專利名稱：阻抗－電壓轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器和一種相關(guān)的轉(zhuǎn)換方法，這種方法利用運算放大器在虛擬短路的狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的阻抗電壓轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：


圖1一般地示出了在日本專利特開No.61-14578中描述的一種靜態(tài)電容-電壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。這種靜態(tài)電容-電壓轉(zhuǎn)換器的提出是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的一個問題，即由于用于連接未知靜態(tài)電容的電纜的寄生電容會疊加在該未知靜態(tài)電容上，并且這些靜態(tài)電容會因電纜的移動和彎曲或類似情況而不同，使得無法實現(xiàn)精確的電壓轉(zhuǎn)換。如圖1所示圖例，交流信號(AC)發(fā)生器OS和運算放大器OP與未知電容Cx連接，其連接電纜包著屏蔽線s以減小寄生電容Cs1、Cs2、Cs3的影響。具體地，運算放大器OP的輸出端和反向輸入端通過一個反饋電路連接，該反饋電路由包括一個電阻器Rf和一個電容器Cf的并聯(lián)電路構(gòu)成。未知電容Cx一端通過屏蔽線s與運算放大器OP的反向輸入端連接，另一端通過另一屏蔽線s與AC信號發(fā)生器OS連接。兩條屏蔽線s和運算放大器OP的非反向輸入端都接地。
基于上述的結(jié)構(gòu)，因為在運算放大器OP的兩個輸入端之間基本上沒有電位差存在，寄生電容Cs2未充電。同樣地，因為將寄生電容Cs3認為是兩條屏蔽線s之間的耦合電容，可以通過將兩屏蔽線s接地來消除寄生電容Cs3。這樣，由于連接未知電容的電纜的寄生電容所產(chǎn)生的影響可通過使用屏蔽線s消除，因此在反饋電路中電容器Cf上感應(yīng)的電荷等于未知電容Cx上感應(yīng)的等效電荷，導(dǎo)致運算放大器OP產(chǎn)生與未知靜態(tài)電容成比例的輸出。換句話說，假設(shè)AC信號發(fā)生器OS的輸出電壓為Vi，運算放大器OP的輸出電壓Vo可以表示為-(Cx/Cf)Vi，所以圖1中的轉(zhuǎn)換器可以用來將未知電容Cx轉(zhuǎn)換為電壓Vo，從而由已知量Cf和Vi可以得到未知靜態(tài)電容Cx。
發(fā)明概述然而，上述的靜態(tài)電容-電壓轉(zhuǎn)換器隱含著一個問題，當(dāng)未知靜態(tài)電容很小時，寄生電容的影響變得突出，所以靜態(tài)電容Cx不能精確地轉(zhuǎn)換為電壓。另外，因為運算放大器OP的反饋電路是由包括電阻器Rf和電容器Cf的并聯(lián)電路構(gòu)成的，為了在單片芯片中將所需組件實際地集成為一個轉(zhuǎn)換器，需要不同的步驟來形成電阻器和電容器，這就造成了生產(chǎn)過程的復(fù)雜化和增大芯片尺寸的缺點。而且，當(dāng)靜態(tài)電容Cx的一個電極偏置在某一個電位時電容器不能應(yīng)用于AC信號，所以從靜態(tài)電容Cx到電壓的轉(zhuǎn)換不能完成。
本發(fā)明的提出是為了解決上述的問題，因此本發(fā)明的目的是提供一種阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器和一種相關(guān)的轉(zhuǎn)換方法，這種方法利用運算放大器在虛擬短路的狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的阻抗電壓轉(zhuǎn)換，以消除運算放大器的非反向輸入端連接線和包裹該線的屏蔽線之間的寄生電容的影響。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，包括具有反向輸入端、非反向輸入端和輸出端的運算放大器，所述的運算放大器在所述反向輸入端和所述非反向輸入端之間置于一種虛擬短路狀態(tài)；連接于所述輸出端和所述反向輸入端之間的阻抗元件，它包含一條連接線，其一端與所述阻抗元件連接，另一端與所述反向輸入端連接；具有已知阻抗的電路元件；信號線，其一端與所述反向輸入端連接，另一端與所述電路元件連接；至少包裹著所述信號線和/或所述連接線的一部分的屏蔽線；
