CN103066930B - 信号测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小斩波放大器输出纹波的电路，包括开关电容采样求和电路，所述开关电容采样求和电路包括第一开关电容电路、第二开关电容电路与求和电路，所述第二开关电容电路与所述第一开关电容电路并联且结构相同，所述第一开关电容电路与所述第二开关电容电路的输出端连接所述求和电路的输入端。在此还公开了一种测量装置以及测量放大信号的方法，使用所述的减小斩波放大器输出纹波的电路。本发明能降低斩波放大器输出纹波幅度，且不需要使用模拟低通滤波器，节约了功耗、面积，简化了电路的设计。

Description

信号测量方法

技术领域

本发明属于模拟电路设计领域，特别是涉及一种减小斩波放大器输出纹波的电路、测量装置及测量放大信号的方法。

背景技术

仪表放大器能够放大微弱的信号，是一种工作在低频、具有低噪声、低失调的高性能模拟电路，有广泛的应用。为了降低放大器自身的失调电压和低频噪声对输入信号的干扰，通常可以使用斩波的方法将输入信号先调制到高频，和放大器的低频干扰信号在频域上分离，输入信号放大后再调制回低频，与此同时低频干扰信号却被调制到高频，从而提高了放大器所能处理信号的精度。

但是，在如图1所示的典型信号测量电路中，放大器输出端存在的被调制到高频的干扰信号会和低频输出信号叠加，形成较大幅度的纹波，这往往需要截止频率很低的高阶低通滤波器将其滤除，然后再将滤波后的信号送入模数转换器（ADC），将模拟输出信号转换为数字输出信号。该滤波器对ADC而言起到抗混叠的作用。满足这种要求的滤波器实现起来十分困难和复杂。

经典开关电容采样求和电路（或称开关电容积分器）如图2所示。其中op-amp是运算放大器，C1和C2是电容器，4个开关在两相时钟φ1和φ2的控制下实现对输入信号vin的积分，得到输出信号vout，实现对信号的采样求和。

发明内容

本发明的目的在于提出一种减小斩波放大器输出纹波的电路。

另一目的在于提出具有该电路的测量装置。

又一目的在于提出一种测量放大信号的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种减小斩波放大器输出纹波的电路，包括开关电容采样求和电路，所述开关电容采样求和电路包括第一开关电容电路与求和电路，所述第一开关电容电路的输出端连接所述求和电路的输入端，所述开关电容采样求 和电路还包括与所述第一开关电容电路并联且结构相同的第二开关电容电路，所述第二开关电容电路的输出端连接所述求和电路的输入端。

所述第一开关电容电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第一电容器，所述第二开关电容电路包括第五开关、第六开关、第七开关、第八开关和第二电容器，所述第一开关的一端和所述第五开关的一端相连，所述第一开关的另一端与所述第一电容器的一端以及所述第二开关的一端相连，所述第二开关的另一端接交流地，所述第一电容器的另一端与所述第三开关的一端以及所述第四开关的一端相连，所述第三开关的另一端接交流地，所述第四开关的另一端与所述求和电路的输入端相连，所述第五开关的另一端与所述第二电容器的一端以及所述第六开关的一端相连，所述第六开关的另一端接交流地，所述第二电容器的另一端与所述第七开关的一端以及所述第八开关的一端相连，所述第七开关的另一端接交流地，所述第八开关的另一端与所述求和电路的输入端相连。

所述求和电路为积分器。

一种测量装置，包括斩波放大器和所述的减小斩波放大器输出纹波的电路。

一种测量装置，包括斩波放大器和模数转换器，还包括第一开关电容电路以及与所述第一开关电容电路并联且结构相同的第二开关电容电路，所述第一开关电容电路和所述第二开关电容电路的输入端连接所述斩波放大器的输出端，所述第一开关电容电路和所述第二开关电容电路的输出端连接所述模数转换器的第一级积分器的输入端。

一种测量放大信号的方法，使用所述的减小斩波放大器输出纹波的电路，所述方法包括以下步骤：

对于一个斩波周期，在第一个1/4斩波周期的时间内，控制第一开关电容电路的开关动作，将该抽样时刻获得的信号和纹波存储在第一开关电容电路的电容器上；

在第三个1/4斩波周期的时间内，控制第二开关电容电路的开关动作，将该抽样时刻获得的信号和纹波存储在第二开关电容电路的电容器上；

在第四个1/4斩波周期的时间内，控制第一开关电容电路和第二开关电容电路的开关动作，将存储在第一开关电容电路和第二开关电容电路的电容器上的电压通过电荷转移实现相加。

