CN102466756A - 一种差分测量电路的零点误差消除方法及差分测量电路 - Google Patents

Abstract

一种差分测量电路的零点误差消除方法及差分测量电路，差分测量电路包括：第一输入端子、第二输入端子、前馈网络、共模电压发生器、第一开关、第二开关、差分AD转换器及处理器系统；共模电压发生器控制输入差分信号的共模电平；前馈网络用于将的第一输入端子和第二输入端子中点电位调整到的共模电平值；差分AD转换器用于信号的数模转换，并将转换后的信号输出到处理器系统；处理器系统用于控制第一开关及第二开关分别连接到第一输入端子及第二输入端子以测量输入差分信号，控制第一开关及第二开关连接到共模电压发生器以测量零点误差信号，并根据差分AD转换器输出的数据生成数据处理结果。

Description

一种差分测量电路的零点误差消除方法及差分测量电路

技术领域

本发明是关于差分测量电路技术，具体的讲是关于一种差分测量电路的零点误差消除方法及差分测量电路。

背景技术

图1为现有技术中的前置差分放大器，放大器U1组成同相输入缓冲器，给端子P的输入信号作缓冲和阻抗变换；放大器U2组成反相输入缓冲器，给端子N的输入信号作缓冲和阻抗变换。电阻R6、R4、R3和放大器U3组成前馈网络，用于将输入差分信号中点调整到预定的中点电平。参考电压Vref、电阻R1、电阻R2组成差分输出中点电位偏置电路。双刀单掷开关K1组成输入方式选择电路。

当双刀单掷开关K1闭合时，电路工作在平衡输入方式。端子P和端子N通过电阻R1和R2偏置到参考电压Vref。取R1＝R2，则端子P和端子N的两端的电压总是以参考电压Vref为中心变化，即(Vp+Vn)/2＝Vref，实现了差分信号电平平移。

当双刀双掷开关K1断开时，电路工作在不平衡输入方式。同相输入缓冲器的输出信号经过-1倍放大后前馈到反相输入端，用于抬高输入的中点电平并且使得中点电平稳定在参考电压Vref上，从而实现电平平移。

经过上述平衡输入方式处理或不平衡输入方式处理后，输出信号的中间电平均稳定在参考电压Vref。选择合适的参考电压Vref，可以使得同相输入缓冲器和反相输入缓冲器的输出信号维持在后端A/D芯片的额定输入范围之内，并且使输入范围相对单端放大器扩大了一倍。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在如下不足：

放大器U1、U2及ADC转换器的输入零点会随温度、时间、电源电压等因素影响而产生漂移，该零点漂移会直接加到被测信号中从而产生测量误差。

发明内容

本发明提供一种差分测量电路的零点误差消除方法及差分测量电路，用于消除测量差分信号的零点误差。

在一实施例中，本发明提供一种差分测量电路的零点误差消除方法及差分测量电路，所述差分测量电路包括：第一输入端子、第二输入端子、前馈网络、共模电压发生器、第一开关、第二开关、差分AD转换器及处理器系统；

所述前馈网络的输出端及第一输入端分别连接第二输入端子及第一输入端子，所述前馈网络的第二输入端连接所述的共模电压发生器，所述第一输入端子通过第一开关连接所述差分AD转换器的第一输入端子，所述第二输入端子通过第二开关连接所述差分AD转换器的第二输入端子，所述的共模电压发生器分别通过第一开关及第二开关连接所述差分AD转换器，所述差分AD转换器、共模电压发生器、第一开关及第二开关分别与所述处理器系统连接；所述共模电压发生器用于控制输入差分信号的共模电平，并为所述差分AD转换器提供测量零点误差信号的共模电压信号；所述前馈网络用于将的第一输入端子和第二输入端子中点电位调整到所述的共模电平值；所述差分AD转换器用于信号的数模转换，并将转换后的信号输出到所述处理器系统；所述处理器系统用于控制所述的第一开关及第二开关分别连接到所述第一输入端子及第二输入端子以测量输入差分信号，控制所述的第一开关及第二开关连接到所述共模电压发生器以测量零点误差信号，并根据所述差分AD转换器输出的数据生成数据处理结果。

所述的差分测量电路还包括：第一放大器，所述第一放大器的输入端连接所述第一输入端子，所述第一放大器的输出端通过所述第一开关连接所述差分AD转换器，用于对所述第一输入端子的信号进行缓冲及阻抗变换；第二放大器，所述第二放大器的输入端连接所述第二输入端子，所述第二放大器的输出端通过所述第二开关连接所述差分AD转换器，用于对所述第二输入端子的信号进行缓冲及阻抗变换。

