CN103529096A - 氧分压传感器信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氧分压传感器信号处理电路，包括产生电源信号的电源产生电路、信号放大电路、泵驱动电路。信号放大电路分别与氧分压传感器和电源产生电路相连接并将氧分压传感器的输出信号放大为放大电压信号；泵驱动电路包括比较电路、单片机、泵电流控制电路；比较电路中输入两个不同的比较电压及放大电压信号，放大电压信号分别与两个比较电压相比较并输出两路结果信号，单片机根据两路结果信号产生单片机输出信号，泵电流控制电路的输出端与氧分压传感器中泵电流的输入端相连接，泵电流控制电路根据单片机输出信号产生泵电流。本发明电路结构简单，能够增强抗干扰能力和适应性能并增加了其可行性，能够更加精确的计算氧分压值以供需要。

Description

氧分压传感器信号处理电路

技术领域

本发明涉及一种用于对氧分压传感器的输出信号进行处理的电路。

背景技术

在航空、农业、工业、供暖等领域中，通常需要通过调节氧气浓度来实现预定目标或减少能量消耗的目的，如飞机机内氧气生成系统的控制、汽车尾气测量、锅炉内氧气含量的调整等都需要通过调节氧气浓度来达成目的。而在氧气测量时调节仪器中氧分压传感器信号处理电路无疑是非常重要的。但当今氧分压传感器信号处理电路或者硬件电路复杂，或者测量精度不高，或者无法精确地控制泵电流的正反向切换，所以发明一种硬件结构简单，且测量精度高的氧分压传感器信号处理电路是非常必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电路结构简单且精度较高的氧分压传感器信号处理电路，以适应对氧气浓度的测量、监测和控制的需求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种氧分压传感器信号处理电路，与氧分压传感器相连接并对氧分压传感器的输出信号进行处理以控制输入氧分压传感器的泵电流，其包括

电源产生电路，所述的电源产生电路产生电源信号输出；

信号放大电路，所述的信号放大电路分别与氧分压传感器的输出端和所述的电源产生电路的输出端相连接，所述的信号放大电路将所述的氧分压传感器的输出端的输出信号放大为放大电压信号输出；

泵驱动电路，所述的泵驱动电路包括与所述的信号放大电路相连接的比较电路、与所述的比较电路相连接的单片机、与所述的单片机相连接的泵电流控制电路；所述的比较电路中输入有两个不同的比较电压以及所述的放大电压信号，所述的放大电压信号分别与两个所述的比较电压相比较并分别根据比较结果输出两路结果信号至所述的单片机中，所述的单片机根据两路所述的结果信号产生单片机输出信号输出至所述的泵电流控制电路中，所述的泵电流控制电路的输出端与氧分压传感器中输入泵电流的输入端相连接，所述的泵电流控制电路根据所述的单片机输出信号产生泵电流。

上述方案中，当所述的放大电压信号小于或等于两个所述的比较电压中较小的比较电压时，两路所述的结果信号均输出高电平，所述的单片机输出信号输出低电平，通过所述的泵电流控制电路产生由所述的泵电流控制电路的输出端流向氧分压传感器中输入泵电流的输入端的正向泵电流，从而使得氧分压传感器的输出信号呈上升趋势；当所述的放大电压信号上升到大于或等于两个所述的比较电压中较大的比较电压时，两路所述的结果信号均输出低电平，所述的单片机输出信号输出高电平，通过所述的泵电流控制电路产生由氧分压传感器中输入泵电流的输入端流向所述的泵电流控制电路的输出端的负向泵电流，从而使得氧分压传感器的输出信号呈下降趋势。

优选的，所述的电源产生电路包括与外接电源相连接的运算放大器；外接电源与地之间串接有第一电阻和第二电阻，所述的运算放大器的同相输入端与所述的第一电阻和第二电阻的共用端相连接，所述的第二电阻的两端并接有第一电容，所述的运算放大器的输出端与其反相输出端共接，所述的运算放大器的输出端与地之间连接有第二电容，所述的运算放大器的输出端为所述的电源产生电路的输出端，所述的运算放大器的正电源端与电源相连接，所述的运算放大器的正电源端与地之间连接有第三电容，所述的运算放大器的负电源端接地。

