專利名稱：提供可切換分辨率的分壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，特別涉及一種裝置，用于切換模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的分辨率以提高靈敏度。
相關(guān)技術(shù)描述現(xiàn)在參照

圖1，其中示出作為現(xiàn)有技術(shù)的基于變量傳感器10的常規(guī)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。電壓源12包括正端14和負端(地)16。連接于端子14和16之間的是包括兩個串聯(lián)電阻20的分壓電路18。第一個電阻20(1)連接于正端14與節(jié)點22之間。第二個電阻20(2)連接于節(jié)點22與負端16之間。節(jié)點22通過引線24連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器26的輸入端。
在一個實例中，由傳感器10所測量的變量是來自電壓源12的電壓輸出。電壓源12可以相應地包括一個電池。在另一個實例中，由傳感器10所測量的變量是溫度。第二個電阻20(2)相應地包括一個對溫度敏感的熱敏電阻。在這兩種情況中，具有與所測量變量相關(guān)(即，成比例)的電壓的模擬信號由分壓電路18在節(jié)點22處產(chǎn)生，并通過引線24施加到模數(shù)轉(zhuǎn)換器26的輸入端。然后，在引線24上的模擬信號的電壓被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號值，以從該模數(shù)轉(zhuǎn)換器26輸出，或者由該模數(shù)轉(zhuǎn)換器26作進一步的處理。在這方面，人們認識到模數(shù)轉(zhuǎn)換器26可以包括一個離散電路元件(如圖所示)或者另外可以包括一部分多功能電路元件(例如，微控制器)。
在許多實例中，不僅需要測量變量的一般相對值(例如，與給定的閾值相比)，而且為其他原因還要測量具有較高分辨率的該變量的數(shù)值(例如，改變率)。例如，對于一個電池電壓傳感器來說，用戶可能不但需要知道該電池電平是高還是低，而且還要知道該電壓下降的速度。為了實現(xiàn)這兩個目的，通常需要用不同的分辨率測量關(guān)于要估計變量的數(shù)據(jù)。則，這需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前支持使從通用分壓電路輸出的模擬信號的分辨率增加的電路。
發(fā)明概要通過有選擇地連接和斷開與構(gòu)成分壓電路的其中一個電阻相并聯(lián)的分辨率電阻，可以在第一實施例中提供對從分壓電路輸出的模擬信號的分辨率的調(diào)節(jié)。在第二實施例中，從分壓電路輸出的模擬信號被提供給比例變換放大電路，并且通過有選擇地連接和斷開與該放大電路的反饋電阻相并聯(lián)的分辨率電阻來調(diào)節(jié)該模擬信號的增益(放大率)。在每個實施例中，晶體管響應所施加控制信號的切換操作實現(xiàn)分辨率電阻有選擇地并聯(lián)連接和斷開，以便于為所測量變量提供可切換(高或低)的分辨率。
附圖簡述通過參照下文結(jié)合附圖的具體描述可以獲得對本發(fā)明的方法的裝置的更加完整的理解，其中圖1(上文中部分地進行了描述)是基于變量傳感器的常規(guī)現(xiàn)有模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明具有分辨率調(diào)整的基于變量傳感器的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的第一實施例的電路圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明具有分辨率調(diào)整的基于變量傳感器的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的第二實施例的電路圖。
