(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610853324.9
(22)申请日 2016.09.26
(71)申请人 东南大学
地址 210088 江苏省南京市浦口区泰山新
村东大路6号
(72)发明人 吴剑锋 杨坚 何赏赏 王愚
李建清
(74)专利代理机构 南京苏高专利商标事务所
(普通合伙) 32204
代理人 柏尚春
(51)Int.Cl.
G01D 5/16(2006.01)
(54)发明名称基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法(57)摘要一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器、电阻采样电路及地线电流采样电路，其中二维阻性传感单元阵列中的阻性传感单元按照M ×N的二维结构分布，扫描控制器控制行多路选择器与列多路选择器完成阵列中任一待测阻性传感单元的单个选定。在常规零电势法二维阻性传感阵列读出电路的基础上增加额外的一个地线电流采样电路，包括一个运算放大器和一个电阻。在地线电流采样电路与被测阻性传感单元测量方法的共同作用下，可以有效减小二维阻性传感单元阵列中其它阻性传感单元、行与列多路选择器的内阻对当前被测阻性传感 单元测量的干扰。权利要求书1页 说明书11页 附图7页CN 106370212 A 2017.02.01
C N 106370212
A
1.一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列(1)、行多路选择器(2)及列多路选择器(3)、扫描控制器(4)及电阻采样电路(5)，所述二维阻性传感单元阵列(1)包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M ×N的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行、第j列的阻性传感单元用R ij (i＝1…M ,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R ij 的一端与行多路选择器(2)的y ri 端相连接，阻性传感单元R ij 的另一端与列多路选择器(3)的x cj 端连接，行多路选择器(2)的b r1、b r2、…、b rM 端口与电阻采样电路(5)中运算放大器的反相输入端相连，列多路选择器(3)的a c1、a c2、…、a cN 端口与测试电压V I 相连，所述扫描控制器(4)输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器(2)，所述列控制信号控制列多路选择器(3)，其特征在于，所述读出电路还包括地线电流采样电路(6)，地线电流采样电路(6)的采样端至少与所述行多路选择器(2)的a r1、a r2、…、a rM 未选端口和所述列多路选择器(3)的b c1、b c2、…、b cN 未选端口中的一组未选端口连接，并且，所述地线电流采样电路(6)产生一电流，使得地线电流采样电路(6)的采样端与未选端口的连接节点的电势V zp 为零。
2.根据权利要求书1所述的基于零电势法的二维阻性传感阵列读出电路，其特征在于，所述地线电流采样电路(6)包括一个运算放大器和一个电阻R CG ，所述电阻R CG 的一端与运算放大器的反相输入端相连且作为地线电流采样电路(6)的采样端，电阻R CG 的另一端接所述运算放大器的输出端相连且作为地线电流采样电路(6)的输出端。
3.一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出方法，取二维阻性传感单元阵列、行多路选择器(2)及列多路选择器(3)、扫描控制器(4)及电阻采样电路(5)，所述二维阻性传感单元阵列采用共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列(1)，所述二维阻性传感单元阵列(1)包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M ×N的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行、第j列的阻性传感单元用R ij 且i＝1…M ,j＝1…N表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R ij 的一端与行多路选择器(2)的y ri 端相连接，阻性传感单元R ij 的另一端与列多路选择器(3)的x cj 端连接，行多路选择器(2)的b r1、b r2、…、b rM 端口与电阻采样电路
(5)中运算放大器的反相输入端相连，列多路选择器(3)的a c1、a c2、…、a cN 端口与测试电压V I 相连，所述扫描控制器(4)输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器(2)，所述列控制信号控制列多路选择器(3)，其特征在于，将电阻采样电路(5)中运算放大器的同相输入端接地，利用电阻采样电路(5)的运算放大器中电流I L 获取流过被测阻性传感单元所在的行多路选择器的行线电流；再至少在所述行多路选择器(2)的a r1、a r2、…、a rM 未选端口和所述列多路选择器(3)的b c1、b c
2、…、b cN 未选端口中的一组未选端口上连接地线电流采样电路(6)且与所述地线电流采样电路(6)的采样端，地线电流采样电路