优选的，所述的信号放大电路包括运算放大芯片，所述的运算放大芯片的第一引脚与第八引脚之间连接有串接的第三电阻和第四电阻，所述的第三电阻和所述的第四电阻的共用端与外接电源相连接，所述的运算放大芯片的第二引脚经第五电阻后分别与所述的氧分压传感器的共用端和所述的电源产生电路的输出端相连接，所述的运算放大芯片的第三引脚经第六电阻后与所述的氧分压传感器的输出端相连接，所述的运算放大芯片的第六引脚连接第七电阻后形成所述的信号放大电路的输出端，所述的信号放大电路的输出端与地之间连接有第四电容，所述的运算放大芯片的第二引脚和第六引脚之间还连接有并接的第五电容和第八电阻。

优选的，所述的运算放大芯片的第四引脚接地，所述的运算放大器的第七引脚与外接电源相连接，所述的运算放大器的第七引脚与地之间连接有第六电容。

优选的，所述的比较电路包括双比较芯片，所述的双比较芯片的第二引脚和第六引脚分别输入所述的放大电压信号，所述的双比较芯片的第三引脚和第五引脚分别输入两个所述的比较电压，所述的双比较芯片的第一引脚和第七引脚为所述的双比较芯片的两个输出端并分别输出两路所述的结果信号。

优选的，所述的双比较芯片的两个输出端分别经第九电阻和第十电阻与电源相连接，所述的双比较芯片的第四引脚接地，所述的双比较芯片的第八引脚与外接电源相连接。

优选的，所述的双比较芯片的第三引脚与相串接的第十一电阻和第一稳压二极管的共用端相连接，所述的第十一电阻的另一端与外接电源相连接，所述的第一稳压二极管的另一端接地。

优选的，所述的泵电流控制电路包括第十二电阻、第十三电阻、第二稳压二极管、第一三极管和第二三极管和第十四电阻；

所述的第十二电阻的一端和所述的第十三电阻的一端共同与所述的单片机的输出端相连接，所述的第十二电阻的另一端经所述的第二稳压二极管与所述的第一三极管的基极相连接，所述的第一三极管的发射极与外接电源相连接，所述的第十三电阻的另一端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第一三极管的集电极与所述的第二三极管的集电极相连接并经所述的第十四电阻后与氧分压传感器中输入泵电流的输入端相连接，所述的第二三极管的发射极接地。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的信号处理电路结构简单，能够增强抗干扰能力和适应性能并增加了其可行性，能够更加精确的计算氧分压值以供需要。

附图说明

附图1为氧分压传感器的输出信号与其泵电流之间的关系示意图。

附图2为本发明的氧分压传感器信号处理电路的原理框图。

附图3为不烦你的氧分压传感器信号处理电路的电源产生电路的电路图。

附图4为本发明的氧分压传感器信号处理电路的信号放大电路的电路图。

附图5为本发明的氧分压传感器信号处理电路的比较电路的电路图。

附图6为本发明的氧分压传感器信号处理电路的泵电流控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：氧分压传感器具有PUMP端，该PUMP端输入有泵电流，即氧分压传感器的PUMP端即为其输入泵电流的输入端。而氧分压传感器的输出信号S与泵电流之间的关系如附图1所示，当氧分压传感器的泵电流为正（泵电流由外部电路流入氧分压传感器的PUMP端）时，氧分压传感器的输出信号S逐渐增大；当氧分压传感器的泵电流为负（泵电流由氧分压传感器的PUMP端流出到外部电路）时，氧分压传感器的输出信号S逐渐减小。因氧分压传感器的特性，氧分压传感器的输出信号S的周期与氧分压传感器周围的被测气体中氧分压值呈线性关系，故通过对氧分压传感器的输出信号S的周期进行测量即计算可获知氧分压值。