所述的差分测量电路还包括：程控增益缓冲器，由第三放大器，第四放大器及程控衰减网络组成，所述第三放大器及第四放大器的输出端分别连接所述程控衰减网络；所述第三放大器的输入端连接所述第一开关，用于对输入其中信号进行缓冲和阻抗变换；所述第二放大器的输入端连接所述第二开关，用于对输入其中信号进行缓冲和阻抗变换；所述程控衰减网络连接所述差分AD转换器，用于衰减经过所述第三放大器及第四放大器的信号。

所述的处理器系统还用于控制所述的第一开关及第二开关分别连接到所述第一放大器及第二放大器，以进行缓冲所述第一端子和第二端子电位的预充操作。

所述差分测量电路还包括：输入装置，连接所述处理器系统，用于向所述处理器系统发送共模电平值控制指令及开关切换指令，以控制共模电平值、切换所述第一开关及第二开关；输出装置，连接所述处理器系统，用于输出所述数据处理结果。所述的输入装置包括：键盘、数据接口、话筒或存储设备。所述的输出装置包括：数据通信接口，显示器，发音装置，打印机或存储设备。

在一实施例中，本发明提供一种差分测量电路的零点误差消除方法，所述的方法包括：输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子与第二输入端子经过差分AD转换器后的输入差分信号Ud；零点误差信号测量步骤，将共模电压发生器的输出电压信号分成两路信号，测量所述两路信号经过差分AD转换器产生的零点误差信号Uz；消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。

在一实施例中，本发明提供一种一种差分测量电路的零点误差消除方法，所述的方法包括：预充步骤，将所述第一开关及第二开关分别连接到所述第一放大器及第二放大器，以缓冲所述第一端子和第二端子的电位。输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子与第二输入端子经过差分AD转换器后的输入差分信号Ud；零点误差信号测量步骤，测量所述两路信号经过差分AD转换器产生的零点误差信号Uz；消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。

本发明技术效果：通过处理器系统控制整个电路运行，消除了差分测量电路在测量差分信号时产生的零点误差，从而提高了差分测量电路的测量准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为现有技术中差分输入的前置放大器电路图；

图2为本发明实施例一差分测量电路的结构示意图；

图3为本发明实施例二差分测量电路的结构示意图；

图4为本发明实施例三差分测量电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

图2为本发明第一实施例的差分测量电路示意图；如图2所示，本发明提供一种差分测量电路，所述差分测量电路包括：第一输入端子HI、第二输入端子LO、前馈网络201、共模电压发生器202、第一开关S1、第二开关S2、差分AD转换器203及处理器系统204；

所述前馈网络的输出端及第一输入端IN1分别连接第二输入端子LO及第一输入端子HI，所述前馈网络的第二输入端IN2连接所述的共模电压发生器202，所述第一输入端子HI通过第一开关S 1连接所述差分AD转换器203的第一输入端子，所述第二输入端子LO通过第二开关S2连接所述差分AD转换器203的第二输入端子，所述的共模电压发生器202分别通过第一开关S1及第二开关S2连接所述差分AD转换器203，所述差分AD转换器203、第一开关S1及第二开关S2分别与所述处理器系统204连接。

所述差分AD转换器203的第一输入端子通过第一开关S1和第二开关S2短接到所述差分AD转换器203的第二输入端子，以测量差分AD转换器203产生的零点误差信号。在另一实施例中，也可以所述共模电压发生器202连接到所述第一开关S1及第二开关S2，为所述差分AD转换器203提供测量零点误差信号的电压信号。所述共模电压发生器202也可以连接到所述处理器系统204。

所述共模电压发生器201用于控制输入差分信号的共模电平，并为所述差分AD转换器203提供测量零点误差信号的共模电压信号。

所述前馈网络由电阻R1、R2和放大器U0组成，用于将的第一输入端子和第二输入端子中点电位调整到所述的共模电平值，一般取电阻R1和电阻R2的大小相等。

第一开关S1及第二开关S2为单刀双掷开关，单刀双掷开关S1和S1用于选择输入到差分AD转换器203的信号。所述差分AD转换器203用于信号的数模转换，并将转换后的信号输出到所述处理器系统204。

处理器系统204用于控制所述的第一开关S1及第二开关S2分别连接到所述第一输入端子HI及第二输入端子LO以测量输入差分信号，即测试差分信号(MC+，MC-)输入；控制所述的第一开关S1及第二开关S2连接到所述共模电压发生器以测量零点误差信号，即测试(MZ+，MZ-)经过差分AD转换器203的零点误差信号，并根据所述差分AD转换器203输出的数据生成数据处理结果，并输出处理结果。

