王春凱, 孫旭光, 李 彤, 舒 心, 劉 昶

(1.傳感技術(shù)國家重點實驗室(北方基地)中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京100190; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引 言

阻性傳感器是自身電阻值能夠根據(jù)外界信息變化而變化的傳感器,在很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將大量阻性傳感器通過共用行線和列線的方式連接在一起組成二維平面結(jié)構(gòu)可以對表面多個點的受力進行測量。阻性傳感器陣列可以用來制作機器人皮膚,檢測機器人表面的受力狀況。共用行線和列線的設(shè)計可以極大的減小電路復(fù)雜性,但是同時引入了串?dāng)_問題[1,2]。

為了抑制串?dāng)_提高陣列的測量能力,國內(nèi)外很多學(xué)者對阻性傳感器陣列的掃描電路展開了相關(guān)的研究,Saxena R S等人[3]對阻性傳感器陣列的串?dāng)_進行了分析,證明了掃描電路對阻性傳感器陣列的串?dāng)_抑制與快照能力不能同時達到,并且為了抑制串?dāng)_提出了使用運算放大器在每一列實現(xiàn)虛擬接地的方案。Jose A H等人[4]提出了通過增加標準電阻行和標準電阻列的方式抑制掃描電路的串?dāng)_,提高掃描電路的測量精度。Kim J S等人[5]為了減小測量誤差和電路的復(fù)雜性提出了一種只使用一個運算放大器和一個行多路選擇器的行驅(qū)動方案。Roohollah Y等人[6]分析了運算放大器輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流引起的串?dāng)_誤差,并提出了一種新的雙采樣技術(shù)顯著的降低誤差。Shu L等人[7]提出了一種新方法,通過建立和求解傳感器陣列的電阻矩陣方程確定傳感器電阻值。王蕾[8]設(shè)計出一種可以有效減小基準電壓抖動對測量結(jié)果的干擾的阻性陣列掃描電路。上述研究主要是通過降低阻性傳感器陣列掃描電路中的串?dāng)_從而提高測量精度,少有考慮阻性傳感器陣列掃描電路中的基準電壓波動對測量誤差帶來的影響,基準電壓波動在電路中非常常見,因此,為了更加精確的掃描阻性傳感器陣列,阻性傳感器陣列掃描電路需要抑制基準電壓波動對測量誤差的影響。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上提出了一種抗基準電壓波動的低復(fù)雜度阻性傳感器陣列掃描電路,并通過理論分析、電路仿真的方式研究比較了本文提出的電路在抗基準電壓波動方面與其他阻性傳感器陣列掃描電路的區(qū)別。

1 阻性傳感器陣列測量中的串?dāng)_問題

阻性傳感器陣列是將大量的阻性傳感器通過共用行和列的方式連接在一起組成的二維平面結(jié)構(gòu),在對阻性傳感器陣列中每一個單元進行測量時由于行和列之間的連通性會導(dǎo)致串?dāng)_問題[9],進而會引起測量不準確的問題。如圖1所示。

圖1 阻性傳感陣列的串?dāng)_電流

圖1中假設(shè)對阻性傳感器陣列中的第一行第二列阻性傳感器單元電阻值R12進行測量,測量方法是在第一行施加了一個電壓Vdr,在第二列讀取相應(yīng)的電流。實線箭頭代表流過第一行第二列單元的電流,虛線箭頭代表串?dāng)_電流。由圖1可以明顯看出由于串?dāng)_電流的存在,對相應(yīng)阻性傳感器單元的電阻值的測量存在誤差。

2 基于零電勢法的阻性傳感器陣列掃描電路串?dāng)_減小方案

本電路為了解決阻性傳感器陣列測量過程中串?dāng)_問題,采取了“零電勢”掃描方法[10],即在阻性傳感陣列的每一列都加一個運算放大器,如圖2所示。

圖2 “零電勢”掃描方法示意

阻性傳感器陣列的每一列都加一個運算放大器,并且運算放大器正輸入端接地,負輸入端通過反饋電阻接運算放大器的輸出端,運算放大器處于“深度負反饋”狀態(tài),利用運算放大器的“虛短原理”,運算放大器的正輸入端的電壓接近于負輸入端電壓,即阻性傳感器陣列的每根列線上的電壓都接近于零,因此除了被選中行之外所有行上的阻性傳感器單元兩端的電壓接近于零,從而有效減小干擾。圖2中箭頭代表了當(dāng)選中阻性傳感器陣列的第一行時,陣列中的電流走向,從圖中可以看出電流串?dāng)_問題可以有效的避免。

