专利名称：具有改进抑制噪声的比率量度的测量电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及到测量电路，特别是涉及到使用双斜率模-数转换器的比率量度测量电路。
应用比率量度的方法测量诸如电阻和电导的电路参量已为人们所熟知。许多比率量度测量电路利用双斜率模-数(A/D)转换器去测量参量的未知值。用于比率量度测量的电路时，这些转换器(A/D)通常指的是比率量度转换器。比率量度转换器相对而言功率消耗少，因此，在电池供电装置，如各种轻便测量仪器中得到了广泛的应用。
欲测量的电路各参量往往处于“噪声的”环境之中，如象电话线路，例如，在其中存在着诸如以泄漏电流和/或交流干扰方式出现的噪声。众所周知，噪声可能降低测量仪器的精度。实际上，比率量度测量仪器的精度(至少部分地)取决于比率量度测量电路的噪声抑制能力。那就是说，在某种程度上，比率量度测量电路的信噪比越好，测量仪器的精度就越高。
用原先技术做成的比率量度测量电路取得改进噪声抑制的一种方法是通过使用较高的工作电压，例如电源电压为±15伏而参考电压为10伏，与较低电源和参考电压，例如分别为±3伏和1伏是不同的。使用较高参考电压会使信噪比提高，因而改进了由原先技术制成的测量电路的噪声抑制。但是，较高参考电压要求用具有较大动态量程的比率量度转换器。遗憾的是，增加了动态量程导致比度量度转换器的功耗增加，它对电池供电电路，如在轻便型测量仪中是非常不希望的。
因此，需要具有改进噪声抑制的比率量度测量电路，不需消耗大量的附加功率即可获得该改进的噪声抑制。进一步说，改进了的噪声抑制应需求最少数量的附加部件使整个测量电路可以容易地包装在轻便型的仪器中。本发明旨在设计获得这些结果的比率量度测量电路。
根据本发明，提供了具有改进的噪声抑制的比率量度测量电路。一个双斜率的模-数(即比率量度)转换器工作在低电源电压和低参考电压之下并且对与第一参量相关的第一电压起作用，该第一参量值是未知的，这就使比率量度转换器产生表示第一参量未知值的输出。噪声抑制电路连接到比率量度转换器和第一参量。噪声抑制电路工作在与低电源电压相关的高电源电压下。噪声抑制电路产生一个具有幅值比参考电压大且正比于低参考电压的按比例增大的电压且将该按比例增大的电压加到第一参量上以在第一参量中形成一个参量电压。参量电压按比例缩小以构成第一电压。
根据本发明的更远的目标，噪声抑制电路包括产生按比例增大电压的第一放大器和缓冲参量电压的第二放大器。缓冲的参量电压加到产生第一电压的电压分压器。第一放大器的增益与电压分压器的输入输出比成反比例。第一电压加到比率量度转换器上。比率量度转换器在予置时间内在一个方向上对第一电压进行积分，接着在与第一电压积分的反方向对低参考电压和第一电压之间的差值进行积分以改变(即反积分)上述积分值。改变上述积分值到某一予定值(即反积分时间)所需时间正比于第一参量的未知值。
根据本发明的进一步目标，第一和第二放大器都是运算放大器。第一运算放大器的增益由第一对电阻确定，而电压分压器则由第二对电阻组成。第一对电阻的比例与第二对电阻的比例基本上是相同的。
根据本发明再进一步的目标，一个电压倍增器使低电源电压倍增并使倍增了的高电源电压加到噪声抑制电路中的第一和第二运算放大器的电源输入端。运算放大器具有比比率量度转换器更大的动态量程。第一和第二运算放大器是互补金属氧化物半导体型(CMOS)的运算放大器，它们的功耗相对而言是低的。
根据本发明，提供了一种改进的电池供电的轻便型比率量度测量仪器。连接在一个比率量转换器上的噪声抑制电路提高了仪器的信噪比。一个按比例增大的电压加到一个数值是未知的第一参量上，使在第一参量中构成第一参量电压。噪声抑制电路将参量电压进行分压并产生加到比率量度转换器上的第一电压。比率量度转换器响应于第一电压并产生表示第一参量值的输出。