一种测量放大信号的方法，使用所述的减小斩波放大器输出纹波的电路，所述方法包括以下步骤：

对于一个斩波周期，在第一个1/4斩波周期的时间内，控制第一开关和第三开关闭合，将该抽样时刻获得的信号和纹波存储在第一电容器上；

在第三个1/4斩波周期的时间内，控制第五开关和第七开关闭合，将该抽样时刻获得的信号和纹波存储在第二电容器上；

在第四个1/4斩波周期的时间内，控制第二开关、第四开关、第六开关和第八开关闭合，将存储在第一电容器和第二电容器上的电压通过电荷转移实现相加。

本发明的有益技术效果：

通过在斩波放大器后设置两路并联的开关电容电路，控制开关电容电路的时序，可以利用积分器的模拟加法功能对斩波放大器输出信号中的残余纹波进行一阶整形（电压求平均），从而降低纹波幅度，削弱其对于模数转换器转换精度的影响。该电路不需要斩波放大器和模数转换器之间的模拟低通滤波器，节约了功耗、面积，简化了电路的设计。具体来说，包括以下几个突出优点：

其一，不需要使用低通滤波器，从而降低了整体电路的功耗和面积。

其二，开关电容采样求和电路中的积分器可利用模数转换器中的第一级积分器实现，既不增加电路设计的复杂度，又不额外消耗面积和功耗。

其三，本发明提出的电路其工作频率就是斩波频率，不需要其他的参考频率，且采样求和电路对其中运放的指标要求较低，运放容易实现。

附图说明

图1是传统结构的信号放大及模数转换电路；

图2是经典积分器的原理图；

图3是本发明消除斩波残留纹波的原理性说明；

图4是本发明实施例的减小斩波放大器输出纹波的电路的原理图；

图5是图4中时钟信号的工作时序图；

图6是图4的简化表示；

图7是本发明实施例的测量装置的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对减小斩波放大器输出纹波的电路的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图3是斩波放大器输出信号及其上叠加的纹波信号的示意图。图中VS表示输出信号，三角波形状的Vch表示在放大器输出端残留的纹波信号， 其频率表示为fch。由于斩波信号的频率fch远远高于输出信号的频率，因此在一个斩波周期Tch内，输出信号VS基本不变，而纹波信号Vch相对于输出信号VS呈上下对称的分布。根据这一特点，在一个斩波周期Tch内对包含输出信号VS和纹波信号Vch的总信号采样两次，采样间隔为Tch/2，则如图3例，第一次采样的输出为公式（1），第二次采样的输出为公式（2），两次采样求和后的输出为公式（3）。

VA＝VS+ΔV   （1）

VB＝VS-ΔV   （2）

VA+VB＝VS+ΔV+VS-ΔV＝2VS   （3）

从公式（3）可见，通过对两次采样电压VA和VB求和，可以消除纹波，保留输出信号。发明人注意到，在一个斩波周期Tch内，纹波相对于输出信号是对称分布的，因此只要是间隔Tch/2的两次采样，其求和结果都满足公式（3），而和采样的时刻无关。

请参阅图4，在一个实施例里，一种减小斩波放大器输出纹波的电路，包括开关电容采样求和电路，所述开关电容采样求和电路包括第一开关电容电路、第二开关电容电路与求和电路，第二开关电容电路与所述第一开关电容电路并联且结构相同，第一开关电容电路、第二开关电容电路的输出端连接所述求和电路的输入端。

如图4所示，优选地，所述第一开关电容电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关（按图中从左至右的方向）和第一电容器C11，所述第二开关电容电路包括第五开关、第六开关、第七开关、第八开关（按图中从左至右的方向）和第二电容器C12，所述第一开关的一端和所述第五开关的一端相连，所述第一开关的另一端与所述第一电容器C11的一端以及所述第二开关的一端相连，所述第二开关的另一端接交流地，所述第一电容器C11的另一端与所述第三开关的一端以及所述第四开关的一端相连，所述第三开关的另一端接交流地，所述第四开关的另一端与所述求和电路的输入端相连，所述第五开关的另一端与所述第二电容器C12的一端以及所述第六开关的一端相连，所述第六开关的另一端接交流地，所述第二电容器C12的另一端与所述第七开关的一端以及所述第八开关的一端相连，所述第七开关的另一端接交流地，所述第八开关的另一端与所述求和电路的输入端相连。