附圖具體描述再次參照圖1。在分壓電路18中用于各晶體管20的相對阻值的選擇影響傳感器10的分辨率(即，該傳感器的靈敏度在測量變量中改變)。對于由電壓源12產(chǎn)生的所施加電壓V，由分壓電路18在節(jié)點22產(chǎn)生的模擬信號的電壓V’由下式給出V′=R2R1+R2V-----(1)]]>其中R1是第一電阻20(1)的阻值；以及R2是第二電阻20(2)的阻值。方程(1)示出，與R1的阻值相比R2的阻值越大，則V’對V的變化越敏感。這可以通過參照一個具體實例而得到證明。首先假設(shè)R1等于3歐姆(3Ω)，并且R2等于5歐姆(5Ω)。帶入方程(1)中，對于V等于10伏(10V)，V’等于6.25V。如果V現(xiàn)在變?yōu)?2伏(12V)，則V’將等于7.5V。這對于在V中改變2V，則在V’中改變1.25V。現(xiàn)在把R1的值降低為2歐姆(2Ω)。對于V仍然等于10伏(10V)，現(xiàn)在V’等于7.14伏。如果V再次變?yōu)?2伏(12V)，則V’將等于8.57V。這對于在V中改變2伏，則在V’中改變1.43V。比較電壓的改變結(jié)果表明對于同樣在V中改變2伏，與R2(5Ω)相對，對于較小的R1值(2Ω和3Ω)，在V’中有較大的變化(1.43V和1.25V)。因此，與R1阻值相對較大的R2值造成從分壓電路18在節(jié)點22輸出的模擬信號的分辨率升高。當需要較高分辨率時，可以通過增加R2的相對值或降低R2的相對值獲得這種效果。
方程(1)還示出，對于固定的V，與R1相比R2越大，則V’對R2的改變越不敏感。這可以通過參照一個具體實例得到證明。首先假設(shè)R1等于3歐姆(3Ω)，并且V等于10伏(10V)。帶入方程(1)中，對于R2等于4歐姆(4Ω)，V’等于5.71V。現(xiàn)在把R2的值增加到6歐姆(6Ω)，則V’現(xiàn)在等于6.67V。這對于在R2中改變2歐姆，則在V’中改變0.96V。如果現(xiàn)在把R1的值降低為1歐姆(1Ω)，對于R2仍然等于4歐姆(4Ω)，則V’等于8.0V?，F(xiàn)在再次把R2的值增加到6歐姆(6Ω)。現(xiàn)在V’等于8.57V。這對于在R2中改變2歐姆，則在V’中改變0.57V。比較電壓的改變結(jié)果表明對于同樣在R2中改變2歐姆，與R2相關(guān)，對于較大的R1值(3Ω和1Ω)，在V’中有較大的變化(0.96V和0.57V)。因此，與R1阻值相對較小的R2值造成從分壓電路18在節(jié)點22輸出的模擬信號的分辨率升高。當需要較高分辨率時，可以通過增加R1的相對值獲得這種結(jié)果。
現(xiàn)在參照圖2，其中示出根據(jù)本發(fā)明基于變量傳感器100的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的第一實施例的電路圖。電壓源112包括正端114和負端(地)116。連接于端子114和116之間的是包括多個串聯(lián)電阻120(圖中示出兩個)的分壓電路18。第一個電阻120(1)連接于正端114與節(jié)點122之間。第二個電阻120(2)連接于節(jié)點122和負端116之間。節(jié)點122通過引線124連接到包括一部分多功能電路元件128(例如，微控制器)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器126的輸入端。
該傳感器110還包括半導體晶體管開關(guān)130，其中包括一個場效應晶體管(FET)器件(如圖所示)或一個雙極型晶體管器件(未示出)。開關(guān)130包括連接到正端114端漏極端132、連接到微控制器128的輸出端136的柵極端134、以及源極端138。傳感器110還包括連接于源極端138與節(jié)點122之間的分辨率電阻140，該節(jié)點通過引線124連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器126的輸入端。有選擇地由微控制器128從端口136輸出的信號控制開關(guān)130的操作(“關(guān)”和“開”)分別有效地使與在正端114和節(jié)點122之間的第一電阻120(1)相并聯(lián)的分辨率電阻140斷開和連接。當開關(guān)130由微控制器128的輸出信號所導通時，由分辨率電阻140和第一電阻120(1)形成有效第一電阻120(1)’。有效第一電阻120(1)’的阻值由下式給出Reff=R1RrR1+Rr-----(2)]]>其中R1是第一電阻120(1)的阻值；Rr是分辨率電阻140的阻值；以及Reff是有效電阻120(1)’的阻值。
在一個實例中，由傳感器110所測量的變量在來自電壓源112的電壓輸出中改變。在這種情況下，電壓源112可以相應地包括一個電池。傳感器110以兩種分辨率模式工作。在低分辨率模式中(即，傳感器110對從電壓源112輸出的電壓中的改變更不敏感的模式)，微控制器128啟動以從端口136輸出一個信號，控制開關(guān)130的操作(“關(guān)”)，有效地從正端114上斷開分辨率電阻140。在高分辨率模式中(即，傳感器110對從電壓源112輸出的電壓中的改變更加敏感的模式)，微控制器128啟動以從端口136輸出一個信號，控制開關(guān)130的操作(“開”)，有效地把分辨率電阻140連接到正端114上，從而形成有效電阻120(1)’。根據(jù)方程(2)，有效電阻120(1)’的阻值小于第一電阻120(1)。如上文結(jié)合方程(1)的分析所示，對于在電壓V中的給定變化，與第一電阻120(1)或其有效電阻120(1)’(即，R1)的阻值相對，對于第二電阻120(2)(即，R2)的較大阻值，分辨率的增加使得從分壓電路118在節(jié)點122輸出的模擬信號有提高的靈敏度。當開關(guān)130接通，并且連接上分辨率電阻140時，第二電阻120(2)的相對值較大。
