CN102668372A - 数字电荷放大器及将电荷信号转换成数字信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电荷放大器电路，该电荷放大器电路将由压电测量元件输出的正负电荷信号Q转换成数字信号D，该数字信号D与测量元件处存在的测量值成比例。该电路包括将所检测的电荷Q转换成电压U2的电荷放大器V1，电荷放大器V1具有电荷输入端和电压输出端，其中包括两个输出端的补偿电路K连接在电荷放大器V1的电压输出端的下游，并且其中第一输出端连接至电荷放大器V1的电荷输入端，以及第二输出端连接至具有两个输入端Z+、Z-的计数器Z。一方面，补偿电路K能够分别产生补偿电荷Qk+或Qk-，补偿电荷Qk+或Qk-与所述电压U2成比例，并且为了补偿所述输入信号Q，补偿电荷Qk+或Qk-能够通过第一输出端被传输到电荷放大器V1的电荷输入端，以及另一方面，补偿电路能够产生多个与所产生的每一个补偿电荷Qk+或Qk-的大小成比例的脉冲P+、P-，并且所述多个脉冲能够通过第二输出端被传输到与特定补偿电荷Qk+或Qk-的符号相反的计数器Z的输入端Z-、Z+，其中与之前输入的所述电荷量的总和成比例的理想的数字信号D在计数器Z的输出端处为可用的。本发明还涉及一种在这样的电路上执行的方法。

Description

数字电荷放大器及将电荷信号转换成数字信号的方法

技术领域

本发明涉及一种电荷放大器电路，该电荷放大器电路用于将由压电测量元件输出的正负电荷信号Q转换成数字信号D，该数字信号D与测量元件处存在的测量值成比例，该电荷放大器电路包括将所检测的电荷Q转换成电压U2的电荷放大器V1，该电荷放大器V1具有电荷输入端和电压输出端。本发明还涉及一种用于将电荷信号转换成数字信号D的方法。

背景技术

由于压电传感器以电荷的形式输出其所测量的值，因而尤其需要与这些压电传感器有关的电荷放大器。这种传感器检测例如力、压力、加速度、膨胀应力（expansion）、力矩（moment）及相关的物理现象。如果这种传感器被安装在可移动部件（例如，车轮）上，则对这些测量信号进行数字化以能够通过非接触传输的方式将测量信号传输到定子。为此目的，所确定的测量典型地在电荷放大器中被放大，并通过模拟数字转换器（A/D转换器）被转换，直至这些测量被最终传输完为止。

因放大器输入端处不可避免的干扰电流（其与电荷Q的变化所产生的电流具有同样的影响（effect）），结果是，放大器输出电压从原始值移动；该放大器输出电压发生漂移。为了降低这种干扰影响，通常将电阻与电荷放大器并联连接，这样会将输出电压由于漂移而引起的增加限制到可接受的电位。然而，该电阻也以类似方式对测量信号起作用。因此，电荷放大器的下限截止频率也常增加到不再被容许的值。如果测量过程只检测短暂且单一的事件，则能够通过在测量程序不久之前启动复位开关来消除这种干扰影响。在较长测量程序的情况下，电阻值的频繁选择会造成令人不满意的在产生的下限截止频率与电荷放大器的残余漂移之间折中。另外，在所测量的值采用非接触传输的情况下（例如，具有移动的测量对象），从固定的电子设备激活复位开关仍需要更多的努力。

发明内容

本发明的目的是具体说明一种用于电荷放大器的电路，该电荷放大器用于转换压电测量信号，以减少上述所提及的问题的产生，并且还用于在不使用模拟/数字转换器的情况下供应能够易于通过非接触方式传输的信号。

本发明的构思是将放大器的输出信号持续地设置为接近零的值，使得复位开关变得不必要。另外，以低干扰的易于传输的脉冲的形式提供输出信号。脉冲频率与电荷的变化率成比例。在计数器中被累加的脉冲表示与最后一次计数器复位后的电荷变化成比例的值，该值与测量元件处存在的测量值成比例。