根据本发明的另一个目标，参量电压加到一个能滤除噪声分量的滤波器上。滤波了的参量电压按比例缩小并加到比率量度转换器，其结果进一步增加了比率量度测量电路的信噪比。
从上面提要中极易了解到，本发明提供了一种理想的适用轻便型电池供电的比率量度测量电路。本发明提供的比率量度测度电路包括一噪声抑制电路，在改进测量电路的噪声抑制时，该噪声抑制电路使用非常少的器件并消耗极少量的附加功率。
本发明的上述和其它优点通过参考以下详细的描述和相关的附图
同样可以更好地得到了解，其中附图是根据本发明优选实施例中构成的比率量度测量电路的简化示意图。
比率量度测量电路通过建立已知参量和未知参量值之间的比例来确定未知参量值。一个常规的双斜率模-数(A/D)转换器可以用来做成比率量度测量。由于这个原因而应用时，双斜率A/D转换器通常以及今后称之谓比率量度转换器。比率量度转换器需用相对低的功率，因此，普遍用于功率有效工作时间受到限制，如电池供电的轻便型测量仪器中的测量电路。
在简化示意图中，用图说明根据本发明优选实施例所构成的比率量度测量电路。附图描绘了电阻作为测量参量的比率量度测量电路中的特殊应用例。因此，在图中以各种电阻描绘已知的和未知的参量，它们分别以Rref和Rx标定。但是，据此可推测到，也可以测量电导。因此，本发明的比率量度测量电路不能认为只限定测量电阻。
测量电路包括连接到噪声抑制电路12的一个常规的比率量度转换器10。噪声抑制电路12再接到Rref和Rx上，这里，如上所注释，Rx是欲测的未知电阻。从下面讨论中将会变得更为清楚，噪声抑制电路12通过将按比例增大的电压加到电路参量上而后按比例缩小所形成的电压并将按比例缩小的电压加到比率量度转换器上来提高比率量度测量电路的信噪比。其结果是，改进了测量电路的噪声抑制。而且噪声抑制电路12用很少的器件并且消耗功率很少，它就成为理想的、适用于轻便型的电池供电的仪器。
图中描绘的噪声抑制电路12包括两个CMOS运算放大器，标定为OA1和OA2;4只电阻，用R1，R2，R3，及R4表示;以及一个电压倍增器14。滤波器16也可包括在噪声抑制电路12的另一个实施例中。滤波器16在图中用虚线绘出并将在下面讨论。
电源18产生一个电压Vcc，将Vcc电压加到比率量度转换器10上。以传统的方式，比率量度转换器10调节Vcc值并产生低电源电压±V′cc，这样就使比率量度转换器10工作在±V′cc电压下，例如，假定Vcc为9伏，那么电压V′cc可能是±3伏。根据本发明的优化实施例，电压倍增器14使正极性V′cc(即+V′cc)电压得到倍增，同时产生一个高电源电压VA。与上例保持一致，VA可以是12伏。电压VA加到OA1和OA2的正极性电源输入端。
参考电压Vref加到比率量度转换器10的一个输入端和OA1，的非反相输入端。Vref最好有一个低值，例如为1伏。比率量度转换器10可以用低电源电压和一个低参考电压，其原因是比率量度转换器所需低功率是具有代表性的。
正如在图中所描绘的以及如上面所注释的那样，VA加到OA1和OA2的正极性电源输入端。OA1和OA2的负极性电源输入端接地。OA1的输出连接到R1和Rref的一端。R1的另一端接到R2的一端和OA1的反相输入端。R2的另一端则与地相接。Rref的另一端连接到Rx的一端和OA2的非反相输入端。Rx的另一端则与地相连接。OA2的输出连接到OA2的反相输入和R3的一端。R3的另一端连接到R4的一端和比率量度转换器10的另一输入端。R4的另一端接地。
从图中可以容易地看到，R1和R2确定OA1的增益。同样，R3和R4组成对OA2输出进行分压的电压分压器。根据本发明目前优化实施例，R1对R2的比例与R3对R4的比例本质上是相同的。这种关系的重要性从以下讨论中将变得很明显。
