CN102594276B - 仪表放大器的增益校准系统及增益校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种仪表放大器的增益校准系统及增益校准方法，系统包括提供增益的放大器和可将模拟信号转换为数字输出的模数转换器；由参考电压源加载在电阻分压器两端构成的校准电压生成电路；对模数转换器输出进行分析得到增益校准系数的数字信号处理器；第一开关阵列在第三阶段选择电阻分压器各分段电压连接到模数转换器输入端；第二开关阵列在第一阶段选择参考电压源作为模数转换器输入，在第二阶段选择电阻分压器各分段电压总和连接到模数转换器输入端，在第三阶段将放大器的输出作为模数转换器输入；数字信号处理器通过将三个阶段的数据计算得到仪表放大器的增益校准系数。本发明的增益校准无需精准匹配的电阻和精确的输入电压信号。

Description

仪表放大器的增益校准系统及增益校准方法
技术领域
本发明涉及仪表放大器，特别是涉及带模数转换器的仪表放大器的增益校准系统及增益校准方法。
背景技术
仪表放大器是一种精密的差分电压放大器，在数据采集、传感器信号放大、医疗仪器等领域被广泛应用。经典的集成仪表放大器的增益由反馈电阻网络中两个或者更多电阻的比例确定，因此其增益精度受到电阻匹配精度的限制。当仪表放大器集成有模数转换器（ADC）时，转换器的增益误差也会引入部分增益误差。另一方面，增益误差也不是固定不变的。当增益设置改变或者温度等外界条件改变时，增益误差也会发生变化。
仪表放大器的增益误差可以通过微调电阻值来校准。对于带有ADC的仪表放大器，也可以通过在后续的数字处理器里对输出信号进行数字补偿，补偿用的校准系数可以存储在非挥发性的存储单元中。上述两种校准的方式的前提是需要知道仪表放大器的精确增益，因此需要在其输入端加载一个已知大小的电压信号。这样做的缺点在于，这个校准电压必须是一个幅度非常精准的信号，而且在仪表放大器在实际应用时很难取得这样一个信号。工厂里的一次性校准是可能的，但是对于增益可变的仪表放大器，需要对不同增益设置分别校准，也无法解决温度等引入的增益误差漂移。
图1示出了传统的增益可调的仪表放大器。该仪表放大器10接收差分输入信号1、2，并提供放大后的差分输出信号5、6。放大器3和4的开环增益远大于由电阻7、8、9的比例确定的仪表放大器10的增益。理想情况下仪表放大器10的增益可以用如下方程式表示：Gi=(R2+2×R1)/R2。对于增益可调的仪表放大器，电阻R1和R2的比例是可变的。但是无论其增益是否可变，其实际增益Ga总是会偏离理想增益Gi，因为电阻R1和R2的值不会是理想值。
图2示出工厂校准的增益校准方式。这种校准方法需要在输入加一个固定电压53，并使用两个非常精准的数字电压表51和52分别测量放大器输入1、2和输出端5、6的差分电压，通过计算得到仪表放大器的实际增益。然后通过对电阻R2进行调节从而校准增益误差。这种校准方式的缺陷在于成本较高且不能实时校准，因此避免温度等外部条件变化导致的增益迁移。
发明内容
针对现有技术的上述缺点，申请人经过研究改进，提供一种仪表放大器的增益校准系统及增益校准方法，可以精确的确定仪表放大器的增益，进行增益校准，并且无需精准匹配的电阻和精准的输入电压信号。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种仪表放大器的增益校准系统，包括：
放大器，接收模拟输入信号，并将信号放大后输出；
模数转换器，接收模拟输入信号和参考电压，并转换成数字信号输出；
校准电压生成电路，是电阻分压器，提供用于校准的多个电压信号，并作为所述模数转换器的参考电压；
第一开关阵列，选择将所述电阻分压器的分段电压连接到所述放大器的输入端或在所述仪表放大器正常工作时将模拟输入信号连接到所述放大器的输入端；
第二开关阵列，选择参考电压或者所述放大器的输出或者所述电阻分压器各个分段电压的总和到所述模数转换器的输入端；
数字处理器，将所述模数转换器的结果进行分析计算得到相应的仪表放大器增益校准系数。
本发明还提供一种仪表放大器的增益校准方法，包括以下步骤：
第一阶段，用模数转换器直接对参考电压进行量化，得到模数转换器的增益补偿系数，以此对模数转换器进行增益补偿；
第二阶段，将电阻分压器各个分段电压的总和作为经增益校准后的模数转换器的输入端，得到分段电压总和的量化值；
第三阶段，将电阻分压器各个分段电压通过放大器放大然后由经增益校准后的模数转换器量化并平均化，结合前一个量化值，得到放大器的增益校准系数；结合模数转换器的增益校准系数和放大器的增益校准系数，计算得到整个仪表放大器的增益校准系数。
本发明的有益技术效果是：
本发明使得仪表放大器的增益校准无需精准匹配的电阻和精确的输入电压信号，从而实现低成本的，实时的增益校准能力，可以有效抑制温度等因素引入的增益漂移。
附图说明
图1是传统的增益可调的仪表放大器的结构图。
图2是图1中的仪表放大器处于工厂校准模式的原理示意图。
