CN103066926B - 用于积分电路的自动数字稳零电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及运算放大器自动稳零技术，具体涉及一种用于积分电路的自动数字稳零电路。它包括被稳零的放大器，所述放大器输出端连接采样电路的输入端，所述采样电路的输出端连接单片机控制电路的输入端，单片机控制电路的控制端连接控制开关，所述控制开关的第一触头与积分电容连接，所述积分电容另一端连接所述放大器输出端，控制开关的第二触头连接所述放大器输出端，控制开关的第三触头连接所述放大器的负输入端。本发明有效地改善了原人工调零技术的稳零效果，根据不同的测试结果，放大器零漂可减小到人工调零后的五分之一以下，而且本发明在放大器正常工作时不对放大器输出端构成负载影响。

Description

用于积分电路的自动数字稳零电路
技术领域
本发明涉及运算放大器自动稳零技术，具体涉及一种用于积分电路的自动数字稳零电路。
背景技术
以模拟运算放大器为例，当放大器输入端无信号输入时，输出端的输出电压U0即为该运放在该温度下的零点漂移电压。对于理想放大器来说，任何时候U0都应该为零，但是在实际情况中，放大器不接任何输入时，输出端往往有缓慢变化电压输出，也就是温度漂移，或零点漂移。
温度漂移主要是由温度对三极管的影响造成的。温度的变化会使三极管的静态工作点发生微小而缓慢的变化，这种变化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移。
小信号运算放大器，或含有积分等对时间变量有一定需求的应用运算放大器的情况，对温度漂移(电压)，电压稳定性(时间)等有很高的要求；缺乏自动稳零功能的含运算放大器的精密电路对应用环境具有较高的要求(特别是环境温度)，长期稳定性需要系统自动稳定功能来实现。因此，有必要用自动数字稳零电路对某些情况下的运算放大器进行自动稳零，即自动零漂抑制，以有效改善电压漂移对输出的影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的不足，提供一种用于积分电路的自动数字稳零电路，以有效改善电压漂移对输出的影响。
本发明采用的技术方案是：一种用于积分电路的自动数字稳零电路，包括被稳零的放大器，所述放大器输出端连接采样电路的输入端，所述采样电路的输出端连接单片机控制电路的输入端，单片机控制电路的控制端连接控制开关，所述控制开关的第一触头与积分电容连接，所述积分电容另一端连接所述放大器输出端，控制开关的第二触头连接所述放大器输出端，控制开关的第三触头连接所述放大器的负输入端。
进一步地，所述采样电路包括电阻器Ra1、电阻器Rb0、电阻器Rb1、电阻器Rb2和滑动变阻器，电阻器Ra1一端连接放大器输出端，另一端连接电阻器Rb0；电阻器Rb0另一端连接单片机控制电路的正输入端；电阻器Rb1一端连接到电阻器Ra1和电阻器Rb0之间的节点，另一端与滑动变阻器的滑动触头连接；滑动变阻器一端Rc1连接正电源，另一端Rc0连接电阻器Rb2；电阻器Rb2另一端连接单片机控制电路的负输入端。
进一步地，所述单片机控制电路的输出端连接补偿电路，补偿电路的输出端连接所述放大器的负输入端。
更进一步地，所述补偿电路包括电阻器R3、电阻器R410、电阻器R411、电阻器R42和电阻器R5，所述电阻器R3连接单片机控制电路的负输入端；电阻器R410、电阻器R411分别连接单片机控制电路的两输出端，另一端连接电阻器R5和电阻器R42；电阻器R42另一端连接负电源，电阻器R5另一端连接单片机控制电路的负输入端。
上述依次连接的被稳零运算放大器、采样电路、单片机控制电路、补偿电路构成自动稳零环路：当被稳零放大器处于零输入状态时，微小的温度漂移电压会在积分电容上逐渐积累至达到单片机控制电路对采样A/D所设置的门限，门限由单片机控制电路逻辑控制，可人为设定；此时单片机控制电路会驱使控制开关闭合，积分电容放电，并且根据控制逻辑相应地对补偿电压进行调整，使得放大器得以始终工作在温度漂移被抑制的状态。
当测量信号到来时，所述单片机控制电路需要同时给出SWITCH＝0信号，以停止稳零(通过单片机控制电路控制模拟开关同时断开电容与短路回路)并进行工作，直至工作结束，再次开始稳零，期间补偿电压不发生变化。
本发明用于积分电路的自动数字稳零电路技术的有益效果如下：
1、实现一般模拟运放的自动数字稳零。其中由电流型D/A实现的电压补偿部分可提供超过±30uV的电压补偿。
2、利用24位高精度A/D实现电压采样，偏移电压门限值可人为设定。
3、放大器正常工作时，稳零电路不对放大器输出端构成负载影响。
4、本发明应用于AD8639斩波自稳零芯片(零点漂移范围±23uV)，根据不同温度的测试结果，温漂可减小到人工调零后的五分之一以下，有效地改善了原人工调零技术的稳零效果。
附图说明
图1为本发明的原理结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明:
如图1所示，本发明包括被稳零的放大器AD8639，运算放大器已经采用斩波自稳零技术，使得放大器本身零漂小于±23uV。放大器输出端连接采样电路的输入端，采样电路的输出端连接单片机控制电路的正负输入端，单片机控制电路采用C8051F350单片机芯片，其正负输入端即AIN0与AIN1脚。C8051F350单片机芯片的控制端即P0口连接控制开关，输出端即P1口连接由电流型D/A实现补偿电压的补偿电路的输入端，补偿电路的输出端连接所述放大器的负输入端。控制开关的第一触头与积分电容连接，积分电容另一端连接所述放大器输出端，控制开关的第二触头连接所述放大器输出端，控制开关的第三触头连接所述放大器的负输入端。