噪声抑制电路12以下述方式工作，OA1将参考电压Vref进行放大并产生一个按比例增大的电压Vs1。作为一例，R1和R2的阻值可以选择到使OA1具有10倍的增益。在此例中，Vs1的幅值10倍于Vref的幅值。显然，Vs1的其它值可以用各种不同的R1和R2的阻值得到。电压Vs1加到Rref和Rx串联的电阻上，这里，如上所注释，Rx是欲测量的未知值。参量电压Vx于Rx两端被建立起来，电压Vx的幅值与Rx的阻值有关。
OA2的作用象一个缓冲器并将缓冲了的电压Vx加到由R3和R4组成的电压分压器上。分压电压Vs2是在R3和R4之间的结点上形成的。如上所述，R3对R4的比例与R1对R2的比例基本上是相同的。因此，Vs2是由用Vs1按比例增大的同一系数按比例缩小。那就是说，与上例保持一致，Vx是以系数为10按比例缩小以形成按比例缩小的电压Vs2在通常情况下，比率量度转换器10在一个方向上对Vs2积分并接着在相反的方向上对Vref和Vs2之间的差值进行积分以改变或反积分上述被积分之值。改变上述积分值到某一予定值所花费的时间，例如为0，在这当中就称之谓反积分时间，反积分时间能够反映出Rx的阻值的表征。在比率量度转换器10的输出端形成一个输出信号Vout，并且能够反映出Rx阻值的特征。比率量度(即双斜率A/D)转换器在电气工艺中已为人们熟知，因此，此间不再详细讨论。
因为Vs1的幅值大于Vref的幅值，假定Vref曾加到Rref和Rx上，那么电压Vs1对任一出现在电路上的噪声包括Rref和Rx参量(即信噪比)的比率要比它应有的大些。而且，因为R3和R4使参量电压V按比例缩小，一个放大了的(即按比例增大的)参量电压就不能加到比率量度转换器10上。相反地，将按比例缩小的参量电压Vs2加到比率量度转换器10上，在上例中它在测量电路对抑制噪声的能力方面获得20分贝(dB)的改进。这样一来，从以下讨论中将变得更为清楚，噪声抑制电路12勿须大大地增加功耗就能提高比率量度测量电路的噪声抑制能力。
如上所述，电压倍增器14使电压V′cc提升并产生高电源电压VA。因此，OA1和OA2的动态量程略小于VA。另一方面，在比率量度转换器10中运算放大器(它们在图中未示出)工作在±V′cc电压之下，因此，具有比±V′cc稍小的动态量程，其结果是，在比率量度转换器10中运算放大器的动态量程小于OA1和OA2的动态量程。如象一个普通的熟练人员都晓得的那样，器件的功耗与该器件的动态量程有关。更明确地说，器件的功耗随着器件的动态量程的增加而增加。因此，在本发明的优选实施例中，比率量度转换器10消耗比较低的功率。进一步说，尽管OA1和OA2与比率量度转换器10相比有较大的动态量程。因此，在比率量度转器10中它们消耗的功率比运算放大器要大，但是OA1和OA2的CMOS结构却使它们工作在比较低功率水平上。这样，通过比率量度测量电路用增加极小的功耗来提高噪声抑制能力。
根据本发明的另一实施例，如上所述，噪声滤波器16可以附加到噪声抑制电路12上。更明确地说，滤波器16，它可能是无源的低通滤波器，连接到Rref和Rx之间的结点和OA2的非反相输入端。参量电压Vx加在滤波器16的输入端，它至少部分地将信号Vx中的噪声分量从信号Vx中滤掉。Vx经滤波后的电压V′x在滤波器16的输出端形成并加在OA2的非反相输入端。电压V′x由R3和R4按比例缩小并产生电压Vs2，把Vs2以上面讨论过的方式加到比率转换器10上。