附图说明

下面，通过参考附图更详细地描述本发明。附图示出：

图1为根据本发明的电路的示意图；

图2示出根据现有技术的用于处理电荷信号的电路；

图3为在具有脉冲补偿电流的示例性实施例中的根据本发明的电路的示意图；

图4示出使用二极管的优选实施例；

图5示出根据本发明的使用晶体管的电路的优选实施例；

图6示出根据本发明的具有恒定补偿电流的电路的优选实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的电荷放大器电路的功能（functioning）的简例。在具有反馈电容C1的放大器V1的输入端处施加由压电测量元件生成的将要被检测的电荷Q。一旦放大器输出电压U2分别超过或低于参考值Uref+或Uref-，补偿电路K就经由电路网络R2/C2将指定的补偿电荷Qk+或Qk-供应到放大器输入端，直至放大器的输出电压U2再次位于界限Uref+和Uref-内。对于每一个正电荷单位Qk+，输出脉冲P-，以及对于每一个负电荷单位Qk-，输出脉冲P+。

这些脉冲是关于V1输入端处的电荷变化或输入电流的增量信号。

在升降计数器Z中将这些脉冲累加会产生一个对之前输入的总电荷的测量，并最终供应理想的数字信号D，该数字信号D与当前在测量元件处存在的测量值成比例。优选，此信号D是电压信号。

由于用于传输脉冲的设备简单，因而这种电路在数字测量的处理中以及在对移动对象的测量中特别有益。

在压电式测量技术中例如发现的、根据现有技术的用于处理电荷信号的典型电路在图2中被示出。压电测量元件作为电荷源Q连接至积分放大器V1（在本申请中通常称为电荷放大器）的输入端。电容C1和复位开关SR与此电荷放大器V1并联连接。通过闭合复位开关SR，电容C1放电。在打开此开关之后，在此时间之后施加的电荷Q抵达电容C1，并在放大器输出端处引起（induce）一电压（其值为Q/C1）。如果需要数字信号D，则将放大器输出电压馈送至模拟/数字转换器A/D，在该模拟/数字转换器A/D的输出端处并行或串行的信号D是可用的。

与电容C1并联连接的电阻R1是用来将输出电压因漂移而导致的增加限制到可接受的水平。

图3示出根据本发明的呈简化形式的电路的示例性实施例。位于放大器V1前面的元件表示在每一个压电测量装置中存在的那些部件。Q是由压电测量元件生成的电荷源，dQ/dt表示因Q的变化产生的电流（current flowing）。Cq倾向于包括总电容，Rq表示包含电荷源、电缆以及放大器输入端的输入电路的总漏电阻。Iof是偏置电流，Uof是放大器的偏置电压。I1是从源流到放大器的输入端的总电流，其包含从dQ/dt产生的成分、Iof以及Uof/Rq。在U2=0的输出状态下，输入电流I1首先在放大器V1的输入端处引起非常小的输入电压U1，并引起一输出电压U2，该输出电压U2的值为电流I1对时间的积分值再除以电容C1。如果U2超过值Uref+（在输入端处的负电荷增加），则比较放大器V2响应并供应正输出信号。来自脉冲发生器G的、具有精确指定宽度的脉冲到达两个与门&1和&2。只要V2的输出电压为正，这些脉冲就会到达与门&1的输出端。这些脉冲触发开关S1，该开关S1在每一个脉冲持续时间打开电流源Ik+。由此，利用每一个脉冲，明确指定的补偿电荷Qk+（其等于脉冲持续时间乘以补偿电流源Ik+的值）到达电路网络R2、C2、C3。此电荷Qk抵达放大器输入端，并对从电荷源输出给V1的至少一部分电荷进行补偿。当在补偿足够数量的补偿电荷之后而输入的电荷Q几乎完全被补偿时，U2再次低于值Uref+，从而来自G的接下来的脉冲可不再经过与门&1。由与门输出的这些脉冲作为脉冲P也抵达输出端。这些脉冲的数量等于流到输入端的电荷除以补偿电荷Qk，因此是对所输入的信号的测量。如果Q具有相反符号(正电荷增加)，则V3、与门&2、S2以及Ik-以类似方式启动运行，并引起一输出脉冲P+。

