[发明专利]一种用于周期测量的传感器信号处理的ASIC及其应用

说明书

本发明提供了一种用于传感器信号处理的全定制ASIC（为专门应用而设计的集成电路），所述ASIC专门用于消除周期性往复运动的周期测量中的系统误差；所述ASIC具有5个引脚，第一引脚为电源正极引脚，第二引脚为控制信号引脚，用于连接至CPU或仪器控制电路，第三引脚为信号输入端，用于连接光电门电路的输出端，第四引脚为信号输出端，用于连接计时器和计数器，第五引脚为电源地线引脚；所述ASIC取消了现有技术中的运算放大器、电压比较器、A/D转换器，整个电路全部由CMOS电路构成开关电路，因此本发明的电路结构更简单，抗干扰能力更强，电路功耗更低。

技术领域

本发明涉及一种周期性振动的周期精确测量方法及测量用集成电路。

背景技术

系统误差是指：相同待测量大量重复测量的平均结果和待测量真值的差。物理测量中的系统误差通常来源于：（1）仪器误差，这是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的。如仪器的零点不准，仪器未调整好，外界环境（光线、温度、湿度、电磁场等）对测量仪器的影响等所产生的误差；（2）理论误差（方法误差），这是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或者是实验方法本身不完善所带来的误差，例如热学实验中没有考虑散热所导致的热量损失，伏安法测电阻时没有考虑电表内阻对实验结果的影响等；（3）操作误差，这是由于观测者个人感官和运动器官的反应或习惯不同而产生的误差，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。

系统误差有些是定值的，如仪器的零点不准，有些是积累性的，如用受热膨胀的钢质米尺测量时，读数就小于其真实长度。

需要注意的是，系统误差总是使测量结果偏向一边，或者偏大，或者偏小，因此，多次测量求平均值并不能消除系统误差，只能在一定程度上减小系统误差。

在单摆测重力加速度的实验中，误差通常来源于：（1）单摆模型本身是否符合要求，即：悬点是否固定，是单摆还是复摆，球、线是否符合要求，振动是圆锥摆还是在同一竖直平面内振动以及测量哪段长度作为摆长等等；（2）单摆周期的测量。因此，要注意测准时间（周期）。要从摆球通过平衡位置开始计时，并采用倒计时的方法，不能多记振动次数。

传统的测量单摆振动周期的方法是：利用秒表在单摆铁球到达平衡位置时开始计时，并记录单摆的摆动次数，当达到规定的摆动次数时按下秒表停止计时，根据秒表记录的数值便可以计算出单摆的振动周期。由于利用秒表记录开始计时和停止计时的时刻，都需要操作者用肉眼观察单摆铁球是否达到平衡位置，存在人为的判断误差，测量出的振动周期亦存在较大误差。为了减少这种人为误差，通常采用进行多次测量然后取平均值的方法，但在记单摆摆动次数时，极易多记或少记振动次数，且由于科里奥利力的作用，单摆振动多次后，会逐渐由平面内摆动演化为圆锥摆。传统的人工计时测量单摆周期方法，费时费力且容易出错，也难以有效降低周期测量误差。

为了克服人工测量单摆周期存在的人为误差的问题，已经发展出多种仪器自动计时方法，例如利用磁簧管、光电门、霍尔传感器、压电传感器等来控制计时器、计数器。

在中国专利文献CN203013065U中，将霍尔开关元件固定在底座的顶面于静止时铁球的正下方，磁铁固定在霍尔开关元件的正下方，电源、霍尔开关元件、计时器和开关通过导线相电连接。

这种测量装置通过穿过霍尔元件的磁感线的变化来统计单摆的摆动，较传统的测量方式，摆脱了人为 测量的主观误差，但是该装置仍然具有几点无法克服的缺陷：（1）由于霍尔元件在变化磁场中产生的信号具有一定的回滞性，导致每个测量到的单摆周期与真实的单摆周期存在一定的时间差ΔT；（2）并且磁铁与铁球相互作用时间较短，所以测量过程中容易引起霍尔元件的丢步现象；（3）由于采用磁性作为信号触发，容易受到外界干扰；（4）由于测量原理所决定，霍尔元件必须严格地放置在单摆的平衡位置（单摆运动最低处），而实际上是很难严格地满足这一条件的，霍尔元件通常总会偏离一定的距离，导致周期测量不准确。所以上述专利文献提供的单摆周期测量仪在使用过程中仍然具有一定的局限性。