如图2所示，所述差分测量电路还包括输入装置205，连接所述处理器系统204，用于向所述处理器系统204发送共模电平值控制指令及开关切换指令，以控制共模电平值、切换所述第一开关S1及第二开S2关；所述的输入装置可以包括：键盘、数据接口、话筒或存储设备等。

所述差分测量电路还包括输出装置206，连接所述处理器系统204，用于输出所述数据处理结果。所述的输出装置206可以包括：数据通信接口，显示器，发音装置，打印机或存储设备等。

差分测量电路消除零点误差信号的具体步骤如下：

A，输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子HI与第二输入端子LO经过差分AD转换器203后的输入差分信号Ud。处理器系统204控制单刀双掷开关S1的端子与端子MC+相连；处理器系统204控制单刀双掷开关S2的端子与端子MC-相连。前馈网络调整LO端电位，使得LO端和HI端的中点电位等于共模电压发生器202设定的电平值。HI端信号通过开关S1连接到差分AD转换器203的同相端子P，LO端信号通过开关S2连接到差分AD转换器203的反相端子N。差分AD转换器203将端子P和端子N之间的电位差转换成数字量。处理器系统204从差分AD转换器203读取这种状态下的转换结果Ud。

B，零点误差信号测量步骤，测量差分AD转换器203产生的零点误差信号Uz。处理器系统204控制单刀双掷开关S1的端子与端子MZ+相连；处理器系统204控制单刀双掷开关S2的端子与端子MZ-相连。MZ+端零点信号通过开关S1连接到差分AD转换器203的同相端子P，MZ-端零点信号通过开关S2连接到差分AD转换器203的反相端子N，MZ+与MZ-的信号相同。差分AD转换器203将端子P和端子N之间的电位差转换成数字量。处理器系统204从差分AD转换器203读取这种状态下的转换结果Uz。

C，消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。处理器系统204将测得的输入差分信号Ud和零点信号转换结果Uz相减，得到的数据Ur为消零后的测试结果。处理器系统204将Ur通过输出装置206传送给预定对象。

在本实施例中，差分测量电路在测量差分输入信号时，处理器系统204控制整个电路循环执行步骤A，B，C，获得指定个数的测量结果后停止测量，以达到消除零点误差的目的。

实施例2

图3为本发明第一实施例的差分测量电路示意图；如图3所示，本发明提供一种差分测量电路，所述差分测量电路包括：第一输入端子HI、第二输入端子LO、前馈网络201、共模电压发生器202、第一开关S1、第二开关S2、差分AD转换器203、处理器系统204、第一放大器U1、第二放大器U2及程控增益缓冲器。

所述前馈网络的输出端及第一输入端IN1分别连接第二输入端子LO及第一放大器U1的输出端，所述前馈网络的第二输入端IN2连接所述的共模电压发生器202，所述的程控增益缓冲器与所述的差分AD转换器203连接，所述第一输入端子HI通过第一开关S1连接所述程控增益缓冲器，所述第二输入端子LO通过第二开关S2连接所述程控增益缓冲器，所述共模电压发生器202通过R3及第一开关S1连接所述程控增益缓冲器，通过R4及第二开关S1连接所述程控增益缓冲器。所述差分AD转换器203、第一开关S1及第二开关S2分别与所述处理器系统204连接。

所述第一放大器U1的输入端连接所述第一输入端子HI，所述第一放大器U1的输出端通过所述第一开关S1连接所述程控增益缓冲器，用于对所述第一输入端子HI的信号进行缓冲及阻抗变换；

所述第二放大器U2的输入端连接所述第二输入端子LO，所述第二放大器U2的输出端通过所述第二开关S2连接所述程控增益缓冲器，用于对所述第二输入端子LO的信号进行缓冲及阻抗变换。放大器U1组成同相预充缓冲器，放大器U2组成反相预充缓冲器。

如图3所示，程控增益缓冲器由第三放大器U3，第四放大器U4及程控衰减网络301组成，所述第三放大器U3及第四放大器U4的输出端分别连接所述程控衰减网络301。

所述第三放大器U3输入端子通过第一开关S1和第二开关S2短接到所述第四放大器U4输入端子，测量第三放大器、第四放大器、程控衰减器和差分AD转换203器产生的零点误差信号Uz。在另一实施例中，也可以将所述共模电压发生器202连接到所述第一开关S1及第二开关S2，为所述第三放大器、第四放大器、程控衰减器和差分AD转换器203提供测量零点误差信号的电压信号。所述共模电压发生器202也可以连接到所述处理器系统204。