第一开关电容电路及第二开关电容电路中开关、电容的具体数量和连接形式并不限于上述例子，只要是能实现与经典的开关电容电路同样的采样功能即可。

如图4所示，所述求和电路可以是积分器。典型地，该积分器可包括一个运放op-amp和一个电容器C2。两条相同的开关电容电路并联在运放op-amp的输入端。

在所述开关电容采样求和电路的基础上，实现对一个斩波周期Tch内的信号进行两次采样并求和。如图4所示，第一开关电容电路的开关所对应的控制时钟为φ1和φ3，第二开关电容电路的开关所对应的控制时钟为φ2和φ3，φ1、φ2、φ3的时序关系如图5所示。对于一个斩波周期Tch，在第一个1/4斩波周期的时间内，φ1有效（图中φ1为高电平表示有效），使得φ1控制的开关闭合，从而将该抽样时刻获得的信号和纹波V(φ1)存储在电容C11上；在第三个1/4斩波周期的时间内，φ2有效（图中φ2为高电平表示有效），且φ1和φ2恰好间隔Tch/2，φ2控制对应的开关闭合，从而将该抽样时刻获得的信号和纹波V(φ2)存储在电容器C12上；在第四个1/4斩波周期的时间内，φ3有效（图中φ3为高电平表示有效），φ3控制对应的开关闭合，这时存储在电容器C11上的电压V(φ1)和存储在电容器C12上的电压V(φ2)通过电荷转移实现相加，如果电容器C11和电容器C12相等，且根据上文中的原理分析，则V(φ1)+V(φ2)的输出信号中只保留了低频的有用信号，而消除了高频的纹波信号。

图4中的电路使用了一个积分器，图4可以简化为图6来表示。

在测量装置的一个实施例里，当斩波放大器的输出需要通过ADC转变为数字信号的时候，可以将斩波放大器的输出送入图6所示的开关电容采样求和电路，而图6中的积分器恰好就可以使用模数转换器例如sigma-delta ADC中固有的第一级积分器。这样斩波放大器、开关电容采样求和电路、sigma-delta ADC可以直接级联，斩波放大器和ADC之间不需要低通滤波器。

图7是测量装置的一个实施例的电路原理框图。斩波放大器和开关电容采样求和电路级联，而采样求和电路中的运算放大器就是后面sigma-delta ADC中的第一级积分器，该积分器的输出再送给ADC的后级电路。在该实施例中，第二开关和第四开关的另一端接ADC的反馈信号Vref（也是交流地）。

由上述说明可知，本发明实施例的电路不需要低通滤波器，具有面积小、功耗低的特点。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种测量放大信号的方法，其特征在于，使用一种减小斩波放大器输出纹波的电路，所述电路包括开关电容采样求和电路，所述开关电容采样求和电路包括第一开关电容电路与求和电路，所述第一开关电容电路的输出端连接所述求和电路的输入端，其特征在于,所述开关电容采样求和电路还包括与所述第一开关电容电路并联且结构相同的第二开关电容电路，所述第二开关电容电路的输出端连接所述求和电路的输入端，所述方法包括以下步骤：

对于一个斩波周期，在第一个1/4斩波周期的时间内，控制第一开关电容电路的开关动作，将该时间内获得的信号和纹波存储在第一开关电容电路的电容器上；

在第三个1/4斩波周期的时间内，控制第二开关电容电路的开关动作，将该时间内获得的信号和纹波存储在第二开关电容电路的电容器上；

在第四个1/4斩波周期的时间内，控制第一开关电容电路和第二开关电容电路的开关动作，将存储在第一开关电容电路和第二开关电容电路的电容器上的电压通过电荷转移实现相加。

2.如权利要求1所述的测量放大信号的方法，其特征在于，所述第一开关电容电路包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第一电容器，所述第二开关电容电路包括第五开关、第六开关、第七开关、第八开关和第二电容器，所述第一开关的一端和所述第五开关的一端相连，所述第一开关的另一端与所述第一电容器的一端以及所述第二开关的一端相连，所述第二开关的另一端接交流地，所述第一电容器的另一端与所述第三开关的一端以及所述第四开关的一端相连，所述第三开关的另一端接交流地，所述第四开关的另一端与所述求和电路的输入端相连，所述第五开关的另一端与所述第二电容器的一端以及所述第六开关的一端相连，所述第六开关的另一端接交流地，所述第二电容器的另一端与所述第七开关的一端以及所述第八开关的一端相连，所述第七开关的另一端接交流地，所述第八开关的另一端与所述求和电路的输入端相连，所述方法包括以下步骤：

对于一个斩波周期，在第一个1/4斩波周期的时间内，控制第一开关和第三开关闭合，将该时间内获得的信号和纹波存储在第一电容器上；

在第三个1/4斩波周期的时间内，控制第五开关和第七开关闭合，将该时间内获得的信号和纹波存储在第二电容器上；

在第四个1/4斩波周期的时间内，控制第二开关、第四开关、第六开关和第八开关闭合，将存储在第一电容器和第二电容器上的电压通过电荷转移实现相加。