多路选择器，和/或列多路选择器的控制器。

根据本发明的另一方面，还提供一种使用上述任一种测量电路测量阻性传感单元的电阻值的方法，包括步骤：

s1，选择一行阻性传感单元，并通过控制器控制与之对应的开关闭合，使其接通所述第一运算放大器的输出电压；

s2，选择与所述一行阻性传感单元中的一个阻性传感单元相连接的被测单元测量电路，并测得其第二运算放大器的第一输出电压；

s3，通过控制器断开所述对应的开关电路，并闭合与所述标准电阻行对应的开关电路，使其接通所述第一运算放大器的输出电压；

s4，测得在步骤s2中选择的被测单元测量电路中的第二运算放大器的第二输出电压；

s5，根据第一输出电压、第二输出电压和标准电阻的电阻值得出所述选择的阻性传感单元的阻值。

进一步地，步骤s2中，所述第一输出电压满足下式：

其中，vout为第一输出电压值，vi为第一运算放大器的输出电压，rij为选择的阻性传感单元的电阻值，rj为被选择的被测单元测量电路中的负反馈电阻的电阻值。

进一步地，步骤s4中，所述第二输出电压满足下式：

其中，vsout为第二输出电压值，vi为第一运算放大器的输出电压，rsj为选择的标准电阻的电阻值，rj为被选择的被测单元测量电路中的负反馈电阻的电阻值。

进一步地，步骤s4中，根据下式计算所述选择的阻性传感单元的阻值：

与现有技术相比，本发明具有以下优点之一：

(1)不仅可以读出所测二维阻性传感阵列中所有单元的电阻值，而且利用第一运算放大器可以有效去除行选择器的内阻对测量过程中的干扰，并增强电路的驱动能力。

(2)通过在每一列增加一个已知电阻可以去除电源电压和第一运算放大器输出电压波动对测量过程产生的干扰，提高对阻性传感单元的电阻值的测量精度。

(3)可以将被测阻性传感单元之外的其他电阻两侧的电压降低到接近0v，可以有效减小其他阻性传感单元的干扰。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明实施例提供的阻性传感阵列读出电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电路中的运算放大器和行多路选择器的等效电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的测量第一输出电压时的电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的测量第二输出电压时的电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1所示，本发明的实施例提供一种阻性传感阵列读出电路100，其可以包括二维阻性传感阵列3、标准电阻行6、行多路选择器1、第一运算放大器7、被测单元测量电路5。

在本实施例中，二维阻性传感阵列3可以包括多个阻性传感单元31，每一个阻性传感单元31的一端连接行线32，另一端连接列线33，每一行阻性传感单元31共用一条行线32，每一列阻性传感单元31共用一条列线33，这样多个阻性传感单元31可以按照m×n(m行n列)的二维结构分布，并且处于第i行、第j列的阻性传感单元31可以用rij表示，其中i＝1…m，m为行数，j＝1…n，n为列数。

阻性传感阵列读出电路100的标准电阻行6是在二维阻性传感阵列3之外连接的一行标准电阻61，可以包括多个电阻已知的标准电阻61，所述多个标准电阻61共用一条行线32，并与所述每一列阻性传感单元31共用一条列线33，即多个标准电阻61的数量与二维阻性传感阵列3的列数相同。这样，多个标准电阻61和多个阻性传感单元31就可以构成(m+1)×n的二维结构阵列，并且处于第j列的标准电阻61可以用rsj表示，其中j＝1…n，n为列数，s表示第(m+1)行。

阻性传感阵列读出电路100的行多路选择器1的一端与所述行线32连接，所述行多路选择器1包括多个分别与每一条行线32连接的开关电路11，这样开关电路11的数量就与行线32的数量相同，并且，每一个开关电路11均都可以包括两个闭合开关111，所述两个闭合开关111的一端均与同一条行线32连接，并且每一个开关电路11的其中一个闭合开关111的另一端，与其他开关电路11中的每一个的其中一个闭合开关111的另一端连接，形成一个总接口；每一个开关电路11的另一个闭合开关111的另一端，与其他开关电路11中的每一个的另一个闭合开关111的另一端连接，形成另一个总接口。这样可以更加方便的与第一运算放大器7连接。

如图1所示，所述行多路选择器1的另一端与所述第一运算放大器7连接。所述第一运算放大器7的输出端与其中一个闭合开关111的另一端连接，所述第一运算放大器7的反相输入端与另一个闭合开关111的另一端连接，所述第一运算放大器7的正相输入端用于接通输入电压。在本实施例中，由于两个总接口的存在，可以使得第一运算放大器7的输出端和反相输入端仅仅只需分别与两个总接口连接，就可以与每一个开关电路11相连接。通过设置一个第一运算放大器7可以增强行多路选择器1的驱动能力，而且通过在阵列之外连接的一行标准电阻61，可以消除电源电压不稳定和第一运算放大器7输出电压不稳定带来的干扰。

如图1所示，所述被测单元测量电路5的输入端与所述列线33连接，其中每条列线33均连接一个被测单元测量电路5，这样被测单元测量电路5的数量就与列线33的数量相同。每一个所述被测单元测量电路5都可以包括一个第二运算放大器51和一个负反馈电阻52，第二运算放大器51的反相输入端与列线33连接，并通过所述负反馈电阻52与第二运算放大器51的输出端连接，第二运算放大器51的正相输入端接地，这样就构成一个负反馈电路。

在本实施例中，阻性传感阵列读出电路100还可以包括列多路选择器2和数字模拟转换器8，所述列多路选择器2的输入端与所述第二运算放大器51的输出端连接，列多路选择器包括多个开关电路，每一个开关电路的一端作为输入端，并与一个所述第二运算放大器51的输出端连接，这样，开关电路的数量就与被测单元测量电路5数量相同，进而与列线33的数量相同，每一个开关电路的另一端作为输出端，与所述数字模拟转换器连接。而且被测单元测量电路5还可以隔离列多路选择器的内阻，使得测量过程不受列多路选择器的内阻的影响。