所述第三放大器U3的输入端连接所述第一开关S1，用于对端子P的信号进行缓冲和阻抗变换；所述第四放大器的输入端连接所述第二开关，用于对端子N的信号进行缓冲和阻抗变换；所述程控衰减网络301连接所述差分AD转换器，用于衰减经过所述第三放大器U3及第四放大器U4的信号。电阻R1、R2和放大器U0组成前馈网络，用于将输入差分信号中点调整到预定的共模电平值。电阻R3和电阻R4组成零点偏置电路，用于检测差分测量回路的零点。共模电压发生器202用于控制输入差分信号的共模电平值大小，并为所述差分AD转换器203提供测量零点误差信号的共模电压信号。

在本实施例中，第一开关S1和第二开关S2为单刀三掷开关，用于选择输入到放大器U3和U4的信号。程控衰减网络301输出的信号放大到差分AD转换器203的输入范围内。差分AD转换器203将程控衰减网络301的输出信号转化成数字量，并将转换后的信号输出到所述处理器系统204。处理器系统204控制单刀三掷开关S1和S2改变差分AD转换器203所测量信号，分别测试零点信号(MZ+，MZ-)和差分信号(MC+，MC-)输入，然后用差分信号减去零点信号从而消除零点的影响。

如图3所示，所述差分测量电路还包括输入装置205，连接所述处理器系统204，用于向所述处理器系统204发送共模电平值控制指令及开关切换指令，以控制共模电平值、切换所述第一开关S1及第二开S2关；所述的输入装置可以包括：键盘、数据接口、话筒或存储设备等。

所述差分测量电路还包括输出装置206，连接所述处理器系统204，用于输出所述数据处理结果。所述的输出装置206可以包括：数据通信接口，显示器，发音装置，打印机或存储设备等。

差分测量电路消除零点误差信号的具体步骤如下：

步骤一，输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子HI与第二输入端子LO经过差分AD转换器203后的输入差分信号Ud。处理器系统204控制单刀三掷开关S1接通端子P和端子MC+，端子P与PC+和MZ+断开；处理器系统204控制单刀三掷开关S2接通端子N和端子MC-，端子N与PC-和MZ-断开。前馈网络调整LO端电位，使得LO端和HI端的中点电位等于共模电压发生器202设定的电平值。HI端信号通过开关S1连接到放大器U3，LO端信号通过开关S2连接到放大器U4。放大器U3和U4的输出的信号经过程控衰减网络301后耦合到差分AD转换器203。差分AD转换器203将端子CP和端子CN之间的电位差转换成数字量，并将数字量输出给处理器系统204。处理器系统204从差分AD转换器203读取当前状态下的转换结果(输入差分信号Ud)。

步骤二，零点误差信号测量步骤，短接差分AD转换器203的第一输入端子和第二输入端子，测量程控增益缓冲器301和差分AD转换器产生的零点误差信号Uz。在另一实施例中，也可以将所述共模电压发生器202连接到所述第一开关S1及第二开关S2，为所述第三放大器、第四放大器、程控衰减器和差分AD转换器203提供测量零点误差信号的电压信号。处理器系统204控制单刀三掷开关S1接通端子P和端子MZ+，端子P与MC+和PC+断开；处理器系统204控制单刀三掷开关S2接通端子N和端子MZ-，端子N与MC-和PC-断开；前馈网络调整LO端电位，使得LO端和HI端的中点电位等于共模电压发生器202设定的电平值。MZ+端零点信号通过开关S 1连接到放大器U3，MZ-端零点信号通过开关S2连接到放大器U4。放大器U3和放大器U4的输出的信号经过程控衰减网络301后耦合到差分AD转换器203。差分AD转换器将端子CP和端子CN之间的电位差转换成数字量，并将数字量输出给处理器系统204。处理器系统204从差分AD转换器203读取当前状态下的转换结果(零点误差信号Uz)。

步骤三，消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。处理器系统204将测得的输入差分信号Ud和零点误差信号Uz相减，得到的数据Ur(Ur＝Ud-Uz)为消零后的测试结果。

假设步骤一和步骤二操作时间足够短，则可以认为此过程中放大器U3、放大器U4、程控衰减网络301、差分AD转换器203产生的零点误差Uo没有变化；由于零点误差是直接叠加到HI端和LO端之间的差分信号Ui中的(这是零点误差的公知概念，不再赘述)，因此步骤一的差分AD转换器的输入差分信号Ud＝Uo+Ui；步骤二的差分AD转换器的转换结果是Uz＝Uo；因此Ur＝Ud-Uz＝(Uo+Ui)＝(Uo)＝Ui；这样就消除了零点误差，得到了HI端和LO端之间的差分信号的大小。