这些脉冲是增量信号，该增量信号与放大器输入端处的电荷变化成比例。脉冲P+的频率是对正电荷增加的测量，同样地，脉冲P-的频率是对电荷减少的测量。

然而，最值得注意的通常是电荷从特定瞬间变化的累加。这种情况下，在升降计数器中将这些脉冲累加。脉冲P+和P-经由一两通道传输路径而到达计数器Z的两个输入端处。此计数器通过复位开关R被初始设置为零。在测量过程开始时，通过开关S启动计数器。如果在特定时间所测量的值为固定的，则此时可停止计数器，并在计数器中保存信号，而不管放大器V1中的漂移效应如何。包含于计数器Z中的、与电荷Q成比例的值可作为并行或串行的数字信号D以己知的方式被读取，然后进一步被处理。

在放大器输入端处的干扰源是由物理现象引起的，并且不能被完全消除，因为Iof和Uof(尽管当然很小)不能被降低到零，所以绝缘电阻Rq总是具有非无限小(finite)的值。因此，即使采用这种改进的电路，事实上也不可能作出电荷Q的真实静态测量，并且为了消耗干扰电流，电阻R2必须具有非无限小的值。然而，存在没有干扰地易于被传输的增量信号，并且在电荷放大器上甚至不需要复位电路。准确地说，该计数器能够在任何时候易于且迅速地被设置为零。

在突然改变信号的情况下(短时间内电荷的大量增加)，计数器预先被有利地设置为零，并在预期的信号阶跃变化不久之前被启动。

在周期性信号的情况下，例如，在每一个周期性过程开始时，计数器也能够以事件驱动方式被周期性地设置为零。

图6示出一结构略有不同的电路，该电路具有与图3中描述的电路大体相同的功能。

不同在于，利用放大器V2的正输出电压，开关S1打开并经由电路网络R2/C2将补偿电流Ik+供应到放大器输入端，直至U2再次低于值Uref为止。V2的输出电压也同时被施加到与门&4，其中在补偿电流Ik流动的时间过程中，该与门&4将脉冲发生器G的脉冲作为输出脉冲P-输出到输出端。这些脉冲的数量因此也与该补偿电荷成比例，并最后使数字信号D得以传输。

对于输入端处电荷的正向变化（positive change），大体同样的方式施加于V3、S2以及&3。开关S1和S2只切换补偿电流。

通过这些说明，本发明相对于现有电路类型的下列优点尤其明显：

-测量信号是直接增量的，并当使用计数器时测量信号是数字的，而不需要中间的模拟数字转换器。

-信号的非接触传输易于可行，并且具有低电平的干扰。

-可在外部计数器上进行测量装置的调零；电荷放大器自身不需要进行切换操作。

-如果计数器停止，则测量信号可以被保存任意长的时间。

-由于放大器输出端处的电压以及也由此在放大器输入端处的电压通常很小，因而在输入端处绝缘电阻（其仅具有非无限小的大小）的影响被减弱。

元件的功能和标注指令（dimensioning instruction）（参考图3和图6）

在根据图3的电路中的脉冲发生器G的频率被选择得足够高，使得在与允许的数字信号延迟对应的时间内，在输入端处补偿最大期望级别（step）的电荷；通过选择的脉冲宽度来确定最大可用频率。在根据图6的电路中，脉冲发生器G的频率必须足够高，以使既获得足够分辨率的测量信号，又能够解决由漂移效应及其它类型的干扰引起的补偿电流的不足，且该脉冲发生器G的频率必须足够好以使得不会发生额外的用于将P+和P-相加的计数器的零点漂移。

由于稳定的原因，参考电压Uref必须至少具有值Qk/C1，其中Qk分别表示根据图3的电路的补偿电荷单位，或者在根据图6的电路中表示在补偿过程中输入端处传输的大体最小的电荷。