與所述非反向輸入端連接的交流電壓發(fā)生器；同樣，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓的方法，以獲得與阻抗元件的阻抗變化相對應(yīng)的交流電壓，它包括以下步驟提供一具有反向輸入端，非反向輸入端和輸出端的運算放大器；在所述反向輸入端和所述輸出端之間連接一個阻抗元件；將一個已知阻抗的電路元件連接到所述反向輸入端；提供用于至少包裹連接線和/或信號線的一部分的屏蔽線，該連接線連接在所述阻抗元件和所述反向輸入端之間，該信號線連接在所述電路元件和所述反向輸入端之間；連接所述屏蔽和所述非反向輸入端；向所述非反向輸入端提供一個交流電壓。
阻抗元件可以是各種傳感器的任何一種，包括應(yīng)變傳感器，地磁傳感器，電容傳感器等，而且這種阻抗元件的阻抗至少是晶體管的電阻、電感、電容和電導(dǎo)的一種。
優(yōu)選地，屏蔽線包裹整個所述信號線和連接線。
在本發(fā)明中，將運算放大器的交流輸出電壓積分可以輸出表示阻抗元件的阻抗值的直流電壓。
因為運算放大器的反向輸入端和非反向輸入端之間處于一種虛擬短路狀態(tài)，它可以消除用于連接阻抗元件和反向輸入端的連接線和包裹該連接線的屏蔽線之間的寄生電容，以及信號線和包裹信號線的屏蔽線之間形成的寄生電容。而且，運算放大器輸出的相應(yīng)于阻抗元件阻抗值的交流電壓沒有受到這種連接線、信號線和屏蔽線之間寄生電容的影響，盡管這些線很長。
附圖簡述圖1是示意電路圖，說明現(xiàn)有技術(shù)的靜態(tài)電容-電壓轉(zhuǎn)換器的一個實例。
圖2一般地示出了一個根據(jù)本發(fā)明的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的實施例的電路圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的一個實例的實驗結(jié)果。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的另一個實例的實驗結(jié)果。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方案下面參照附圖，結(jié)合一個實施方案，對本發(fā)明進行詳細描述。
圖2一般地示出了一個根據(jù)本發(fā)明的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的實施例的電路圖。具體地參照圖2，阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器包含一個運算放大器1，運算放大器1的電壓增益遠大于閉環(huán)增益。阻抗元件3連接于運算放大器1的輸出端2和反向輸入端(-)之間，使運算放大器1形成負反饋。連接于阻抗元件3的一端和運算放大器1的反向輸入端(-)之間的連接線4被屏蔽線5包裹著，以防止不必要的信號例如由外界感應(yīng)生成的噪聲。屏蔽線5沒有接地但連接到運算放大器1的非反向輸入端(+)。
應(yīng)當(dāng)注意連接于阻抗元件3的另一端和運算放大器1的輸出端2之間的連接線4’沒有必要有屏蔽而可以是裸露的線。然而，如果阻抗元件3放置在一定的距離或更遠離運算放大器1，連接線4’最好用接地屏蔽線屏蔽。
由AC信號發(fā)生器6產(chǎn)生的AC信號在非反向輸入端(+)為運算放大器1提供電源，運算放大器1的反向輸入端(-)連接到信號線7的一端。信號線7的另一端連接到已知電阻值的電阻8的一端，電阻8的另一端偏置于一已知直流(DC)電壓。
信號線5被屏蔽線9包裹著，以防止不必要的信號例如由外界感應(yīng)的噪聲或由信號線7從外界感應(yīng)到的類似信號。屏蔽線9沒有接地而是連接到運算放大器1的非反向輸入端(+)。
由前述可以知道，屏蔽線5和屏蔽線9與運算放大器1的非反向輸入端(+)具有同樣的電位。事實上，如圖2所示，屏蔽線5和屏蔽線9因其任何一部分連接到非反向輸入端(+)，屏蔽線5和屏蔽線9可能互相電連接。
運算放大器1通過阻抗元件3形成負反饋，而且運算放大器1的電壓增益遠大于閉環(huán)增益，以致運算放大器1處于虛擬短路狀態(tài)。換句話說，運算放大器1的反向輸入端(-)和非反向輸入端(+)之間的電位差基本上等于零。這樣，連接線4，屏蔽線5，信號線7和屏蔽線9的電位相同，因此有可能消除寄生電容的影響，否則該寄生電容會產(chǎn)生于連接線4和屏蔽線5之間，以及信號線7和屏蔽線9之間。不必考慮連接線4和信號線7的長度，同樣不必考慮連接線4和信號線7的移動、彎曲、折疊等，上述情況總是有效。
圖2中的阻抗元件可以是如晶體管的電導(dǎo)、電感、電容、電阻等任何元件，只要它有任意的阻抗，例如，可以是電阻傳感器如應(yīng)變傳感器，磁場梯度傳感器如地磁傳感器和任意的電容傳感器。特別地，對電容傳感器可以包括所有用于探測靜態(tài)電容的裝置和任何已知電容傳感器，例如加速傳感器、地震檢波器、壓力傳感器、位移傳感器、位移表、接近覺(proximity)傳感器，觸覺傳感器、離子傳感器、濕度傳感器、雨滴傳感器、雪量傳感器、雷電傳感器、定位傳感器、觸覺故障傳感器、形狀傳感器、端點檢測傳感器、震動傳感器、超音波傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體傳感器、紅外傳感器、放射傳感器、水平傳感器、冷凝傳感器、濕氣表、震動表、電荷傳感器和印制板測試儀等。