一种氧分压传感器信号处理电路，与氧分压传感器相连接并对氧分压传感器的输出信号进行处理以控制输入氧分压传感器的泵电流，从而精确地获得周期性信号。

该氧分压传感器信号处理电路包括电源产生电路、信号放大电路和泵驱动电路，如附图2所示，其中，泵驱动电路包括比较电路、单片机和泵电流控制电路。

参见附图3所示，电源产生电路包括与+12V的外接电源相连接的运算放大器U2A。+12V外接电源与地之间串接有第一电阻R1和第二电阻R2，运算放大器U2A的同相输入端（3脚）与第一电阻R1和第二电阻R2的共用端相连接，第二电阻R2的两端并接有第一电容C1，运算放大器U2A的输出端（1脚）与其反相输出端（2脚）共接，运算放大器U2A的输出端（1脚）与地之间连接有第二电容C2，运算放大器U2A的输出端（1脚）为电源产生电路的输出端，运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连接，运算放大器U2A的正电源端与地之间连接有第三电容C3，运算放大器U2A的负电源端接地。该电源产生电路中，第一电阻R1的阻值与第二电阻R2的阻值相等，即R1=R2，由第一电阻R1和第二电阻R2对+12V输入电压进行分压，所以运算放大器U2A的同相输入端（3脚）处的电压为6V，因“虚短”原理，运算放大器U2A的反相输入端（2脚）的电压也是6V，因运算放大器U2A的输出端（1脚）和反相输入端（2脚）直接相连，所以运算放大器U2A输出的也是6V电压。电源产生电路产生6V的电源信号输出，其电路如此设计的好处是增大输入阻抗，减小对后续电路的影响。

信号放大电路分别与氧分压传感器的输出端和电源产生电路的输出端相连接，其将氧分压传感器的输出端的输出信号放大为放大电压信号Signal输出。参见附图4所示，信号放大电路包括运算放大芯片U1，运算放大芯片U1的第一引脚与第八引脚之间连接有串接的第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3和第四电阻R4的共用端与+12V外接电源相连接，运算放大芯片U1的第二引脚经第五电阻R5后分别与氧分压传感器的共用端C和电源产生电路的输出端相连接，运算放大芯片U1的第三引脚经第六电阻R6后与氧分压传感器的输出端相连接，运算放大芯片U1的第六引脚连接第七电阻R7后形成信号放大电路的输出端，信号放大电路的输出端与地之间连接有第四电容C4，运算放大芯片U1的第二引脚和第六引脚之间还连接有并接的第五电容C5和第八电阻R8，运算放大芯片U1的第四引脚接地，运算放大器U2A的第七引脚与+12V外接电源相连接，运算放大器U2A的第七引脚与地之间连接有第六电容C6。该信号放大电路的运算放大芯片U1采用差动放大器，将氧分压传感器输出信号S和氧分压传感器共用端C之间的差分信号进行放大，由第三电阻R3和第四电阻R4调整差分放大器的偏置电压，达到零输入时实现零输出的目的。由第八电阻R8调节差分放大器的放大系数，使获得的放大电压信号Signal便于后续的采集电路进行检测。由于氧分压传感器输出信号的周期与氧分压值成线性关系，所以根据氧分压传感器的输出信号周期，可以计算出氧分压传感器周围被测气体的氧分压值。通过该信号放大电路，能够对氧分压传感器输出信号进行放大，减少了噪声对信号的干扰，放大后的信号更直观，能测量出更准确的周期，从而计算出更精确的氧分压值，且放大后的信号更容易采集，依托放大信号设计出的泵驱动电路更精确、更容易实施。

泵驱动电路中，比较电路与信号放大电路相连接，单片机与比较电路相连接，泵电流控制电路与单片机相连接，泵电流控制电路的输出与氧分压传感器中输入泵电流的PUMP端相连接。