盡管沒有在圖1中具體示出，但是應當知道，傳感器110的類似操作可以通過利用開關(guān)130有選擇地連接和斷開與在節(jié)點122和負端116之間的第二電阻120(2)相并聯(lián)的分辨率電阻而實現(xiàn)。在這種結(jié)構(gòu)中，當由微控制器128“接通”開關(guān)130時出現(xiàn)低分辨率模式，并且當由微控制器128“斷開”開關(guān)130時出現(xiàn)高分辨率模式。
在另一個實例中，由傳感器110所測量的變量是溫度。在該實例中的第二電阻120(2)包括熱敏電阻。傳感器110再次工作于兩種分辨率模式中。在低分辨率模式中(即，傳感器110對熱敏電阻的阻值改變較不敏感的模式)，微控制器128啟動，以從端口136輸出一個信號，控制開關(guān)130的操作(“接通”)，有效地把分辨率電阻140連接到正端114，從而形成有效電阻120(1)’。在高分辨率模式中，(即，傳感器110對從電壓源112輸出的電壓中的改變更加敏感的模式)，微控制器128啟動，以從端口136輸出一個信號，控制開關(guān)130的操作(“斷開”)，有效地把分辨率電阻140從正端114上斷開。根據(jù)方程(2)，有效電阻120(1)’的阻值小于第一電阻120(1)的阻值。如上文結(jié)合方程(1)分析電阻R2的改變所示，相對于第一電阻120(1)或其有效電阻120(1)’(即，R1)來說，第二電阻120(2)(即，熱敏電阻R2)的阻值越小，則分辨率的增加使得從分壓電路118在節(jié)點122輸出的模擬信號靈敏度提高。當開關(guān)130斷開并且分辨率電阻140斷開時，對于第二電阻120(2)出現(xiàn)更小的相對值。
現(xiàn)在參照圖3，其中示出根據(jù)本發(fā)明的基于變量傳感器210的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的第二實施例的電路圖。電壓源212包括正端214和負端(地)216。連接于端子214和216之間的是包括多個串聯(lián)電阻220(圖中示出兩個)的分壓電路218。第一個電阻220(1)連接于正端214與節(jié)點222之間。第二個電阻220(2)連接于節(jié)點222和負端216之間。節(jié)點222通過引線224連接到運算放大器252的第一輸入端250。運算放大器252的第二輸入端254連接到負端(地)216。運算放大器252的輸出端256通過反饋電阻258連接到第一輸入端250。這有效地構(gòu)成作為用作相對于在節(jié)點222產(chǎn)生的所接收模擬信號的比例變換器的運算放大器。運算放大器252的輸出端256還連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器226的輸入端，該轉(zhuǎn)換器包括一部分多功能電路元件228(例如，微控制器)。
該傳感器210還包括一個半導體晶體管開關(guān)230，該開關(guān)包括一個場效應晶體管(FET)器件(如圖所示)或一個雙極型半導體器件(未示出)。該開關(guān)230包括連接到運算放大器252的輸出端256的漏極端232、連接到微控制器228的輸出端236的柵極端234、以及源極端238。傳感器210還包括連接于源極端238和連接到節(jié)點222的運算放大器252的第一輸入端250之間的分辨率電阻140。有選擇地由微控制器228從端口236輸出的一個信號控制開關(guān)230的操作(“斷開”和“接通”)，分別有效地斷開和連接與在運算放大器252的輸出端256和第一輸入端250之間的反饋電阻258相并聯(lián)的分辨率電阻140。當開關(guān)230由微控制器228輸出信號所接通時，由分辨率電阻140和反饋電阻258形成有效反饋電阻258’。當運算放大器252的設(shè)計成作為比例變換器而工作，響應微控制器228輸出信號而造成的分辨率電阻140的連接和斷開使得增益改變。有效反饋電阻258’的阻值由下式給出Reff=RfRrRf+Rr-----(3)]]>其中Rf是反饋電阻258的阻值；Rr是分辨率電阻240的阻值；以及Reff是有效反饋電阻258’的阻值。