現(xiàn)在假設(shè)AC信號發(fā)生器6的信號電壓輸出為V；信號電壓V的角頻率為ω；電阻器8的電阻值為Ro，流過電阻器8的電流為i1；阻抗元件3的阻抗值為Zs；流過阻抗元件3的電流為i2；運算放大器1的反向輸入端(-)的電壓為Vm；運算放大器1的輸出電壓為Vout，如上所述，因為運算放大器1工作于虛擬短路狀態(tài)，電壓Vm和AV信號發(fā)生器在反向輸入端(-)上的輸出電壓V具有相同的電勢。因此，下面的等式成立V＝Vm另外，下面的等式也成立i1＝-Vm/Ro (1)
i2＝(Vm-Vout)/Zs(2)因為i1＝i2，由等式(1)和(2)，可以得到運算放大器1的輸出電壓Vout，下面的等式成立Vout＝V(1+Zs/Ro)(3)等式(3)表明在運算放大器1的輸出端2上將產(chǎn)生對應(yīng)于阻抗元件3阻抗值Zs的電壓。
如上所述，圖2所示的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器輸出一個對應(yīng)于連接在運算放大器輸出端和反向輸入端之間的阻抗元件阻抗值的電壓，因此它可以用做阻抗檢測器。此外，在圖2的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器中，由于運算放大器1的輸出電壓Vout隨阻抗元件3的阻抗值的變化而變化，所以圖2所示阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器也可以作為檢測阻抗元件阻值變化的一種儀器。
此外，因為已知等式(3)中的信號電壓V和電阻Ro，當(dāng)在運算放大器1的非反向輸入端(+)加上DC電壓，測量運算放大器1的輸出電壓，再將AC信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號電壓V加到非反向輸入端(+)，測量運算放大器1的輸出電壓Vout，然后計算這兩個輸出電壓的差值，則由等式(3)可以求得阻抗元件3的阻抗值Zs。
因為將運算放大器1的輸出電壓積分就可以得到與阻抗元件的阻值Zs成比例的直流電壓，因此利用圖2的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器還可以制造A阻抗測量儀器。
為了驗證本發(fā)明的目的，構(gòu)造了根據(jù)本發(fā)明的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的兩個實例。
阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的一個實例包含阻抗元件3、電阻器8和交流信號發(fā)生器6，阻抗元件3是一個具有可變阻值Rf(kΩ)的電阻器，電阻器8的阻值Ri等于1MΩ，交流信號發(fā)生器6輸出振幅為2V偏離電壓為1V的1kHz交流信號。當(dāng)改變Rf的值檢測輸出電壓Vout，可得到圖3所示的圖形。圖3清楚地表明輸出電壓Vout與Rf/Ri成正比。
阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器的另一個實例包含阻抗元件3和交流信號發(fā)生器6，阻抗元件3是一個具有可變電容值Cf(fF)的電容器，交流信號發(fā)生器6輸出振幅為0.1V偏離電壓為2.5V的1kHz交流信號。在這個實例中，應(yīng)當(dāng)指出，電容值ci等于1pF的電容器代替了圖2所示的電阻器8。當(dāng)改變Cf的值檢測輸出電壓Vout，可得到圖4所示的圖形。圖4表明輸出電壓Vout與Ci/Cf成正比。
工業(yè)上的可利用性如前所述，參照實施方案，本發(fā)明顯而易見地產(chǎn)生如下的獨特效果(1)使用運算放大器工作于虛擬短路狀態(tài)的結(jié)果是，連接線1、信號線和屏蔽線之間產(chǎn)生的寄生電容將不會出現(xiàn)于運算放大器的反向和非反向輸入端之間。因此，例如，連接于運算放大器的電容阻抗元件，即使它的電容值很小，即飛法(1/1000皮法)量級，運算放大器可以在測量中輸出精確對應(yīng)于阻抗元件如此小阻值的電壓，因為沒有受到上面提到的寄生電容的影響，使阻抗電壓的精確轉(zhuǎn)化成為可能。
(2)僅在簡單的電路結(jié)構(gòu)中就可以高精度地得到與任意的阻抗元件阻值對應(yīng)的電壓值。