(6)包括运算放大器，将地线电流采样电路(6)中的运算放大器的同相输入端接地，利用地线电流采样电路(6)的运算放大器中电流I CG 获得误差电流，最后通过常规计算获得当前被测阻性传感单元的准确测量值。
权 利 要 求 书1/1页CN 106370212 A
基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及读出方法，属于电路技术领域。
背景技术
[0002]阵列式传感装置就是将具有相同性能的多个传感元件，按照二维阵列的结构组合在一起，它可以通过感测聚焦在阵列上的参数变化，改变或生成相应的形态与特征。这个特性被广泛应用于生物传感、温度触觉和基于红外传感器等的热成像等方面。
[0003]阻性传感阵列被广泛应用于红外成像仿真系统、力触觉感知与温度触觉感知。以温度触觉为例，由于温度觉感知装置中涉及热量的传递和温度的感知，为得到物体的热属性，装置对温度测量精度和分辨率提出了较高的要求，而为了进一步得到物体不同位置材质所表现出的热属性，则对温度觉感知装置提出了较高的空间分辨能力要求。
[0004]阻性传感阵列的质量或分辨率是需要通过增加阵列中的传感器的数量来增加的。然而，当传感器阵列的规模加大，对所有元器件的信息采集和信号处理就变得困难。一般情况下，要对一个M×N阵列的所有的传感器的进行逐个访问，而每个传感器具有两个端口，共需要2×M×N根连接线。共用行线与列线的二维阵列降低了器件互连的复杂性，但阵列网络的互串效应与为实现待测阻性传感器单独选定引入的多路选择器也对检测精度带来不确定性；将扫描控制器与电阻采样电路和多路选择器结合，虽然可以实现待测阻性传感器的单个选定，仅仅是理想状态下的与阵列中其他阻性传感器的虚拟隔离，但如果想屏蔽掉待测阻性传感器所在公共行线与列线的多路选择器内阻以及其他相邻阻性传感器引起的干扰，就需要在阵列的每一行都设置扫描控制器与电阻采样电路，因此仅仅在扫描控制器与电阻采样电路的控制下，阻性传感阵列的检测电路无法同时达到较低的器件互连的复杂性与较高的检测精度。
[0005]关于电阻式传感阵列的检测研究，2006年R.S.Saxena等人提出了基于红外热成像的阵列检测技术，测试结构是基于电阻传感网络配置，基于电阻的线性与齐次性使用补偿网络定理和叠加网络定理开发了该电阻网络的理论模型。使用16×16阵列网络热辐射计阵列验证，仅使用32个引脚，已经证实，该
模型针对器件损坏或器件值的微小变化都可以有效分辨，但是它对待测元件所在行与所在列的其他元件的串扰没有起到很好的隔离作用。2009年Y.J.Yang等人提出了一个32×32阵列的温度和触觉传感阵列，用于机械手臂的人造皮肤，在阵列网络中加入多路选择器，行选择与列选择速度大大加快，最大检测速率高达每秒3,000像素，但该电路为了保证检测精度，屏蔽阵列内非待测电阻的干扰，在阵列的每一列都引入了运算放大电路，其电路复杂，同时多个运放性能的微小差异也会导致多个通道间测量结果的一致性较差。
[0006]基于阻性阵列检测的相关专利，专利CN201410183065.4公开了一种增强电压反馈的阻性传感阵列的检测电路，实现对有故障或有变化的器件的快速检测，以增强电压反馈为关键技术，在反馈电路与特定的连接方式的作用下，可以使位于待测电阻所在行的相邻
电阻两端电压保持等电位，将其中的电流限制到基本为零，有效屏蔽掉了被测电阻所在行线上相邻电阻与行多路选择器的内阻的干扰，提高了阻性阵列的检测精度。但是，它并没有屏蔽列多路选择器内阻以及被测电阻所在列线上相邻电阻对测量结果的干扰，并未从真正意义上实现对待测电阻所在行线与列线的相邻电阻和行、列多路选择器内阻的隔离。
发明内容
[0007]针对阻性传感阵列检测的需要，本发明提出一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路及
读出方法，本电路可以对有故障或有变化的器件实现快速检测，且可以有效减少当前被测阻性传感单元所在阵列的其余阻性传感单元和行、列多路选择器内阻对检测结果的影响，使得测量误差大大降低。
[0008]本发明采用如下技术方案：
[0009]本发明所述的一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出电路，包括：共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器及电阻采样电路，所述二维阻性传感单元阵列包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行、第j列的阻性传感单元用R ij(i＝1…M,j＝1…N)表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R ij的一端与行多路选择器的y ri端相连接，阻性传感单元R ij的另一端与列多路选择器的x cj端连接，行多路选择器的b r1、b r2、…、b rM端口与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，列多路选择器的a c1、a c2、…、a cN端口与测试电压V I相连，所述扫描控制器输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器，所述列控制信号控制列多路选择器，所述读出电路还包括地线电流采样电路，地线电流采样电路的采样端至少与所述行多路选择器的a r1、a r2、…、a rM未选端口和所述列多路选择器的b c1、b c2、…、b cN未选端口中的一组未选端口连接，并且，所述地线电流采样电路产生一电流，使得地线电流采样电路的采样端与未选端口的连接节点的电势V zp为零。