在一個實例中，由傳感器210所測量的變量是從電壓源212輸出電壓中的變化。在這種情況下，電壓源212可以相應地包括一個電池。傳感器210工作在兩種分辨率模式中。在高分辨率模式中(即，傳感器210對從電壓源212輸出的電壓中的改變更加敏感的模式)，微控制器228啟動以從端口236輸出一個信號，控制開關(guān)230的操作(“斷開”)，有效地從運算放大器252的輸出端256斷開分辨率電阻240。根據(jù)方程(3)，反饋電阻258的阻值大于有效反饋電阻258’的阻值。這樣，由比例變換運算放大器252采用更高的增益，結(jié)果對從分壓電路218在節(jié)點222輸出的模擬信號中的變化的靈敏度增加。在低分辨率模式中(即，傳感器210對輸出自電壓源212的電壓中的改變更不敏感的模式)，微控制器228啟動以從端口236輸出一個信號，控制開關(guān)230的操作(“接通”)，有效地使分辨率電阻240與反饋電阻258相并聯(lián)，從而形成有效反饋電阻258’。根據(jù)方程(3)，有效反饋電阻258’的阻值小于反饋電路258的阻值。這樣，由比例變換運算放大器252采用更高的增益，結(jié)果對從分壓電路218在節(jié)點222輸出的模擬信號中的變化的靈敏度下降。
盡管本發(fā)明的方法和裝置的優(yōu)選實施例已經(jīng)在附圖中示出，并且在上文的具體描述中說明，應當知道，本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是可以有各種調(diào)整、改變和代替，而不脫離所附權(quán)利要求中提出和確定的本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
1.一種電路，其中包括分壓器，其中包括在一節(jié)點處與第二電阻相串聯(lián)的第一電阻；分辨率電阻；以及開關(guān)，其響應一控制信號，用于有選擇地連接和斷開與分壓器的第一電阻相并聯(lián)的分辨率電阻。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其中還包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有連接到分壓器的節(jié)點上的輸入端。
3.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是用于一個微控制器中的，并且該微控制器產(chǎn)生控制信號，以改變從該節(jié)點輸出的模擬信號的分辨率，并由模數(shù)轉(zhuǎn)換器所處理。
4.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，第二電阻包括一個熱敏電阻。
5.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于該開關(guān)包括一個半導體開關(guān)，其具有接收該控制信號的第一端、連接到分辨率電阻的第二端、以及連接到第一電阻上與分壓器的節(jié)點相對的一端；以及分辨率電阻上與第二端相對的一端連接到分壓器的節(jié)點上。
6.如權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于，該半導體開關(guān)包括一個場效應晶體管，并且該第一端包括一個柵極，該第二端包括一個源極，以及該第三端包括一個漏極。
7.一種電路，其中包括分壓器，其中包括具有第一端和第二端的第一電阻；以及具有第一端和第二端的第二電阻，第二電阻的第一端在一節(jié)點處連接到第一電阻的第二端；分辨率電阻，其具有第一端和第二端，該第二端連接到該節(jié)點；以及半導體開關(guān)，其具有接收一個控制信號的第一端子、連接到分辨率電阻的第一端的第二端子、以及連接到第二電阻的第一端的第三端子，該控制信號驅(qū)動半導體開關(guān)有選擇地連接和斷開與分壓器的第一電阻相并聯(lián)的分辨率電阻。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其中還包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有連接到分壓器的節(jié)點上的輸入端。
9.如權(quán)利要求8所述的電路，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是用于一個微控制器中的，并且該微控制器產(chǎn)生控制信號，以改變從該節(jié)點輸出的模擬信號的分辨率，并由該模數(shù)轉(zhuǎn)換器所處理。
10.如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，第二電阻包括一個熱敏電阻。