特别值得注意的是R2被选择为较低值的这一特殊情况，甚至为R2=0欧姆的极端情况。然后，补偿电荷Qk直接传到放大器输入端。电容C2和C3不再具有任何影响，并可被省略。电压U3假设近似于值U1，因此小得可以被忽略。

图4示出图3的电路图中的一部分，绘制为具有4个额外的元件。优选将开关S1和S2具体实施为半导体开关。如果这些开关的漏电流大得无法接受，则这些开关的漏电流可通过串联插入到这些开关中的高阻抗二极管D1和D2得以降低。通过电阻R3和R4使二极管正向偏压可较为有利，尤其是，如果R2具有高阻抗，则U3可获得显著偏离0V的值。这些电阻必须具有这样的阻抗，即该阻抗比二极管略微低，但又足够高得使流过其的Ik成分小得可以被忽略。在所示的实例中，只要U3不超过|11V|的值，此电路就一直工作。

示例性实施例

图5示出许多可行的示例性实施例的其中之一。在表示根据图3的原理电路的实施的这个实例中，（图3的）开关S1和S2被集成到电流源中。一方面，与门&1和&2两者将输出脉冲P+和P-输出，另一方面，与门&1和&2两者经由晶体管T1至T4控制电流源。在不同的情况下，通过一个放大器和一个晶体管，以已知的方式形成电流源。

六个晶体管在这里作为FET晶体管没有区别地被示出，而不考虑这些晶体管是结型FETs还是MOSFETs。

当两个与门&1和&2具有输出信号0时，晶体管Ti至T4导通，阻截T5和T6截止，因而，没有补偿电荷被生成。

补偿电荷Qk+的生成描述如下：如果在&1的两个输入端处存在正信号，则&1的输出电压不为0。&1应当被设计为使其输出电压为负。从而，自导通晶体管Ti截止，结果是，自截止晶体管T3也如此。在放大器V4的+输入端处，目前存在由分压器R9和R11形成的电压。因此，在电阻R13处，存在与在电阻R9处相同的电压，因而，通过此电阻的电流是理想的补偿电流。此电流流经晶体管T5；因此，在&1的打开时间到期后，补偿电荷Qk+流到电路网络R2、C2、C3中。

如果&2处的两个输入电压为正，则&2的输出电压不为0。&2应当被设计为使其输出电压为正。在T2、T4、V5以及T6处，然后以同样的方式发生补偿电荷Qk-的生成，但具有反号。

现有放大器的可变测量范围与所使用的电容C1的电容值成反比。然而，利用根据本发明的这一电荷放大器，由于仅需要一个电容起C1，从而大测量范围的转换现在变得可行。为了能够获得不同的测量范围而在具有不同电容值的不同电容C1.1、C1.2、C1.3……等之间进行的切换在这里是多余的，这是因为始终仅检测增量电荷。因此，对此电容C1，尤其对其绝缘性没有特殊限制。因为C1上的电压仅保持较短时间且没有幅值存在，所以经过C1的电荷损失可以忽略。因此，能够选择具有低电容值的电容C1。由于具有大电容值的电容体积非常大，因而还节省了空间。

此外，可完全除去R1。

从发明人的角度来讲，除本文在实例中使用的元件以外的其它元件的使用如果可导致同样的目的，则被认为是可替换的解决方案。

参考符号的列表

Q    电荷源（例如，压电测量传感器），或由此分别输出的电荷Q。

dQ/dt  由电荷源输出到放大器V1的电流。

Cq    电荷源、电缆以及放大器输入端的电容。

Rq    电荷源、电缆以及放大器输入端的绝缘电阻，

Rz    电源电缆电阻，如果放大器输出端供应到C1的电流不充足，或者如果C1为不理想的大，则可以通过固定电阻的串联连接人为地增加该电阻，以在电荷急剧上升时防止放大器V1的过激励（overdriving）。