根据本发明还有一个更远的另外一个实施例，电压倍增器14包括两个电压倍增器(未示出)。一个倍增器将正极性电压倍增(例如，+V′cc)而另一倍增器将负极性电压倍增(例如，-V′cc)。换句话说，在这个另一实施例中，电压倍增器14产生以±VA命名的正和负极性电源电压，正极性电压VA加到OA1和OA2的正电源输入端，而负极性电压VA则加到负电源输入端。因此，OA1和OA2的动态量程将稍小于±VA在某些应用中，用双电源电压(即，±VA)可改善噪声抑制电路12的性能。例如，那里的Rx有低值，因此Vx也有低值，而那里的交流噪声分量的幅值又高，则OA2的输出有可能被拉到负极性。在这样的一种情况中，如果OA2用单电源电压(即VA)代替双电源电压(即±VA)而工作，OA2则可能夹断其输出，因而就降低了噪声抑制电路12的精度。但是应该承认，当通过采用双电源电压时，噪声抑制电路12的精度可能提高，而噪声抑制电路12的功耗也随之增高。如上所述，在电池供电的轻便型测量仪器中增加功耗是不希望的。
虽然本发明的优选和另外一些实施例已经结合图例进生了描绘和说明，它将被了解到，其中可能做出各种改变，但不脱离本发明的精神和范围。例如，电压倍增器14可以被取消并且一个高电源电压(各种电压)，与V′cc无关，能够加到OA1和OA2上。进一步说，如果应用噪声滤波器并假定使用双电源电压，那么滤波器可以设计成相应的有源滤波器。因此，本发明与其间具体的描述相比则可用另外方式去实现。
权利要求
1.比率量度测量电路包括(a)一个工作在低电源电压和低参考电压的双斜率模-数转换器并响应于与第一参量的未知值有关的第一电压产生一个表示第一参量的未知值的输出；以及(b)连接到所述双斜率模-数转换器的噪声抑制电路以及为提高所述比率量度测量电路的信噪比的第一参量，其中所述噪声抑制电路工作在所述低电源电压下并产生一个比所述低参考电压大且与其成正比的按比例增大的电压，同时将所述按比例增大的电压加到第一参量上以便在第一参量处得到一个所构成的参量电压，所述噪声抑制电路将所述参量电压进行分压以形成所述第一电压。
2.按权利要求1的比率量度测量电路，其中所述噪声抑制电路对所述低参考电压进行放大并通过本质上相同的系数将对所述参量电压进行分压。
3.根据权利要求2的比率量度测量电路，其中所述噪声抑制电路包括(a)为接收到所述低参考电压并产生所述按比例增大的电压而连接到所述双斜率模一数转换器上的第一放大器;(b)为接收到所述参量电压并产生一缓冲参量电压而连接到第一参量的第二放大器;以及(c)为将所述缓冲的参量电压进行分压并产生所述第一电压而连接到所述第二放大器的电压分压器。
4.根据权利要求3的比率量度测量电路，其中所述第一放大器的增益通过具有第一比例的第一对电阻来确定，并且所述电压分压器包括具有第二比例的第二对电阻。
5.根据权利要求4的比率量度测量电路，其中所述第一对电阻的第一比例与所述第二对电阻的第二比例基本上是相同的。
6.根据权利要求5的比率量度测量电路，其中所述第一和第二放大器都是运算放大器。
7.根据权利要求6的比率量度测量电路，其中所述运算放大器都CMOS运算放大器。
8.根据权利要求6的比率量度测量电路，其中所述噪声抑制电路进一步包括为提升所述低电源电压幅度并产生一个高电源电压的电压装置，所述电压装置将所述高电源电压加到所述运算放大器上。
9.根据权利要求8的比率量度测量电路，其中所述电压装置包括一个电压倍增器以产生所述高电源电压。
10.根据权利要求9的比率量度测量电路，其中所述运算放大器都是CMOS运算放大器。
11.根据权利要求8的比率量度测量电路，其中一滤波器连接到第一参量上，这就使所述滤波器将噪声分量从所述参量电压中滤除。
