惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法，其中，所述惠斯通電橋裝置包括：惠斯通電橋；及與所述惠斯通電橋的電源端和輸出端相連接的電流源組；所述電流源組包括多個(gè)電流源，每個(gè)電流源的一端各通過一個(gè)開關(guān)元件與電源端連接，每個(gè)電流源的另一端共同通過兩個(gè)正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。在本發(fā)明提供的惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法中，通過調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等，由此，能夠十分方便地消除/基本消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起的誤差（即失調(diào)電壓）。
【專利說明】惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子電路【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]惠斯通電橋廣泛應(yīng)用于磁傳感器和壓力傳感器等傳感器中，它的差分結(jié)構(gòu)可以用來提高器件的分辨率和靈敏度，減小溫度系數(shù)影響。但它的四個(gè)電阻由于制作工藝的偏差，不能做的完全匹配，這個(gè)不匹配所引起的誤差會(huì)導(dǎo)致傳感器檢測(cè)能力下降。
[0003]以各向異性磁阻(AMR)的惠斯通電橋在磁傳感器中的應(yīng)用為例:假設(shè)在無外部磁場(chǎng)情況下，惠斯通電橋的失調(diào)電壓(由于制造和不匹配等原因引起)為12mV;在地球磁場(chǎng)(0.5高斯)下，由地球磁場(chǎng)引起的惠斯通電橋輸出電壓為ImV ;惠斯通電橋的輸出電壓為30mV時(shí)，ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的輸出飽和。所以，正常情況下，飽和磁場(chǎng)可以測(cè)到接近15高斯；而在有失調(diào)電壓存在的情況下，飽和磁場(chǎng)只能測(cè)到接近9高斯，此時(shí)惠斯通電橋總的輸出電壓為30mV，包括惠斯通電橋的失調(diào)電壓12mV和外部9高斯磁場(chǎng)引起的輸出電壓18mV，失調(diào)電壓占了總輸出電壓的40%?；菟雇姌虻氖д{(diào)電壓引起的熱漂移會(huì)進(jìn)一步降低磁傳感器的檢測(cè)能力。
[0004]具體的，請(qǐng)參考圖1，其為惠斯通電橋的電路圖。如圖1所示，電阻Rl?R4是各向異性磁阻，其中，電阻Rl和R2構(gòu)成了 II臂，電阻R3和R4構(gòu)成了 I臂。通過控制磁化方向和電流方向，可以使惠斯通電橋單臂上的兩個(gè)電阻在磁場(chǎng)作用下的磁阻效應(yīng)變化趨勢(shì)相反(如Rl減小，R2增大)，而雙臂同一位置上的兩個(gè)電阻變化趨勢(shì)也相反(如Rl減小，R3增大)。
[0005]其中，在有外部磁場(chǎng)的情況下:假設(shè)R1=R2=R3=R4=R，Vb為橋電壓，A R為由外部磁場(chǎng)引起的電阻變化量。無失調(diào)電壓存在時(shí)，
[0006]I 臂:V0+=Vb [ (R+ A R) /2R]
[0007]11 臂:V0_=Vb [ (R- A R) /2R]
[0008]Vout=V0+-V0_=Vb {[(R+A R) /2R]-[(R-A R) /2R]} = Vb ( A R/R)
[0009]有失調(diào)電壓Vtfi存在時(shí)，
[0010]Vout=Vb ( A R/R) +Vos
[0011]這個(gè)惠斯通電橋的失調(diào)電壓在使用過程中都保持不變，因此在制造完成后只需補(bǔ)償一次。傳統(tǒng)的消除這個(gè)失調(diào)電壓的方法主要包括:燒斷電阻方法及開關(guān)電容方法等。
[0012]請(qǐng)參考圖2，其為通過燒斷電阻方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖。具體的，在無外部磁場(chǎng)情況下，通過并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)燒斷電阻到惠斯通電橋的輸出端和電源之間，以重新使惠斯通電橋平衡。為了減小燒斷電阻的數(shù)量，首先要找到惠斯通電橋的四個(gè)電阻中最大的電阻。通過一個(gè)自動(dòng)測(cè)試裝置(ATE)找到大的輸出端，然后并聯(lián)上一個(gè)計(jì)算出來的燒斷電阻。這種方法的不足之處是需要在四個(gè)位置都放置燒斷電阻，而且還要有一個(gè)大的變化量。
[0013]請(qǐng)參考圖3，其為通過開關(guān)電容方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖。具體的，通過在放大器輸入端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電壓來消除惠斯通電橋的失調(diào)電壓。如果惠斯通電橋有一個(gè)IOmV的失調(diào)電壓,通過調(diào)整(trimming)電阻產(chǎn)生一個(gè)反向電流,相當(dāng)于在惠斯通電橋的輸出端產(chǎn)生一個(gè)Vb/2-10mV的電壓，用來消除失調(diào)電壓。此種方法的缺點(diǎn)是電阻匹配度低，導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度有限。
[0014]傳統(tǒng)的消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起誤差的方法都較為復(fù)雜，因此提出一種新的、較簡(jiǎn)便的方法消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起誤差的方法成了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法，以解決現(xiàn)有的消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起誤差的方法較為復(fù)雜或者精度有限的問題。
[0016]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種惠斯通電橋裝置，所述惠斯通電橋裝置包括:惠斯通電橋；及與所述惠斯通電橋的電源端和輸出端相連接的電流源組；所述電流源組包括多個(gè)電流源，每個(gè)電流源的一端各通過一個(gè)開關(guān)元件與電源端連接，每個(gè)電流源的另一端共同通過兩個(gè)正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。