图3是本发明增益校准系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图3所示，本发明的仪表放大器的增益校准系统80包括有校准电压生成电路70、第一开关阵列39、放大器30、第二开关阵列31、模数转换器32和数字处理器33。
校准电压生成电路70为一个电阻分压器70，通常由一对参考电压43、44驱动该电阻分压器70来产生一系列校准电压。该电阻分压器70通常由多个电阻，如图3中的电阻Ru1 81、电阻Ru2 82、电阻Ruj 85、电阻RuN-1 95、电阻RuN 96等串联构成。参考电压43、44通过电阻Rh 80和电阻Rl 97连接到电阻分压器70上，使得调节输出的校准电压的范围不会使后续放大器30和模数转换器32溢出。
第一开关阵列39，在正常工作模式下，将外部差分输入信号INP 13和INN 14连接到放大器30的输入端17、18；在增益校准模式下，则将校准电压生成电路70中的两个信号，连接到放大器30的输入端。
放大器30，用于放大模拟信号。其结构通常如图1中的仪表放大器20所示，对输入端17、18的模拟信号进行放大至输出19、20，其增益通常可以调节。
第二开关阵列31，在正常工作模式下，将放大器30的输出信号19、20连接到模数转换器32的输入端41、42；在增益校准模式下，则可以选择将校准电压生成电路70两端的电压11、12或者参考电压对43、44连接到模数转换器32的输入端。
模数转换器32，用于将模拟信号转换成数字信号。其参考电压为VREFP 43、VREFN 44，输入连接到第二开关阵列31的输出41，42，其数字输出45作为数字处理器33的输入。
数字处理器33，用于将模数转换器32的输出进行分析计算得到相应的仪表放大器的增益校准系数。
使用上述仪表放大器的增益校准系统的增益校准方法如下：第一阶段用模数转换器直接对参考电压进行量化，得到模数转换器的增益补偿系数以此对模数转换器进行增益补偿。第二阶段将电阻分压器各个分段电压的总和作为经增益校准后的模数转换器的输入端，得到分段电压总和的量化值。第三阶段将电阻分压器各个分段电压通过放大器放大然后由经增益校准后的模数转换器量化并平均化，结合前一个量化值，得到放大器的增益校准系数。结合模数转换器的增益校准系数和放大器的增益校准系数，计算得到整个仪表放大器的增益校准系数。
所述分段电压共有N个，并在第三阶段依次作为放大器的输入。所述N个分段电压的总和在第二阶段作为放大器的输入。上述方法包括第三阶段对N个分段电压的平均化。所述放大器的增益校准系数由第二阶段和第三阶段模数转换器的输出比例确定。所述的包含模数转换器的仪表放大器的增益校准系数，由放大器和模数转换器的增益校准系数相乘得到。
所述模数转换器在将参考电压直接加载于其输入端时，不会溢出。所述校准电压生成电路是将一个参考电压源加载在一个电阻分压器两端，提供第二和第三阶段的校准信号。所述第一开关阵列在校准模式的第三阶段将电阻分压器的各个分段电压连接到放大器的输入端；在仪表放大器进入非校准模式时，将模拟输入连接到放大器的输入端。所述第二开关阵列在第一阶段选择参考电压源作为模数转换器的输入，在第二阶段选择电阻分压器各分段电压总和连接到模数转换器的输入端，在第三阶段将放大器的输出作为模数转换器的输入。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种仪表放大器的增益校准方法，其特征在于包括以下步骤：
首先建立增益校准系统，包括：
放大器，接收模拟输入信号，并将信号放大后输出；
模数转换器，接收模拟输入信号和参考电压，并转换成数字信号输出；
校准电压生成电路，是电阻分压器，提供用于校准的多个电压信号，并作为所述模数转换器的参考电压；
第一开关阵列，选择将所述电阻分压器的分段电压连接到所述放大器的输入端或在所述仪表放大器正常工作时将模拟输入信号连接到所述放大器的输入端；
第二开关阵列，选择参考电压或者所述放大器的输出或者所述电阻分压器各个分段电压的总和到所述模数转换器的输入端；
数字处理器，将所述模数转换器的结果进行分析计算得到相应的仪表放大器增益校准系数；
第一阶段，用模数转换器直接对参考电压进行量化，得到模数转换器的增益校准系数，以此对模数转换器进行增益校准；
第二阶段，将电阻分压器各个分段电压的总和作为经增益校准后的模数转换器的输入，得到分段电压总和的量化值；
第三阶段，将电阻分压器各个分段电压通过放大器放大然后由经增益校准后的模数转换器量化并平均化，结合第二阶段分段电压总和的量化值，得到放大器的增益校准系数；结合模数转换器的增益校准系数和放大器的增益校准系数，计算得到整个仪表放大器的增益校准系数。
2.根据权利要求1所述仪表放大器的增益校准方法，其特征在于：所述分段电压共有N个，并在第三阶段依次作为放大器的输入。
3.根据权利要求1所述仪表放大器的增益校准方法，其特征在于：所述放大器的增益校准系数由第二阶段和第三阶段模数转换器的输出比例确定。
4.根据权利要求1所述仪表放大器的增益校准方法，其特征在于：所述仪表放大器的增益校准系数，由放大器和模数转换器的增益校准系数相乘得到。
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