在本实施例中，步骤一之前，还存在预充操作步骤(步骤四)。

实际的放大器U3和U4的输入端子P和N的电位突然变化时，输入端子P和N上会有电流突变，如果电流突变直接传递给HI端子和LO端子的被测信号，可能对被测信号造成扰动。

预充操作时，处理器系统204控制单刀三掷开关S1接通端子P和端子PC+，端子P与MC+和MZ+断开；处理器系统204控制单刀三掷开关S2接通端子N和端子PC-，端子N与MC-和MZ-断开。HI端子的信号经过放大器U1缓冲，再经过单刀三掷开关S1耦合到放大器U3，将放大器U1的增益设为1，这时放大U3的P端子电位跟HI端子的电位相等；LO端子的信号经过放大器U2缓冲，再经过单刀三掷开关S2耦合到放大器U3，将放大器U2的增益设为1，这时放大器U3的N端子电位跟LO端子的电位相等。

由于放大器U1和U2的隔离作用，放大器输入端子P、N的电位突变引起的电流突变不会传递到输入端子HI和LO上。等到放大器输入端子P、N的电位分别稳定到HI端子的电位和LO端子的电位上后，处理器系统204继续执行步骤一，控制单刀三掷开关S1和S2迅速切换到测量输入差分信号的状态。步骤一的切换时间足够短，放大冲器U3和U4的输入端子电位不会突变，因此也不会造成被测信号的扰动。

处理器系统204控制整个电路循环执行步骤一、步骤二、步骤三、步骤四或者步骤二、步骤四、步骤一、步骤三可以不停地获得经过消零的测量结果。也可以通过输入装置控制处理器依次完成步骤四、步骤一、步骤二、步骤三或者依次完成步骤二、步骤四、步骤一、步骤三，获得指定个数的测量结果后停止测量。

此时还可以通过输入装置控制处理器仅执行步骤一，将零点测量结果置为固定值，从而缩短测量流程，加快测量速度，但是此时不能消除零点误差。

如果实际的放大器U3和U4的输入端子上的电压变化引起的输入端子上的电流的变化可以忽略，也可以省去步骤四的预充操作。

电阻R3和电阻R4在消零操作时给放大器U3和U4提供零点偏置。一般而言，电阻R3和电阻R4的大小相等，并且电阻R3和电阻R4的大小之和等于HI端子和LO端子所连接的外部信号源的内阻，这样能够在消零操作时最理想地抵消放大器U3和U4的输入偏流的影响，提高消零的准确度。如果放大器U3和U4的输入偏流的影响可以忽略，电阻R3和电阻R4可以用短路线代替。

一般而言，电阻R3跟电阻R4相连的一端同时连接到HI端子和LO端子电位的中点为最佳(较佳地，图3最佳实施例中假定HI端子和LO端子电位的中点等于共模电压发生器202输出的电压VCOM)，这样可以将放大器U3和U4的零点随输入信号大小变化引起的误差降到最小。如果放大器U3和U4的零点随输入信号大小变化引起的误差可以忽略，则电阻R3跟电阻R4相连的一端可以连接到其它电位或者浮空，但是要确保这一段的电位不超过放大器U3和U4的最大输入电位。

程控衰减网络301用于将放大器U3和U4的输出电压差变化范围缩放到差分AD转换器203能够接受的输入电压变化范围。例如：差分AD转换器203能够接受的输入电压变化范围是(-2V，+2V)，而放大器U3和U4输出电压差变化范围是(-20V，+20V)，则可以将程控衰减网络301设置为将放大器U3和U4的输出电压缩小10倍，这样就可以满足差分AD转换器的输入要求。例如：差分AD转换器能够接受的输入电压变化范围是(-2V，+2V)，而放大器U3和U4输出电压差变化范围是(-200mV，+200mV)，则可以将程控衰减网络301设置为将放大器U3和U4的输出电压放大10倍，这样就可以满足差分AD转换器的输入要求。例如：差分AD转换器能够接受的输入电压变化范围是(-2V，+2V)，而放大器U3和U4输出电压差变化范围也是(-2V，+2V)，则可以将程控衰减网络301设置为将放大器U3和U4的输出电压放大1倍(也就是说，将放大器直接连接差分AD转换器是程控衰减网络301放大1倍的特例)，这样就可以满足差分AD转换器的输入范围要求。

实施例3

图4为本发明第一实施例的差分测量电路示意图；如图4所示，本发明提供一种本发明提供一种差分测量电路，所述差分测量电路包括：第一输入端子HI、第二输入端子LO、前馈网络201、共模电压发生器202、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、差分AD转换器203、处理器系统204、第一放大器U1、第二放大器U2及程控增益缓冲器。