在进一步较佳实施例中，阻性传感阵列读出电路100还可以不包括列多路选择器，只需将所述数字模拟转换器与被测单元测量电路5中的第二运算放大器51的输出端连接即可。需要说明的是，并不是所有的被测单元测量电路5中的第二运算放大器51的输出端同时连接一个数字模拟转换器，而是在测量过程中，根据需要连接相应的被测单元测量电路5中的第二运算放大器51的输出端。

在进一步较佳实施例中，阻性传感阵列读出电路100还包括用来控制行多路选择器1，和/或列多路选择器的控制器4。

根据本发明的另一方面，还提供一种使用上述任一种测量电路测量阻性传感单元31的电阻值的方法，包括步骤：

s1，选择一行阻性传感单元31，并通过控制器控制与之对应的开关闭合，使其接通第一运算放大器7的输入电压；

首先，可以通过控制器控制行多路选择器1，将与其中一行阻性传感单元31对应的开关电路11闭合，例如为第i行，其余的行的开关电路11继续保持断开状态，当选中第i行时，电路中的第一运算放大器7和行多路选择器1的等效电路如图2所示。

这时，两个闭合开关111相当于两个电阻，根据第一运算放大器7的“虚断”特性可知：

vout＝vin

其中，vin为第一运算放大器7的输入电压vi，vout为第一运算放大器7的输出电压。

由于被测单元测量电路5是负反馈电路，根据第二运算放大器51的“虚短”工作原理，第二运算放大器51的正输入端与负输入端之间的电压接近于零，即第二运算放大器51的负输入端电位接近于零，称为“虚地”。又因为第二运算放大器51的负输入端与每一条列线33相连，所以共用行线32和列线33的二维阻性传感阵列3的所有列的电势接近于零。因此只有与选中的第i行相连的阻性传感单元31两侧的电压为vi，其余的阻性传感单元31上的电压接近于零，几乎没有电流流过，因此不会对测量过程造成干扰。

s2，选择与所述一行阻性传感单元31中的一个阻性传感单元31相连接的被测单元测量电路5，并测得其第二运算放大器51的第一输出电压；

然后在选中的一行阻性传感单元31中选择其中一个阻性传感单元31，例如可以是第j列，这样被选中的阻性传感单元31可以用rij表示，这时就可以测得与该阻性传感单元31连接的被测单元测量电路5的输出。

如图3所示，因为选中的第i行第j列的阻性传感单元31两侧的电压为vi，所以有电流流过选中的第i行第j列的阻性传感单元31，根据公式可知，流过rij的电流大小为：

其中iij为流过选中的第i行第j列的阻性传感单元31rij的电流，vi为第一运算放大器7的输出电压，rij为选中的第i行第j列的阻性传感单元31rij的电阻值。根据第二运算放大器51的“虚断”特性，电流通过负反馈电阻52rj流到第二运算放大器51的输出端，因此根据电压-电流的关系可知：

变化等式可知：

上面等式中vout为第j列被测单元测量电路5输出电压值，即第一输出电压，vi为第一运算放大器7的输出电压，rij为选中的第i行第j列的阻性传感单元31rij的电阻值，rj为与第j列相连的被测单元测量电路5中的负反馈电阻52的阻值。

在本实施例中，列多路选择器的输入与n个被测单元测量电路5中的第二运算放大器51的输出相连，列多路选择器2的输出与数字模拟转换器的输入相连，数字模拟转换器8的作用是将模拟电压转化为数字电压。当选中第i行时，可以通过控制器4控制列多路选择器2的选择，使得某一列的电压信号通过，并将电压信号通过数字模拟转换器8转化为数字信号。

s3，通过控制器断开所述对应的开关电路11，并闭合与所述标准电阻行6对应的开关电路11，使其接通第一运算放大器7的输出电压；

s4，测得在步骤s2中选择的被测单元测量电路5中的第二运算放大器51的第二输出电压；

测得第一输出电压后，通过控制器断开所述对应的开关电路，并闭合与所述标准电阻行6对应的开关电路11，使其接通第一运算放大器7的输出电压，需要说明的是，本步骤中选择同一被测单元测量电路5，即在步骤s2中选择的被测单元测量电路5与本步骤选择的被测单元测量电路5为同一被测单元测量电路5，并测得其第二输出电压。

如图4所示，采用相同的方法，可以测得第二输出电压：

其中，vsout为第二输出电压值，vi为第一运算放大器7的输出电压，rsj为选择的标准电阻61的电阻值，rj为被选择的被测单元测量电路5中的负反馈电阻52的电阻值。

s5，根据第一输出电压、第二输出电压和标准电阻61的电阻值得出所述选择的阻性传感单元31的阻值。

由上面计算可知，对共用行和列的二维阻性传感阵列3中的第i行第j列的单元电阻值的测量与输入电压没有直接关系，因此可以避免电源电压和输入电压的波动对测量过程的干扰，提高测量精度。

与现有技术相比，本发明可以具有下列优点：

(1)不仅可以读出所测二维阻性传感阵列中所有单元的电阻值，而且利用第一运算放大器可以有效去除行选择器的内阻对测量过程中的干扰，并增强电路的驱动能力。

(2)通过在每一列增加一个已知电阻可以去除电源电压和第一运算放大器输出电压波动对测量过程产生的干扰，提高对阻性传感单元的电阻值的测量精度。

(3)可以将被测阻性传感单元之外的其他电阻两侧的电压降低到接近0v，可以有效减小其他阻性传感单元的干扰。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。