3 阻性傳感器陣列掃描電路測量原理

采用第2章介紹的減小串?dāng)_的方案,本文提出一種抗基準電壓波動的低復(fù)雜度阻性傳感器陣列掃描電路,電路示意圖如圖3所示。

圖3 抗基準電壓波動的低復(fù)雜度阻性傳感器陣列掃描電路

從圖3可以看出這個電路主要包括7個部分,分別是行多路選擇器、列多路選擇器、共用行線和列線的二維阻性傳感器陣列、掃描控制器、被測單元測量電路、標準電阻行、運算放大器。其中，被測單元測量電路由運算放大器和反饋電阻構(gòu)成。因為這個電路只使用了一個運算放大器和行多路選擇器構(gòu)成了阻性傳感器陣列的行驅(qū)動部分,所以這個電路的復(fù)雜性比較低。

這個電路的測量原理是通過行列控制器控制行多路選擇器選擇其中一行導(dǎo)通,然后通過列多路選擇器分別將每一列的運算放大器的輸出連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器上,用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對每一列運算放大器的輸出電壓進行測量。利用測量得到的輸出電壓根據(jù)對應(yīng)關(guān)系計算得到相應(yīng)的單元的電阻值。

假設(shè)選中第i行,其余行斷開,電路中的運算放大器和行多路選擇器的等效電路如圖4所示。

圖4 選中第i行時等效電路

當(dāng)行多路選擇器選擇一行時,相應(yīng)的閉合的2個開關(guān)相當(dāng)于2個電阻,如圖4(a)所示,根據(jù)運算放大器的“虛斷”的特性,可以得知沒有電流流入運算放大器的負輸入端,即Vin=Vout。

運算放大器的作用是讓行多路選擇器的電壓輸出等于電壓輸入,提高行多路選擇器的帶負載的能力。當(dāng)選中第i行時,電路的等效電路圖如圖4(b)所示。

取其中的一列進行分析,假設(shè)列多路選擇器選中第j列,相應(yīng)的電路示意圖如圖5(a)所示。

根據(jù)圖5(a)所示電路,第j列運算放大器的輸出電壓為

將式(1)變換可得

式中Rij為阻性傳感器陣列中第i行第j列的單元電阻值,Voutj為第j列運算放大器輸出電壓,Vi為電路的輸入電壓,Rf為單元測量電路反饋電阻。

由式(2)可以看出,對阻性傳感器陣列中單元電阻值測量時,電路的基準電壓Vi的波動將會導(dǎo)致測量誤差,針對此問題,本文提出解決方案,通過在阻性傳感陣列之外添加一行標準電阻,利用標準電阻消除測量過程中電路輸入電壓Vi波動的影響。

在圖3中添加的一行標準電阻RS1,RS2,…,RSN,對標準電阻值使用同樣的測量方法,得到的等效電路圖如圖5(b)所示。

圖5 選中j列的等效電路

對圖5(b)所示電路進行分析可得

式中Vi為電路的輸入電壓,Vsoutj為選中標準電阻行時第j列運算放大器輸出電壓,Rsj為第j列對應(yīng)的標準電阻值,Rf為反饋電阻值。將式(3)帶入式(2)可得

式中Rij為阻性傳感器陣列中第i行第j列的單元電阻值,Voutj為選中第i行時第j列運算放大器的輸出電壓,Vsoutj為選中標準電阻行時第j列運算放大器輸出電壓,Rsj為標準電阻行中第j列對應(yīng)的標準電阻值。由式(4)可以看出利用添加的標準電阻行中的標準電阻可以消去輸入電壓Vi的波動對測量誤差的影響。

4 實驗驗證

對本文提出的電路和其他兩種阻性傳感器陣列掃描電路進行了仿真實驗,并將仿真結(jié)果做了比較。另外兩種阻性傳感器陣列掃描電路分別是使用數(shù)字緩沖器作為行驅(qū)動器件的阻性傳感陣列掃描電路、使用運算放大器作為行驅(qū)動器件的阻性傳感陣列掃描電路,下文分別稱為方案Ⅰ、方案Ⅱ。仿真實驗是在Pspice軟件下進行的。