所述前馈网络的输出端OUT1及第一输入端IN1分别连接第二输入端子LO及第一放大器U1的输出端，所述前馈网络的第二输入端IN2连接所述的共模电压发生器202，所述的程控增益缓冲器与所述的差分AD转换器203连接，所述第一输入端子HI通过第一开关S1连接所述程控增益缓冲器，所述第二输入端子LO通过第二开关S2连接所述程控增益缓冲器，所述共模电压发生器202通过R3及第一开关S1连接所述程控增益缓冲器，通过R4及第二开关S1连接所述程控增益缓冲器。所述差分AD转换器203、共模电压发生器202、第一开关S1及第二开关S2分别与所述处理器系统204连接。所述第一放大器U1的输入端连接所述第一输入端子HI，所述第一放大器U1的输出端通过所述第一开关S1连接所述程控增益缓冲器，用于对所述第一输入端子HI的信号进行缓冲及阻抗变换；

所述第二放大器U2的输入端连接所述第二输入端子LO，所述第二放大器U2的输出端通过所述第二开关S2连接所述程控增益缓冲器，用于对所述第二输入端子LO的信号进行缓冲及阻抗变换。放大器U1组成同相预充缓冲器，放大器U2组成反相预充缓冲器。

程控增益缓冲器由第三放大器U3，第四放大器U4及程控衰减网络301组成，所述第三放大器U3及第四放大器U4的输出端分别连接所述程控衰减网络301。

所述第三放大器U3输入端子通过第一开关S1和第二开关S2短接到所述第四放大器U4输入端子，测量第三放大器、第四放大器、程控衰减器和差分AD转换器产生的零点误差信号Uz。在另一实施例中，也可以所述共模电压发生器202连接到所述第一开关S1及第二开关S2，为所述第三放大器、第四放大器、程控衰减器和差分AD转换器203提供测量零点误差信号的电压信号。所述共模电压发生器202也可以连接到所述处理器系统204。

所述第三放大器U3的输入端连接所述第一开关S1，用于对端子P的信号进行缓冲和阻抗变换；所述第四放大器的输入端连接所述第二开关，用于对端子N的信号进行缓冲和阻抗变换；所述程控衰减网络301连接所述差分AD转换器，用于衰减经过所述第三放大器U3及第四放大器U4的信号。电阻R1、R2和放大器U0组成前馈网络，用于将输入差分信号中点调整到预定的共模电平值。电阻R3和电阻R4组成零点偏置电路，用于检测差分测量回路的零点。共模电压发生器202用于控制输入差分信号的共模电平值大小，并为所述差分AD转换器203提供测量零点误差信号的电压信号。

在本实施例中，第一开关S1和第二开关S2为单刀三掷开关，用于选择输入到放大器U3和U4的信号。程控衰减网络301输出的信号放大到差分AD转换器203的输入范围内。差分AD转换器203将程控衰减网络301的输出信号转化成数字量，并将转换后的信号输出到所述处理器系统204。处理器系统204控制单刀三掷开关S1和S2改变差分AD转换器203所测量的信号，分别测试零点误差信号(MZ+，MZ-)和输入差分信号(MC+，MC-)输入，然后用差分信号减去零点信号从而消除零点的影响。

开关S3用于控制电路工作在单端模式或者差分模式。图4中粗线框内包括的以上电路称为隔离电路。隔离电路使用隔离供电电路401产生的隔离电源供电，隔离电路和处理器系统204之间的控制信号通过数据隔离器402实现电气隔离。差分放大器的电源和控制信号分别通过隔离供电电路401和数据隔离器402跟外界电路实现电气隔离后可以大大提高其抗共模干扰的能力。

所述差分测量电路还包括：输入装置205，连接所述处理器系统204，用于向所述处理器系统204发送共模电平值控制指令及开关切换指令，以控制共模电平值、切换所述第一开关S1及第二开S2关；所述的输入装置可以包括：键盘、数据接口、话筒或存储设备等。

所述差分测量电路还包括输出装置206，连接所述处理器系统204，用于输出所述数据处理结果。所述的输出装置206可以包括：数据通信接口，显示器，发音装置，打印机或存储设备等。

差分测量电路消除零点误差信号的具体步骤如下：

步骤一，输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子HI与第二输入端子LO经过差分AD转换器203后的输入差分信号Ud。处理器系统204控制单刀三掷开关S1接通端子P和端子MC+，端子P与PC+和MZ+断开；处理器系统204控制单刀三掷开关S2接通端子N和端子MC-，端子N与PC-和MZ-断开。HI端信号通过开关S1连接到程控增益缓冲器端子P，LO端信号通过开关S2连接到程控增益缓冲器端子N。端子P和端子N之间的电位差经过程控增益缓冲器缩放后耦合到差分AD转换器203。差分AD转换器203将端子CP和端子CN之间的电位差转换成数字量。处理器系统204通过数据隔离器402从差分AD转换器203读取当前状态下的转换结果Ud。