[0017]可選的，在所述的惠斯通電橋裝置中，所述多個(gè)電流源輸出的電流以二進(jìn)制比例增加。
[0018]可選的，在所述的惠斯通電橋裝置中，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正、負(fù)開關(guān)均受控于比較器。
[0019]本發(fā)明還提供一種惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，所述惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法包括:
[0020]提供如上所述的惠斯通電橋裝置；
[0021]調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等。
[0022]可選的，在所述的惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法中，在調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流之前，還包括:
[0023]獲取惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端之間的失調(diào)電壓。
[0024]可選的，在所述的惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法中，
[0025]當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時(shí)，電流源組輸出的電流加載于負(fù)輸出端;
[0026]當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時(shí)，電流源組輸出的電流加載于正輸出端。
[0027]可選的，在所述的惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法中，
[0028]當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時(shí)，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，負(fù)開關(guān)導(dǎo)通；
[0029]當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時(shí)，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，正開關(guān)導(dǎo)通。
[0030]在本發(fā)明提供的惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法中，通過調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等，由此，能夠十分方便地消除/基本消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起的誤差(即失調(diào)電壓)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是惠斯通電橋的電路圖；
[0032]圖2是通過燒斷電阻方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖；
[0033]圖3是通過開關(guān)電容方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖；
[0034]圖4是本發(fā)明實(shí)施例的惠斯通電橋裝置的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0036]請(qǐng)參考圖4，其為本發(fā)明實(shí)施例的惠斯通電橋裝置的電路圖。如圖4所示，所述惠斯通電橋裝置包括:惠斯通電橋10 ;及與所述惠斯通電橋10的電源端VCC和輸出端V。+/V0_相連接的電流源組11 ;所述電流源組11包括多個(gè)電流源，每個(gè)電流源的一端各通過一個(gè)開關(guān)元件與電源端連接，每個(gè)電流源的另一端共同通過兩個(gè)正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。
[0037]具體的，所述電流源組包括n+1個(gè)電流源(其中n+1為自然數(shù))，分別為電流源10……電流源In，其中，電流源Itl~In的一端分別通過開關(guān)元件Ktl~Kn與電源端VCC連接；電流源I。~In的均通過兩個(gè)正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-分別與正輸出端VO+和負(fù)輸出端VO-連接。在此，電流源Itl~In與正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-的連接，通過如下方式予以實(shí)現(xiàn):電流源ItI~In均與一連接點(diǎn)連接，所述連接點(diǎn)與正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-連接。
[0038]在本實(shí)施例中，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件(即開關(guān)元件Ktl~Kn)均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-均受控于比較器。以開關(guān)元件Ktl-Kn受控于一個(gè)八位寄存器為例，假設(shè)電流源組11中包括八個(gè)電流源，可通過八位寄存器和比較器控制該八個(gè)電流源是否將電流輸出以及輸出至正輸出端Vtl+還是負(fù)輸出端Vp具體的，首先，通過比較器比較正輸出端Vtl+和負(fù)輸出端Vch的電壓，如果DV0-，則連接到Vtl+的正開關(guān)K+關(guān)斷，連接到Vch的負(fù)開關(guān)K-導(dǎo)通；反之，則相反。然后，根據(jù)二進(jìn)制算法，先通過寄存器把控制最大電流的開關(guān)打開，若輸出結(jié)果跟第一次比較結(jié)果一致，則把次大電流的開關(guān)打開，否則，把最大電流的開關(guān)關(guān)斷，把次大電流的開關(guān)打開。根據(jù)逐次逼近原理，得到最接近零失調(diào)電壓的開關(guān)結(jié)果。其中多個(gè)電流源輸出的電流以二進(jìn)制比例增加，假如Itl=IREF,則In=2n*IREF，其中，IREF為一恒定電流源，其可由裝置內(nèi)部電路產(chǎn)生，不隨電源電壓變化而變化，其溫度系數(shù)很小。