[0010]本发明所述的一种基于零电势法的二维阻性传感阵列的读出方法，取二维阻性传感单元阵列、行多路选择器及列多路选择器、扫描控制器及电阻采样电路，所述二维阻性传感单元阵列采用共用行线和列线的二维阻性传感单元阵列，所述二维阻性传感单元阵列包括分别作为共用行线和共用列线的两组正交线路及按照M×N的二维结构分布的阻性传感单元阵列，阵列中的各个阻性传感单元一端连接相应的行线，另一端连接相应的列线，处于第i行、第j列的阻性传感单元用R ij且i＝1…M,j＝1…N表示，其中，M为行数，N为列数，阻性传感单元R ij的一端与行多路选择器的y ri端相连接，阻性传感单元R ij的另一端与列多路选择器的x cj端连接，行多路选择器的b r1、b r2、…、b rM端口与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，列多路选择器的a c1、a c2、…、a cN端口与测试电压V I相连，所述扫描控制器输出扫描行控制信号和列控制信号，所述行控制信号控制行多路选择器，所述列控制信号控制列多路选择器，然后将电阻采样电路中运算放大器的同相输入端接地，利用电阻采样电路的运算放大器中电流I L获取流过被测阻性传感单元所在的行多路选择器的行线电流；再至少在所述行多路选择器的a r1、a r2、…、a rM未选端口和所述列多路选择器的b c1、b c2、…、b cN未选端口中的一组未选端口上连接地线电流采样电路且与所述地线电流采样电路的采样端，
地线电流采样电路包括运算放大器，将地线电流采样电路中的运算放大器的同相输入端接地，利用地线电流采样电路的运算放大器中电流I CG获得误差电流，最后通过常规计算获得当前被测阻性传感单元的准确测量值。
[0011]本发明的检测电路的工作原理在于：扫描控制器输出扫描控制信号，控制多路选择器内端口的连接方式，行控制信号控制行多路选择器的y ri端与a ri端或是与b ri端相连；列控制信号控制列多路选择器的x cj端与a cj端或是与b cj端相连。二维阻性传感单元阵列中的阻性传感单元可将各自所处位置的待测物理量的变化转换为相应电阻阻值变化。当待测阻性传感单元R ij被选定，其处于阵列第i行第j列，列控制信号控制列多路选择器第j列的x cj 端与a cj端相连，a cj端与测试电压V I相连，测试电压V I是已知的精确值，而其他列与地线电流采样电路的零电势点V zp相连，行控制信号控制行多路选择器第i行的y ri端与b ri端相连，b ri 端与电阻采样电路中运算放大器的反相输入端相连，输入端电压表示为V re，而其他行与地线电流采样电路的零电势点V zp相连，此时待测阻性传感单元R ij被选定。测试电压V I经过列多路选择器的选定通道作用于当前被测阻性传感单元R ij后经由行多路选择器输入到电阻采样电路的放大器反相输入端，当前被测阻性传感单元R ij所在行线(第i行)上的电压表示为V ri，所在列线(第j列)上的电压表示为V cj，而除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元与地线电流采样电路的零电势点V zp连接，由于阻性传感单元阵列共用行、列线，测试电压V I也经由除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性传感单元而流入地线电流采样电路中运算放大器的反相输入端，此时，当前被测阻性传感单元R ij(i＝1…M,j＝1…N)更准确的测量值采用如下测量方法求得：
[0012]步骤1，根据基本的反馈放大电路原理，得到当前被测阻性传感单元R ij(i＝1…M,j ＝1…N)的所在行线(第i行)上的电压V ri＝-V Lij/R L×R r；
[0013]步骤2，在加入地线电流采样电路后，可以得到流过当前被测量列(第j列)多路选择器上的电流I in＝I CG+I L，从而得到当前被测阻性传感单元R ij(i＝1…M,j＝1…N)所在列线(第j列)上的电压V cj＝V I+I in×R c；
[0014]步骤3，进而求得当前被测阻性传感单元R ij(i＝1…M,j＝1…N)的精确电压V ri-V cj；
[0015]步骤4，根据基本反馈放大电路原理，可以计算得到当前被测阻性传感单元更准确的测量值：R ij＝(V ri-V cj)/V Lij×R L＝-(V I+(V CG/R CG+V Lij/R L)×R c+V Lij/R L×R r)/V Lij×R L(i＝1…M,j＝1…N)。
[0016]这样可以减小二维阻性传感单元阵列中除当前被测阻性传感单元以外的其它阻性单元、行多路选择器与列多路选择器的内阻对当前被测阻性传感单元R ij(i＝1…M,j＝1…N)测量的干扰。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0018](1)本发明公开的基于零电势法测量二维阻性传感阵列信号的方法及电路，是针对阻性传感单元阵列的检测需要，在不提高阻性传感单元阵列互连复杂性的基础上，以改进零电势法为关键技术，在地线电流采样电路与被测阻性传感单元测量方法的共同作用下，可以准确得到流过被测阻性传感单元所在列多路选择器的电流I in和流过被测阻性传感单元所在行多路选择器的电流I L，从而排除当前被测阻性传感单元所在行、列的多路选择器的通道内阻的电压，准确得到当前被测阻性传感单元两端的电压，而一般零电势法电路
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议