步骤二，零点误差信号测量步骤，测量程控增益缓冲器301和差分AD转换器产生的零点误差信号Uz。在另一实施例中，也可以将所述共模电压发生器202连接到所述第一开关S1及第二开关S2，为所述第三放大器、第四放大器、程控衰减器和差分AD转换器203提供测量零点误差信号的电压信号。处理器系统204控制单刀三掷开关S1接通端子P和端子MZ+，端子P与MC+和PC+断开；处理器系统204控制单刀三掷开关S2接通端子N和端子MZ-，端子N与MC-和PC-断开。MZ+端零点信号通过开关S1连接到程控增益缓冲器端子P，MZ-端零点信号通过开关S2连接到程控增益缓冲器端子N。端子P和端子N之间的电位差经过程控增益缓冲器缩放后耦合到差分AD转换器203。差分AD转换器203将端子CP和端子CN之间的电位差转换成数字量。处理器系统204通过数据隔离器从差分AD转换器203读取当前状态下的转换结果Uz。

步骤三，消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。处理器系统204将测得的HI-LO端输入信号转换结果Ud和零点信号转换结果Uz相减，得到的数据Ur(Ur＝Ud-Uz)为消零后的测试结果。处理器将消零后的结果通过输出装置206传送给预定对象。

步骤四，预充步骤，将所述第一开关S1及第二开关S2分别连接到所述第一放大器U1及第二放大器U2，以缓冲所述第一输入端子HI和第二输入端子LO的电位。处理器系统204控制单刀三掷开关S1接通端子P和端子PC+，端子P与MC+和MZ+断开；处理器系统204控制单刀三掷开关S2接通端子N和端子PC-，端子N与MC-和MZ-断开。HI端子的信号经过同相预充缓冲器U1缓冲，再经过单刀三掷开关S1耦合到程控增益缓冲器端子P；LO端子的信号经过反相预充缓冲器U2缓冲，再经过单刀三掷开关S2耦合到程控增益缓冲器端子N。

等到程控增益缓冲器输入端子P、N的电位分别稳定到HI端子的电位和LO端子的电位上后，处理器系统204继续执行第一步操作，控制单刀三掷开关S1和S2迅速切换到测量输入差分信号的状态。

处理器系统204控制整个电路循环执行步骤一、步骤二、步骤三、步骤四，或者执行步骤二、步骤四、步骤一、步骤三可以不停地获得经过消零的测量结果。也可以通过输入装置控制处理器依次完成步骤四、步骤一、步骤二、步骤三，或者依次完成步骤二、步骤四、步骤一、步骤三，获得指定个数的测量结果后停止测量。需要注意的是，在执行步骤一之前，必须先执行步骤四，以保证对第一输入端子HI与第二输入端子LO进行缓冲。

本发明实施例还可以通过输入装置控制处理器仅执行步骤一，将零点测量结果置为固定值，从而缩短测量流程，加快测量速度，但是，此时不能消除零点误差。

开关S3用于控制电路工作在单端模式或差分模式。开关S3闭合时，端子HI信号经过预充缓冲器耦合后输入到前馈网络201，前馈网络201调整端子LO电位，使得端子HI和端子LO的中点电位为共模电压发生器202设定的电位。这时无论端子HI和端子LO电位如何变化，端子HI和端子LO的中点电位不变，这种状态称为差分模式。

开关S3断开时，共模电压发生器202输出电压VCOM经过前馈网络中放大器U3和电阻R2组成的跟随器耦合到端子LO。这时无论端子HI电位如何变化，端子LO的电位不变，这种状态称为单端模式。

在差分模式下共模电压发生器202输出电压信号VCOM，用来调整输入端子HI和输入端子LO的中点电位。在单端模式下共模电压发生器202输出电压信号VCOM用来调整输入端子LO的电位。

本发明实施例的有益技术效果：通过处理器系统控制整个电路运行，消除了差分测量电路在测量差分信号时产生的零点误差，从而提高了差分测量电路的测量准确度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种差分测量电路，其特征在于，所述差分测量电路包括：第一输入端子、第二输入端子、前馈网络、共模电压发生器、第一开关、第二开关、差分AD转换器及处理器系统；