[0039]在上述的惠斯通電橋裝置中，通過調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，便可使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等，由此，能夠十分方便地消除/基本消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起的誤差(即失調(diào)電壓)。
[0040]進(jìn)一步的，本實(shí)施例還提供了一種惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，具體包括:
[0041]提供一惠斯通電橋裝置，所述惠斯通電橋裝置包括:惠斯通電橋；及與所述惠斯通電橋的電源端和輸出端相連接的電流源組；所述電流源組包括多個(gè)電流源，每個(gè)電流源的一端各通過一個(gè)開關(guān)元件與電源端連接，每個(gè)電流源的另一端共同通過兩個(gè)正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接；
[0042]調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等。
[0043]進(jìn)一步的，在調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流之前，還包括:獲取惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端之間的失調(diào)電壓。具體的，可以在無外部磁場(chǎng)條件下，通過高精度的萬用表測(cè)得惠斯通電橋兩端的失調(diào)電壓(VQ+-VQ_);也可以通過設(shè)置(SET)和重置(RESET)時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸出計(jì)算得到失調(diào)電壓，等等多種方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0044]在本實(shí)施例中，當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時(shí)，將電流源組輸出的電流加載于負(fù)輸出端；當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時(shí)，將電流源組輸出的電流加載于正輸出端。進(jìn)一步的，當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時(shí)，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，負(fù)開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時(shí)，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，正開關(guān)導(dǎo)通。
[0045]具體的，假如Rl=1000Q , R2=1002Q , R3=1003 Q , R4=1001 Q，Vb=3V，則:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種惠斯通電橋裝置，其特征在于，包括:惠斯通電橋；及與所述惠斯通電橋的電源端和輸出端相連接的電流源組；所述電流源組包括多個(gè)電流源，每個(gè)電流源的一端各通過一個(gè)開關(guān)元件與電源端連接，每個(gè)電流源的另一端共同通過兩個(gè)正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的惠斯通電橋裝置，其特征在于，所述多個(gè)電流源輸出的電流以二進(jìn)制比例增加。
3.如權(quán)利要求1所述的惠斯通電橋裝置，其特征在于，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正、負(fù)開關(guān)均受控于比較器。
4.一種惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，其特征在于，包括: 提供如權(quán)利要求1?3中任一項(xiàng)所述的惠斯通電橋裝置； 調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等。
5.如權(quán)利要求4所述的惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，其特征在于，在調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流之前，還包括: 獲取惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端之間的失調(diào)電壓。
6.如權(quán)利要求5所述的惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，其特征在于， 當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時(shí)，電流源組輸出的電流加載于負(fù)輸出端； 當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時(shí)，電流源組輸出的電流加載于正輸出端。
7.如權(quán)利要求6所述的惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，其特征在于， 當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時(shí)，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，負(fù)開關(guān)導(dǎo)通； 當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時(shí)，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，正開關(guān)導(dǎo)通。
【文檔編號(hào)】G05F1/56GK103616919SQ201310685114
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】葛康康 申請(qǐng)人:杭州士蘭微電子股份有限公司