(3)因為本發(fā)明的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器不需要使用傳統(tǒng)靜態(tài)電容-電壓轉(zhuǎn)換器中要求的反饋電容器Cf，可以避免以單片集成芯片中形式制作轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜工藝，并可避免增大芯片尺寸。
權(quán)利要求
1.一種阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，包括具有反向輸入端、非反向輸入端和輸出端的運算放大器，所述的運算放大器在所述反向輸入端和所述非反向輸入端之間置于一種虛擬短路狀態(tài)；連接于所述輸出端和所述反向輸入端之間的阻抗元件，該元件包含一端與所述阻抗元件連接、另一端與所述反向輸入端連接的連接線；具有已知阻抗的電路元件；信號線，其一端與所述反向輸入端連接，另一端與所述電路元件連接；至少包裹著所述信號線和/或所述連接線的一部分的屏蔽；與所述非反向輸入端連接的交流電壓發(fā)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，其中阻抗元件的阻抗至少是晶體管電導(dǎo)、電感、電容和電阻的一種。
3.如權(quán)利要求1-2所述的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，其中所述屏蔽包裹著整個所述信號線和所述連接線。
4.如權(quán)利要求1-3所述的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，還包括用于將所述運算放大器的輸出交流電壓積分以轉(zhuǎn)換為直流電壓的反向電路。
5.如權(quán)利要求1-4所述的阻抗-電壓轉(zhuǎn)換器，還包括用于將一已知電壓偏置到所述電路元件上的裝置。
6.一種將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓以獲得與阻抗元件阻值變化對應(yīng)的交流電壓值的方法，包括下列步驟提供一具有反向輸入端、非反向輸入端和輸出端的運算放大器；在所述反向輸入端和輸出端之間連接一個阻抗元件；將一個已知阻抗的電路元件連接到所述反向輸入端；提供用于至少包裹連接線和/或信號線的一部分的屏蔽，該連接線連接在所述阻抗元件和所述反向輸入端之間，該信號線連接在所述電路元件和所述反向輸入端之間；連接所述屏蔽線和所述非反向輸入端；向所述非反向輸入端提供一個交流電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓的方法，其中所述阻抗元件的阻抗至少是晶體管的電導(dǎo)、電感、電容和電阻的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7的將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓的方法，其中所述屏蔽包裹著整個所述信號線和所述連接線。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8的將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓的方法，還包括以下步驟將所述運算放大器的輸出交流電壓積分以轉(zhuǎn)換為直流電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-8的將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓的方法，還包括以下步驟向所述電路元件施加一已知偏置電壓。
全文摘要
一種阻抗－電壓轉(zhuǎn)換器,利用運算放大器工作于虛擬短路狀態(tài),將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓,而不受寄生電容的影響。該阻抗－電壓轉(zhuǎn)換器由運算放大器、交流信號發(fā)生器和兩條屏蔽線組成,其中,運算放大器當(dāng)其輸出端和反向輸入端之間連接阻抗元件時,反向輸入端和非反向輸入端之間處于虛擬短路狀態(tài),一屏蔽線用于屏蔽用來連接阻抗元件和反向輸入的連接線,交流信號發(fā)生器連接于非反向輸入端,另一屏蔽線用于屏蔽信號線。兩條屏蔽線都與非反向輸入端連接。
文檔編號G01R27/26GK1256758SQ99800246
公開日2000年6月14日 申請日期1999年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月5日
發(fā)明者松本俊行, 廣田良浩, 原田宗生 申請人:住友金屬工業(yè)株式會社