采样电路包括电阻器Ra1、电阻器Rb0、电阻器Rb1、电阻器Rb2和滑动变阻器，电阻器Ra1一端连接放大器输出端，另一端连接电阻器Rb0；电阻器Rb0另一端连接单片机控制电路的正输入端；电阻器Rb1一端连接到电阻器Ra1和电阻器Rb0之间的节点，另一端与滑动变阻器的滑动触头连接；滑动变阻器一端Rc1连接+5V正电源，另一端Rc0连接电阻器Rb2；电阻器Rb2另一端连接单片机控制电路的负输入端。图1中被稳零运放输出端输出电压范围为±5V，而C8051F350单片机芯片的A/D正负输入端电压差需小于VREF(比较电压VREF＝2.4301V)，故而采取采样电路将A/D正负端输入电压差限制在±1.25V以内，且正输入端电压范围为0-2.5V，对地；负输入端电压约为1.25V。
补偿电路包括电阻器R3、电阻器R410、电阻器R411、电阻器R42和电阻器R5，所述电阻器R3连接单片机控制电路的负输入端；电阻器R410、电阻器R411分别连接单片机控制电路的两输出端，另一端连接电阻器R5和电阻器R42；电阻器R42另一端连接-5V负电源，电阻器R5另一端连接单片机控制电路的负输入端。图1中IDA0(0-2mA)、IDA1(0-0.25mA)两路8位电流型D/A输出的信号经由补偿电路合成，形成11位电流型D/A，并经由R5与R3之间输出补偿电压信号±30uV。
C8051F350芯片内置ADC的最小检测门限为VW≥200uV。
上述依次连接的被稳零运算放大器、采样电路、单片机控制电路、补偿电路构成自动稳零环路：当被稳零放大器处于零输入状态时，微小的温度漂移电压会在积分电容上逐渐积累至达到单片机控制电路对采样A/D所设置的门限，门限由单片机控制电路逻辑控制，可人为设定；此时单片机控制电路会驱使控制开关闭合，积分电容放电，并且根据控制逻辑相应地对补偿电压进行调整，使得放大器得以始终工作在温度漂移被抑制的状态。
当测量信号到来时，所述单片机控制电路需要同时给出SWITCH＝0信号，以停止稳零(通过单片机控制电路控制模拟开关同时断开电容与短路回路)并进行工作，直至工作结束，再次开始稳零，期间补偿电压不发生变化。
自动数字稳零电路采用接入积分电容的方式，通过时间积累，将微小的温漂电压线性地积累于积分电容上，从而达到可精确测量的目的。积分电容两端的电压： u c = - 1 R 01 C ∫ 0 t u in ( t ) dt
其中，uc为积分电容电压、uin(t)为输入电压、uin为温漂电压、R01为输入端所串电阻、C为积分电容、T为积分时间限、VW为ADC检测门限、Vin为可接受的温漂门限值。
当被稳零放大器零输入时，上式中，uin(t)＝漂移电压(uin)。
故而漂移电压可通过控制开关短路后经过的时间t和此时刻电容两端电压uc反映出来。从本自动数字稳零电路的逻辑部分来看，即通过调整采样触发门限电压和时间计数器的门限数值来确定可接受的漂移电压范围Vin： V in = - R 01 C T V w
例如，本电路中默认设置VW＝800uV，T＝1000s，R01＝348Ω，C＝1uF时，Vin＝0.28uV。
所述11位DAC的输出电流经补偿电路转换和分压，单步调节步长为0.2uV，满足调节需要。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明，但并非限制本发明的保护范围。任何没有脱离本发明实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于积分电路的自动数字稳零电路，包括被稳零的放大器，其特征在于：所述放大器输出端连接采样电路的输入端，所述采样电路的输出端连接单片机控制电路的输入端，单片机控制电路的控制端连接控制开关，所述控制开关的第一触头与积分电容C连接，所述积分电容C另一端连接所述放大器输出端，控制开关的第二触头连接所述放大器输出端，控制开关的第三触头连接所述放大器的负输入端，所述单片机控制电路的输出端连接补偿电路，补偿电路的输出端连接所述放大器的负输入端。
2.根据权利要求1所述的用于积分电路的自动数字稳零电路，其特征在于：所述采样电路包括电阻器Ra1、电阻器Rb0、电阻器Rb1、电阻器Rb2和滑动变阻器，电阻器Ra1一端连接放大器输出端，另一端连接电阻器Rb0；电阻器Rb0另一端连接单片机控制电路的正输入端；电阻器Rb1一端连接到电阻器Ra1和电阻器Rb0之间的节点，另一端与滑动变阻器的滑动触头连接；滑动变阻器一端Rc1连接正电源，另一端Rc0连接电阻器Rb2；电阻器Rb2另一端连接单片机控制电路的负输入端。
3.根据权利要求1所述的用于积分电路的自动数字稳零电路，其特征在于：所述补偿电路包括电阻器R3、电阻器R410、电阻器R411、电阻器R42和电阻器R5，所述电阻器R3连接单片机控制电路的负输入端；电阻器R410、电阻器R411分别连接单片机控制电路的两输出端，另一端连接电阻器R5和电阻器R42；电阻器R42另一端连接负电源，电阻器R5另一端连接单片机控制电路的负输入端。
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