4.1 方案Ⅰ仿真

方案Ⅰ為使用數(shù)字緩沖器作為行驅(qū)動器件的阻性傳感陣列掃描電路[11]。數(shù)字緩沖器一般為反相器,反相器的輸出部分一般由PMOS和NMOS構(gòu)成,數(shù)字緩沖器輸出部分等效圖如圖6所示[5]。

圖6 數(shù)字緩沖器輸出部分等效電路

在仿真實驗中利用一個小電阻等效替換數(shù)字緩沖器,具體的仿真電路示意圖如圖7(a)所示。在仿真實驗中,對第2行第2列阻性傳感器單元進行測量。

4.2 方案Ⅱ仿真

方案Ⅱ是使用運算放大器作為行驅(qū)動器件的阻性傳感陣列掃描電路[12]。方案Ⅱ中行驅(qū)動器件使用的是運算放大器,將運算放大器的輸出端與負輸入端連接在一起,構(gòu)成電壓跟隨器,運算放大器具有很強的帶負載能力。方案Ⅱ仿真示意圖如圖7(b)所示。

4.3 本文提出的電路仿真

因為本文提出的電路用到的行多路選擇器在選中某一路時,2個閉合的開關(guān)相當(dāng)于2個電阻[4],所以在仿真時,采用2個小電阻等效行多路選擇器中的2個閉合的開關(guān)。本文提出的方案仿真電路圖如圖7(c)所示。

圖7 三種方案仿真電路

在仿真電路中用2個小電阻等效代替行多路選擇器的開關(guān)電阻,對電路進行仿真實驗過程中,選中第二行第二列進行測量。

由4.1,4.2節(jié)可以看出對于M×N大小的阻性傳感器陣列,Ⅰ方案使用了M個數(shù)字緩沖器,N個運算放大器,Ⅱ方案使用了M+N個運算放大器,而本文提出的電路使用了N+1個運算放大器、1個行多路選擇器,因此,與方案Ⅰ、Ⅱ相比,本文提出的電路可以降低電路復(fù)雜性。

4.4 仿真結(jié)果對比

將上述三種阻性傳感器陣列掃描電路的仿真結(jié)果進行對比,每種電路的仿真結(jié)果如圖8所示。

在仿真實驗中,都是對4×4的電阻陣列進行測量,測量選取的都是第2行第2列對應(yīng)的電阻單元,在測量過程中更改第2行第2列單元的電阻值,使其從1 kΩ變化到1 000 kΩ,測量每一個電路的輸出電壓變化,計算電路測量誤差。

從圖8電路仿真結(jié)果中可以看出在基準電壓沒有波動的情況下,方案Ⅰ的相對誤差低于2 %,方案Ⅱ和本文提出的電路的誤差接近于0,相比之下方案一的誤差較大,原因是數(shù)字緩沖器的內(nèi)阻的存在導(dǎo)致數(shù)字緩沖器的驅(qū)動能力較弱。當(dāng)基準電壓出現(xiàn)波動,從圖8(a)、(b)中可以看出電壓波動越大,掃描電路的誤差越大,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是,方案Ⅰ、Ⅱ沒有抑制基準電壓波動的能力,方案Ⅰ、Ⅱ的測量精度和基準電壓相關(guān),因此方案Ⅰ和方案Ⅱ?qū)τ陔娐分谢鶞孰妷撼霈F(xiàn)偏移的情況敏感,基準電壓偏移會導(dǎo)致方案Ⅰ和方案Ⅱ測量誤差增大,并且基準電壓偏移越大測量誤差越大。

從圖8(c)中可以看出當(dāng)出現(xiàn)電壓波動時,本文提出的阻性傳感器陣列掃描電路測量誤差和沒有出現(xiàn)基準電壓波動時基本一致,因此可以看出本文所述的阻性傳感器陣列掃描電路可以有效的減小電路中基準電壓波動的影響,即對陣列中阻性傳感器單元的測量結(jié)果不和基準電壓相關(guān),與理論分析一致。

圖8 電路仿真結(jié)果對比

5 結(jié) 論

對于M×N大小的阻性傳感器陣列,本文提出的阻性傳感器陣列掃描電路只使用了一個運算放大器和一個行多路選擇器作為行驅(qū)動器件,和其他阻性傳感器陣列掃描電路相比,可以減小電路的復(fù)雜性,并且本電路利用一行標準電阻能夠有效的避免了電路中基準電壓的波動引起的測量誤差,實用性比較強。