所述前馈网络的输出端及第一输入端分别连接第二输入端子及第一输入端子，所述前馈网络的第二输入端连接所述的共模电压发生器，所述第一输入端子通过第一开关连接所述差分AD转换器的第一输入端子，所述第二输入端子通过第二开关连接所述差分AD转换器的第二输入端子，所述差分AD转换器的第一输入端子通过第一开关和第二开关短接到所述差分AD转换器的第二输入端子，所述差分AD转换器、共模电压发生器、第一开关及第二开关分别与所述处理器系统连接；

所述共模电压发生器用于控制输入差分信号的共模电平；

所述前馈网络用于将的第一输入端子和第二输入端子中点电位调整到所述的共模电平值；

所述差分AD转换器用于信号的数模转换，并将转换后的信号输出到所述处理器系统；

所述处理器系统用于控制所述的第一开关及第二开关分别连接到所述第一输入端子及第二输入端子以测量输入差分信号，控制所述的第一开关及第二开关连接到所述共模电压发生器以测量零点误差信号，并根据所述差分AD转换器输出的数据生成数据处理结果。

2.如权利要求1所述的差分测量电路，其特征在于，所述共模电压发生器连接到所述第一开关及第二开关，为所述差分AD转换器提供测量零点误差信号的电压信号。

3.如权利要求1所述的差分测量电路，其特征在于，所述共模电压发生器与所述处理器系统连接。

4.如权利要求1所述的差分测量电路，其特征在于，所述的第一开关及第二开关为单刀双掷开关。

5.如权利要求1所述的差分测量电路，其特征在于，所述的差分测量电路还包括：

第一放大器，所述第一放大器的输入端连接所述第一输入端子，所述第一放大器的输出端通过所述第一开关连接所述差分AD转换器，用于对所述第一输入端子的信号进行缓冲及阻抗变换；

第二放大器，所述第二放大器的输入端连接所述第二输入端子，所述第二放大器的输出端通过所述第二开关连接所述差分AD转换器，用于对所述第二输入端子的信号进行缓冲及阻抗变换。

6.如权利要求5所述的差分测量电路，其特征在于，所述的差分测量电路还包括：程控增益缓冲器，由第三放大器，第四放大器及程控衰减网络组成，所述第三放大器及第四放大器的输出端分别连接所述程控衰减网络；

所述第三放大器的输入端连接所述第一开关，用于对输入其中信号进行缓冲和阻抗变换；

所述第四放大器的输入端连接所述第二开关，用于对输入其中信号进行缓冲和阻抗变换；

所述程控衰减网络连接所述差分AD转换器，用于衰减经过所述第三放大器及第四放大器的信号。

7.如权利要求5或6所述的差分测量电路，其特征在于，所述第一开关及第二开关为单刀三掷开关。

8.如权利要求7所述的差分测量电路，其特征在于，所述的处理器系统用于控制所述的第一开关及第二开关分别连接到所述第一放大器及第二放大器，以进行预充操作。

9.如权利要求1、5或6所述的差分测量电路，其特征在于，所述差分测量电路还包括：

输入装置，连接所述处理器系统，用于向所述处理器系统发送共模电平值控制指令及开关切换指令，以控制共模电平值、切换所述第一开关及第二开关；

输出装置，连接所述处理器系统，用于输出所述数据处理结果。

10.如权利要求9所述的差分测量电路，其特征在于，所述的输入装置包括：键盘、数据接口、话筒或存储设备。

11.如权利要求9所述的差分测量电路，其特征在于，所述的输出装置包括：数据通信接口，显示器，发音装置，打印机或存储设备。

12.一种差分测量电路的零点误差消除方法，应用于权利要求1所述的差分测量电路，其特征在于，所述的方法包括：

输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子与第二输入端子经过差分AD转换器后的输入差分信号Ud；

零点误差信号测量步骤，短接差分AD转换器的第一输入端子和第二输入端子，测量差分AD转换器产生的零点误差信号Uz；

消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。

13.一种差分测量电路的零点误差消除方法，应用于权利要求4所述的差分测量电路，其特征在于，所述的方法包括：

预充步骤，将所述第一开关及第二开关分别连接到所述第一放大器及第二放大器，以缓冲所述第一端子和第二端子的电位。

输入差分信号测量步骤，测量差分测量电路的第一输入端子与第二输入端子经过差分AD转换器后的输入差分信号Ud；

零点误差信号测量步骤，短接差分AD转换器的第一输入端子和第二输入端子，测量第三放大器、第四放大器、程控衰减网络和差分AD转换器产生的零点误差信号Uz；

消零步骤，计算消零后的输入差分信号Ur＝Ud-Uz，并将Ur输出。

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