Iof   放大器V1的偏置电流

Uoff  放大器V1的偏置电压

L1    总输入电流，dQ/dt+、Iof+、Iof/Rq。

U1    放大器V1处的输入电压

V1    高阻抗放大器。

C1    放大器V1的反馈电容。通常而言，其能够被选择得大体小于现有电荷放大器中的反馈电容。在尚未由补偿电路进行补偿，放大器V1未被过激励的情况下，其只需要足够大到能够吸收输入端处的电荷。

U2    放大器输出端处的电压；由于补偿电路的原因，其被反复设置为小于IUref1的值。

Uref+/Uref-  参考电压，在该参考电压处触发补偿电路进行工作。

V2、V3       放大器，其用作在U2与参考电压Uref之间进行比较的比较器。

G    脉冲发生器，其供应具有指定宽度和频率的脉冲。

&1、&2  与门，当两个输入端具有正信号时，该两个与门输出一正输出信号。这两个与门的输出端启动开关S1和S2。

&3、&4与门，其在V2或V3处的输出信号为正的情况下，将来自脉冲发生器G的脉冲切换通过输出端。

S1、S2开关，其切换补偿电流Ik+和Ik-；在图3的情况下，这些开关也将来自脉冲发生器G的脉冲切换通过输出端。

Ik+、Ik-明确指定的电流源，其每一个在脉冲发生器G的脉冲周期内，将精确的电荷Qk+或Qk-供应到电路网络R2、C2、C3。

R2、C2用来将补偿电荷传输到放大器输入端，由于误差电流只能够流经R2，因而R2必须被选择得足够低，以使最大的输入误差电流（Ioff+Uof/Rq）小于U3max/R2。

C3用于过滤补偿电荷中的阶跃（step）变化，从而稳定U3。为了不对输出信号具有较大的影响，C3被有利地选择为小于C2。

U3  C3上的电压；能够在整个允许的控制范围内改变。

用于经由发射器和接收器天线通过电性的、光学的、电感性的、电容性的或高频的装置输出脉冲P+和P-的两通道传输路径。

Z    用于相加P+和P-脉冲的计数器。该计数器被有利地设计为输出正负值。

D  数字计数器输出，并联或串联。

R  复位开关，用于对计数器进行调零。

S·启动开关，该开关用于启动计数过程。

Qk  确定测量装置的分辨率。如果要求例如1000阶（1%）中的分辨率，并且如果充分利用测量范围，则Qk必须至多为最大输入电荷的1/1000。因而，可由此选择值Ik及脉冲发生器G的脉冲宽度。

Claims (13)

1.一种电荷放大器电路，所述电荷放大器电路将由压电测量元件输出的正负电荷信号Q转换成数字信号D，所述数字信号D与所述测量元件处存在的测量值成比例，所述电荷放大器电路包括将所检测的电荷Q转换成电压U2的电荷放大器V1，所述电荷放大器V1具有电荷输入端和电压输出端，特征在于，包括两个输出端的补偿电路K连接在所述电荷放大器V1的所述电压输出端的下游，其中所述补偿电路K的第一输出端连接至所述电荷放大器V1的所述电荷输入端，以及所述补偿电路K的第二输出端连接至具有两个输入端Z+、Z-的计数器Z，以及其中，一方面，所述补偿电路K能够分别产生补偿电荷Qk+或Qk-，所述补偿电荷Qk+或Qk-与所述电压U2成比例，并且为了补偿所述输入信号Q，所述补偿电荷Qk+或Qk-能够通过所述第一输出端被传输到所述电荷放大器V1的所述电荷输入端，以及其中，另一方面，所述补偿电路能够产生多个与所产生的每一个补偿电荷Qk+或Qk-的大小成比例的脉冲P+、P-，并且所述多个脉冲能够通过所述第二输出端被传输到与特定补偿电荷Qk+或Qk-的符号相反的所述计数器Z的输入端Z-、Z+，其中与之前输入的所述电荷量的总和成比例的理想的数字信号D在所述计数器Z的所述输出端处为可用的。

