王春凯, 孙旭光, 李 彤, 舒 心, 刘 昶

(1.传感技术国家重点实验室(北方基地)中国科学院电子学研究所,北京100190; 2.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

阻性传感器是自身电阻值能够根据外界信息变化而变化的传感器,在很多领域应用广泛。将大量阻性传感器通过共用行线和列线的方式连接在一起组成二维平面结构可以对表面多个点的受力进行测量。阻性传感器阵列可以用来制作机器人皮肤,检测机器人表面的受力状况。共用行线和列线的设计可以极大的减小电路复杂性,但是同时引入了串扰问题[1,2]。

为了抑制串扰提高阵列的测量能力,国内外很多学者对阻性传感器阵列的扫描电路展开了相关的研究,Saxena R S等人[3]对阻性传感器阵列的串扰进行了分析,证明了扫描电路对阻性传感器阵列的串扰抑制与快照能力不能同时达到,并且为了抑制串扰提出了使用运算放大器在每一列实现虚拟接地的方案。Jose A H等人[4]提出了通过增加标准电阻行和标准电阻列的方式抑制扫描电路的串扰,提高扫描电路的测量精度。Kim J S等人[5]为了减小测量误差和电路的复杂性提出了一种只使用一个运算放大器和一个行多路选择器的行驱动方案。Roohollah Y等人[6]分析了运算放大器输入失调电压和输入偏置电流引起的串扰误差,并提出了一种新的双采样技术显著的降低误差。Shu L等人[7]提出了一种新方法,通过建立和求解传感器阵列的电阻矩阵方程确定传感器电阻值。王蕾[8]设计出一种可以有效减小基准电压抖动对测量结果的干扰的阻性阵列扫描电路。上述研究主要是通过降低阻性传感器阵列扫描电路中的串扰从而提高测量精度,少有考虑阻性传感器阵列扫描电路中的基准电压波动对测量误差带来的影响,基准电压波动在电路中非常常见,因此,为了更加精确的扫描阻性传感器阵列,阻性传感器阵列扫描电路需要抑制基准电压波动对测量误差的影响。

本文在前人研究的基础上提出了一种抗基准电压波动的低复杂度阻性传感器阵列扫描电路,并通过理论分析、电路仿真的方式研究比较了本文提出的电路在抗基准电压波动方面与其他阻性传感器阵列扫描电路的区别。

1 阻性传感器阵列测量中的串扰问题

阻性传感器阵列是将大量的阻性传感器通过共用行和列的方式连接在一起组成的二维平面结构,在对阻性传感器阵列中每一个单元进行测量时由于行和列之间的连通性会导致串扰问题[9],进而会引起测量不准确的问题。如图1所示。

图1 阻性传感阵列的串扰电流

图1中假设对阻性传感器阵列中的第一行第二列阻性传感器单元电阻值R12进行测量,测量方法是在第一行施加了一个电压Vdr,在第二列读取相应的电流。实线箭头代表流过第一行第二列单元的电流,虚线箭头代表串扰电流。由图1可以明显看出由于串扰电流的存在,对相应阻性传感器单元的电阻值的测量存在误差。

2 基于零电势法的阻性传感器阵列扫描电路串扰减小方案

本电路为了解决阻性传感器阵列测量过程中串扰问题,采取了“零电势”扫描方法[10],即在阻性传感阵列的每一列都加一个运算放大器,如图2所示。

图2 “零电势”扫描方法示意

阻性传感器阵列的每一列都加一个运算放大器,并且运算放大器正输入端接地,负输入端通过反馈电阻接运算放大器的输出端,运算放大器处于“深度负反馈”状态,利用运算放大器的“虚短原理”,运算放大器的正输入端的电压接近于负输入端电压,即阻性传感器阵列的每根列线上的电压都接近于零,因此除了被选中行之外所有行上的阻性传感器单元两端的电压接近于零,从而有效减小干扰。图2中箭头代表了当选中阻性传感器阵列的第一行时,阵列中的电流走向,从图中可以看出电流串扰问题可以有效的避免。

3 阻性传感器阵列扫描电路测量原理

采用第2章介绍的减小串扰的方案,本文提出一种抗基准电压波动的低复杂度阻性传感器阵列扫描电路,电路示意图如图3所示。

图3 抗基准电压波动的低复杂度阻性传感器阵列扫描电路

从图3可以看出这个电路主要包括7个部分,分别是行多路选择器、列多路选择器、共用行线和列线的二维阻性传感器阵列、扫描控制器、被测单元测量电路、标准电阻行、运算放大器。其中，被测单元测量电路由运算放大器和反馈电阻构成。因为这个电路只使用了一个运算放大器和行多路选择器构成了阻性传感器阵列的行驱动部分,所以这个电路的复杂性比较低。

这个电路的测量原理是通过行列控制器控制行多路选择器选择其中一行导通,然后通过列多路选择器分别将每一列的运算放大器的输出连接到模数转换器上,用模数转换器对每一列运算放大器的输出电压进行测量。利用测量得到的输出电压根据对应关系计算得到相应的单元的电阻值。

假设选中第i行,其余行断开,电路中的运算放大器和行多路选择器的等效电路如图4所示。

图4 选中第i行时等效电路

当行多路选择器选择一行时,相应的闭合的2个开关相当于2个电阻,如图4(a)所示,根据运算放大器的“虚断”的特性,可以得知没有电流流入运算放大器的负输入端,即Vin=Vout。