12.在电池供电的轻便型比率量度测量仪器中，通过将一个电压加到未知值的第一参量和已知值的第二参量上且得到一个在第一参量上形成的参量电压，而实现电路参量的比率量度测量，将参量电压加到工作在低电源电压和一个低参考电压的比率量度转换器上，致使比率量度转换器产生一个表示第一参量未知值的输出，改进包括一个连接到比率量度转换器和第一与第二电路参量的噪声抑制电路，它通过对低参考电压的放大并产生一个按比例增大的电压其幅值大于且正比于参考电压的幅值来提高仪器的信噪比，将所述按比例增大的电压加到第一和第二参量以便得到在第一参量形成的所述参量电压，将所述参量电压分压并将按比例缩小的电压加到比率量度转换器上，这样就将所述按比例缩小的电压与第一参量的未知值联系起来。
13.根据权利要求12的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述噪声抑制电路将所述低参考电压进行放大并通过基本上相同的系数将所述参量电压进行分压。
14.根据权利要求13的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述噪声抑制电路包括(a)、为接收到所述低参考电压并产生所述按比例增大的电压而连接到所述比率量度转换器上的第一放大器;(b)、为接收到所述参量电压并产生一个缓冲参量电压而连接到第一和第二参量的第二放大器;以及(c)为分压所述缓冲的参考电压并产生正比于第一参量未知值的所述电压而连接到所述第二放大器和所述比率量度转换器的电压分压器。
15.根据权利要求14的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述第一放大器的增益由具有第一比例的第一对电阻确定，且其中所述电压分压器包括具有第二比例的第二对电阻。
16.根据权利要求15的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述第一对电阻的所述第一比例与所述第二对电阻的所述第二比例基本上是相同的。
17.根据权利要求16的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述第一和第二放大器都是运算放大器。
18.根据权利要求17的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述运算放大器都是CMOS运算放大器。
19.根据权利要求17的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述噪声抑制电路还包括为提高所述低电源电压幅值并产生一个高电源电压的电压装置，所述电压装置将高电源电压加到所述运算放大器上。
20.根据权利要求19的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述电压装置包括产生高电源电压的电压倍增器。
21.根据权利要求20的一种改进的比率量度测量仪器，其中所述运算放大器都是CMOS运算放大器。
22.根据权利要求17的一种改进的比率量度测量仪器，其中一个滤波器连接到所述第一和第二参量上，这就使所述滤波器将噪声分量从所述参量电压中滤除。
全文摘要
噪声抑制电路改进比率量度测量电路信噪比。第一运放产生按比例增大正比于低参考电压的电压。该电压加于已知值的参考电阻和欲测的未知值的电阻。经电阻形成的参量电压加于第二运放作为缓冲器。缓冲的参量电压由分压器按比例缩小。该缩小的电压加于比率量度转换器以产生表示未知电阻值的输出。确定第一运放增益的第一对电阻的比例与组成分压器的第二对电阻的比例相同，这使低参考电压按比例增大而参量电压以相同比例缩小。
文档编号G01R19/25GK1051426SQ9010853
公开日1991年5月15日 申请日期1990年10月25日 优先权日1989年11月1日
发明者乔纳森·J·帕利 申请人:约翰弗兰克制造公司