2.根据权利要求1所述的电路，特征在于，所述补偿电路K包括用于生成增量脉冲P的脉冲发生器G，所述增量脉冲P的数量与所述放大器输入端处的电荷变化成比例。

3.根据权利要求2所述的电路，特征在于，两个与门&1、&2并联连接在所述脉冲发生器G的下游，所述与门还在其输入侧处与所述电荷放大器V1的所述输出端并联连接，每一个所述与门在其输出侧处分别连接至所述计数器的所述输入端Z-或Z+，其中，所述脉冲根据U2的符号通过所述门&1或通过所述门&2，并能够在所述计数器Z中的Z-或Z+处被检测到。

4.根据权利要求3所述的电路，特征在于具有两个补偿放大器V2、V3，所述两个补偿放大器V2、V3分别并联连接在所述电荷放大器V1的输出端与所述与门&1或&2之间。

5.根据前述权利要求中任何一个所述的电路，特征在于两个电流源Ik+、Ik-，所述两个电流源Ik+、Ik-用于生成所述补偿电荷Qk+和Qk-。

6.根据权利要求3或4以及5所述的电路，特征在于两个开关S1、S2，所述两个开关S1、S2中的每一个在所述电流源Ik+、Ik-的一个输出端的下游，所述两个开关S1、S2中的每一个还在其输入侧处连接至所述与门&1、&2的所述输出端的其中之一，其中所述开关S1、S2能够在脉冲持续时间内将来自所述电流源Ik+、Ik-的电流传输到所述电荷放大器V1的所述电荷输入端。

7.根据权利要求6所述的电路，特征在于二极管Dl、D2，所述二极管Dl、D2串联连接在所述开关S1、S2其中之一的下游。

8.根据权利要求4和5所述的电路，特征在于位于各所述电流源Ik+、Ik-的一个输出端的下游的两个开关S1、S2，所述两个开关S1、S2中的每一个在其输入侧处还连接至所述补偿放大器V2和V3的所述输出端的其中之一，以在所述补偿放大器V2的正输出电压的情况下，允许来自所述电流源Ik+的电流通过，或者在所述补偿放大器V3的负输出电压的情况下，允许来自所述电流源Ik-的电流通过。

9.根据前述权利要求中任何一个所述的电路，特征在于，晶体管或机械开关至少部分地用作开关。

10.根据前述权利要求中任何一个所述的电路，特征在于，所述计数器包括复位开关R和/或启动开关S，所述复位开关R用于使所述计数器复位为零，所述启动开关S用于启动所述计数过程。

11.根据前述权利要求中任何一个所述的电路，特征在于一种装置，所述装置能够使调制在载体上的或未调制的所述计数器脉冲电性地或通过电感的或电容的或光学的耦合器、或发射器和接收器天线被传输到所述计数器。

12.根据前述权利要求中任何一个所述的电路，特征在于，所述数字信号D是电压信号。

13.一种将正负电荷信号Q转换成数字信号D的方法，所述正负电荷信号Q由压电测量元件输出，所述数字信号D与所述测量元件处存在的测量值成比例，其特征在于具有以下步骤：电荷放大器Vl将所输入的电荷信号Q转换成模拟电压信号U2，所述电压信号U2被传到所述电荷放大器V1下游的补偿电路K中，一方面，所述补偿电路K分别产生与所述电压U2成比例的补偿电荷Qk+或Qk-，以补偿所述输入信号Q，并通过其第一输出端将所述补偿电荷Qk+或Qk-传输到所述电荷放大器V1的电荷输入端，另一方面，所述补偿电路K产生多个与所产生的每一个补偿电荷Qk+或Qk-的大小成比例的脉冲P+、P-，并通过其第二输出端将所述多个脉冲P+、P-传输到与特定的补偿电荷Qk+或Qk-的符号相反的所述计数器Z的输入端Z-、Z+，以及所述计数器将所述多个脉冲累加，并将各自的总和作为理想的数字信号D进行传输。

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