运算放大器的作用是让行多路选择器的电压输出等于电压输入,提高行多路选择器的带负载的能力。当选中第i行时,电路的等效电路图如图4(b)所示。

取其中的一列进行分析,假设列多路选择器选中第j列,相应的电路示意图如图5(a)所示。

根据图5(a)所示电路,第j列运算放大器的输出电压为

将式(1)变换可得

式中Rij为阻性传感器阵列中第i行第j列的单元电阻值,Voutj为第j列运算放大器输出电压,Vi为电路的输入电压,Rf为单元测量电路反馈电阻。

由式(2)可以看出,对阻性传感器阵列中单元电阻值测量时,电路的基准电压Vi的波动将会导致测量误差,针对此问题,本文提出解决方案,通过在阻性传感阵列之外添加一行标准电阻,利用标准电阻消除测量过程中电路输入电压Vi波动的影响。

在图3中添加的一行标准电阻RS1,RS2,…,RSN,对标准电阻值使用同样的测量方法,得到的等效电路图如图5(b)所示。

图5 选中j列的等效电路

对图5(b)所示电路进行分析可得

式中Vi为电路的输入电压,Vsoutj为选中标准电阻行时第j列运算放大器输出电压,Rsj为第j列对应的标准电阻值,Rf为反馈电阻值。将式(3)带入式(2)可得

式中Rij为阻性传感器阵列中第i行第j列的单元电阻值,Voutj为选中第i行时第j列运算放大器的输出电压,Vsoutj为选中标准电阻行时第j列运算放大器输出电压,Rsj为标准电阻行中第j列对应的标准电阻值。由式(4)可以看出利用添加的标准电阻行中的标准电阻可以消去输入电压Vi的波动对测量误差的影响。

4 实验验证

对本文提出的电路和其他两种阻性传感器阵列扫描电路进行了仿真实验,并将仿真结果做了比较。另外两种阻性传感器阵列扫描电路分别是使用数字缓冲器作为行驱动器件的阻性传感阵列扫描电路、使用运算放大器作为行驱动器件的阻性传感阵列扫描电路,下文分别称为方案Ⅰ、方案Ⅱ。仿真实验是在Pspice软件下进行的。

4.1 方案Ⅰ仿真

方案Ⅰ为使用数字缓冲器作为行驱动器件的阻性传感阵列扫描电路[11]。数字缓冲器一般为反相器,反相器的输出部分一般由PMOS和NMOS构成,数字缓冲器输出部分等效图如图6所示[5]。

图6 数字缓冲器输出部分等效电路

在仿真实验中利用一个小电阻等效替换数字缓冲器,具体的仿真电路示意图如图7(a)所示。在仿真实验中,对第2行第2列阻性传感器单元进行测量。

4.2 方案Ⅱ仿真

方案Ⅱ是使用运算放大器作为行驱动器件的阻性传感阵列扫描电路[12]。方案Ⅱ中行驱动器件使用的是运算放大器,将运算放大器的输出端与负输入端连接在一起,构成电压跟随器,运算放大器具有很强的带负载能力。方案Ⅱ仿真示意图如图7(b)所示。

4.3 本文提出的电路仿真

因为本文提出的电路用到的行多路选择器在选中某一路时,2个闭合的开关相当于2个电阻[4],所以在仿真时,采用2个小电阻等效行多路选择器中的2个闭合的开关。本文提出的方案仿真电路图如图7(c)所示。

图7 三种方案仿真电路

在仿真电路中用2个小电阻等效代替行多路选择器的开关电阻,对电路进行仿真实验过程中,选中第二行第二列进行测量。

由4.1,4.2节可以看出对于M×N大小的阻性传感器阵列,Ⅰ方案使用了M个数字缓冲器,N个运算放大器,Ⅱ方案使用了M+N个运算放大器,而本文提出的电路使用了N+1个运算放大器、1个行多路选择器,因此,与方案Ⅰ、Ⅱ相比,本文提出的电路可以降低电路复杂性。

4.4 仿真结果对比

将上述三种阻性传感器阵列扫描电路的仿真结果进行对比,每种电路的仿真结果如图8所示。

在仿真实验中,都是对4×4的电阻阵列进行测量,测量选取的都是第2行第2列对应的电阻单元,在测量过程中更改第2行第2列单元的电阻值,使其从1 kΩ变化到1 000 kΩ,测量每一个电路的输出电压变化,计算电路测量误差。

从图8电路仿真结果中可以看出在基准电压没有波动的情况下,方案Ⅰ的相对误差低于2 %,方案Ⅱ和本文提出的电路的误差接近于0,相比之下方案一的误差较大,原因是数字缓冲器的内阻的存在导致数字缓冲器的驱动能力较弱。当基准电压出现波动,从图8(a)、(b)中可以看出电压波动越大,扫描电路的误差越大,出现这种现象的原因是,方案Ⅰ、Ⅱ没有抑制基准电压波动的能力,方案Ⅰ、Ⅱ的测量精度和基准电压相关,因此方案Ⅰ和方案Ⅱ对于电路中基准电压出现偏移的情况敏感,基准电压偏移会导致方案Ⅰ和方案Ⅱ测量误差增大,并且基准电压偏移越大测量误差越大。

从图8(c)中可以看出当出现电压波动时,本文提出的阻性传感器阵列扫描电路测量误差和没有出现基准电压波动时基本一致,因此可以看出本文所述的阻性传感器阵列扫描电路可以有效的减小电路中基准电压波动的影响,即对阵列中阻性传感器单元的测量结果不和基准电压相关,与理论分析一致。

图8 电路仿真结果对比

5 结 论

对于M×N大小的阻性传感器阵列,本文提出的阻性传感器阵列扫描电路只使用了一个运算放大器和一个行多路选择器作为行驱动器件,和其他阻性传感器阵列扫描电路相比,可以减小电路的复杂性,并且本电路利用一行标准电阻能够有效的避免了电路中基准电压的波动引起的测量误差,实用性比较强。