11.如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，該半導體開關(guān)包括一個場效應晶體管，并且該第一端包括一個柵極，該第二端包括一個源極，以及該第三端包括一個漏極。
12.一種電路，其中包括分壓器，其包括在第一節(jié)點處與第二電阻相串聯(lián)的第一電阻；放大器電路，其具有連接到該節(jié)點的輸入端，并具有影響增益的反饋電阻；分辨率電阻，以及開關(guān)，其響應一個控制信號，用于有選擇地連接和斷開與該放大器電路的反饋電阻相并聯(lián)的分辨率電阻。
13.如權(quán)利要求12所述的電路，其特征在于，該放大器電路包括一個運算放大器電路，其被設(shè)計為具有反饋電阻，以用作為比例放大器。
14.如權(quán)利要求12所述的電路，其特征在于該開關(guān)包括一個半導體開關(guān)，其具有接收該控制信號的第一端子、連接到分辨率電阻的第二端子、以及連接到放大器電路的一個輸出端的第三端子；以及在分辨率電阻上與放大器電阻的輸出端相對的一端連接到該放大器電路的輸入端。
15.如權(quán)利要求14述的電路，其特征在于，該半導體開關(guān)包括一個場效應晶體管，并且該第一端包括一個柵極，該第二端包括一個源極，以及該第三端包括一個漏極。
16.如權(quán)利要求12所述的電路，其中還包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有連接到放大器電路輸出端的輸入端。
17.如權(quán)利要求16所述的電路，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是用于一個微控制器中的，并且該微控制器產(chǎn)生控制信號，以改變從該放大器電路輸出的模擬信號的分辨率，并由該模數(shù)轉(zhuǎn)換器所處理。
18.如權(quán)利要求12所述的電路，其特征在于，第二電阻包括一個熱敏電阻。
19.一種電路，其中包括分壓器，其中包括具有第一端和第二端的第一電阻；以及具有第一端和第二端的第二電阻，第二電阻的第一端在一節(jié)點處連接到第一電阻的第二端；運算放大器，其具有連接到該節(jié)點的輸入端，并具有一個輸出端，該運算放大器被設(shè)計為具有連接于其輸出端和輸入端之間的反饋電阻的比例放大器；分辨率電阻，其具有第一端和第二端，該第二端連接到運算放大器的輸入端；以及半導體開關(guān)，其具有接收一個控制信號的第一端子、連接到分辨率電阻的第一端的第二端子、以及連接到運算放大器的輸出端的第三端子，該控制信號驅(qū)動半導體開關(guān)來有選擇地連接和斷開與反饋電阻相并聯(lián)的分辨率電阻。
20.如權(quán)利要求19述的電路，其特征在于，該半導體開關(guān)包括一個場效應晶體管，并且該第一端包括一個柵極，該第二端包括一個源極，以及該第三端包括一個漏極。
21.如權(quán)利要求19所述的電路，其中還包括一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其具有連接到運算放大器輸出端的輸入端。
22.如權(quán)利要求21所述的電路，其特征在于，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是用于一個微控制器中的，并且該微控制器產(chǎn)生控制信號，以改變從該運算放大器輸出的模擬信號的分辨率，并由該模數(shù)轉(zhuǎn)換器所處理。
23.如權(quán)利要求19所述的電路，其特征在于，第二電阻包括一個熱敏電阻。
全文摘要
從分壓電路輸出一個模擬信號。通過利用晶體管開關(guān)來有選擇地連接和斷開與構(gòu)成該分壓電路的一個電阻相并聯(lián)的分辨率電阻來調(diào)節(jié)該信號的分辨率。然后,所得的分辨率調(diào)節(jié)后的模擬信號由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器所處理。另外,從該分壓電路輸出的模擬信號傳送到由一個運算放大器所實現(xiàn)的比例變換放大電路。通過利用晶體管開關(guān)來有選擇地連接和斷開與構(gòu)成該運算放大器電路的反饋電阻相并聯(lián)的分辨率電阻來調(diào)節(jié)該信號的分辨率。然后,所得的分辨率調(diào)節(jié)后的模擬信號由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器所處理。
文檔編號H03M1/18GK1249811SQ98803118
公開日2000年4月5日 申請日期1998年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月7日
發(fā)明者I·N·韋克菲爾德 申請人:艾利森公司