比较电路中输入有两个不同的比较电压以及放大电压信号Signal，放大电压信号Signal分别与两个比较电压相比较并分别根据比较结果输出两路结果信号。电路设计者可以根据不同的环境设置不同的比较电压，大大增强了电路的适应能力。具体的，参见附图5所示，比较电路包括双比较芯片U3。双比较芯片U3的第二引脚和第六引脚分别输入信号放大电路输出的放大电压信号Signal，双比较芯片U3的第三引脚和第五引脚分别输入两个比较电压，双比较芯片U3的第一引脚和第七引脚为双比较芯片U3的两个输出端并分别输出两路结果信号，双比较芯片U3的这两个输出端分别经第九电阻R9和第十电阻R10与+5V电源相连接，双比较芯片U3的第四引脚接地，双比较芯片U3的第八引脚与外接电源相连接。双比较芯片U3的第三引脚与相串接的第十一电阻R11和第一稳压二极管D1的共用端相连接，第十一电阻R11的另一端与+12V外接电源相连接，第一稳压二极管D1的另一端接地。在本实施例中，比较电路中设置了两个分别为6V和8.7V的比较电压，并分别由双比较芯片U3的第五引脚和第三引脚输入，二者分别与放大电压信号Signal做比较，输出比较的结果信号I/O1、I/O2送给单片机进行统计、归纳，并根据放大电压信号Signal的变化趋势输出单片机输出信号I/O3至泵电流控制电路中。

泵电流控制电路的输出端与氧分压传感器中输入泵电流的PUMP端相连接，泵电流控制电路根据单片机输出信号产生泵电流。参见附图5所示，泵电流控制电路包括第十二电阻R12、第十三电阻R13、第二稳压二极管D2、第一三极管Q1和第二三极管Q2和第十四电阻R14。第十二电阻R12的一端和第十三电阻R13的一端共同与单片机的输出端相连接，第十二电阻R12的另一端经第二稳压二极管D2与第一三极管Q1的基极相连接，第一三极管Q1的发射极与+12V外接电源相连接，第十三电阻R13的另一端与第二三极管Q2的基极相连接，第一三极管Q1的集电极与第二三极管Q2的集电极相连接并经第十四电阻R14后成为泵电流控制电路的输出端，即OUT端并与氧分压传感器中输入泵电流的PUMP端相连接，第二三极管Q2的发射极接地。

上述泵驱动电路的驱动原理为：当放大电压信号Signal小于或等于两个比较电压中较小的比较电压，即6V时，两路结果信号I/O1、I/O2均输出高电平，单片机输出信号I/O3则输出低电平。此时，泵电流控制电路中第二三极管Q2阻断，第一三极管Q1导通，泵电流从OUT端流向PUMP端，对应附图1中的正向泵电流，从而使得氧分压传感器的输出信号以及其放大后的放大电压信号Signal呈上升趋势。当放大电压信号Signal上升到大于或等于两个比较电压中较大的比较电压，即8.7V时，两路结果信号I/O1、I/O2均输出低电平，单片机输出信号I/O3输出高电平。此时，第一三极管Q1阻断，第二三极管Q2导通，泵电流从PUMP端流向OUT端，对应附图1中的负向泵电流，从而使得氧分压传感器的输出信号及其放大后的放大电压信号Signal呈下降趋势。当放大电压信号Signal的电压再次下降到6V时，结果信号I/O1、I/O2都输出高电平，此时单片机输出信号I/O3为低电平，产生正向泵电流，使放大电压信号Signal呈上升趋势。如此循环，可实现泵电流的正反向切换功能，不断产生周期信号放大电压信号Signal。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种氧分压传感器信号处理电路，与氧分压传感器相连接并对氧分压传感器的输出信号进行处理以控制输入氧分压传感器的泵电流，其特征在于：其包括

电源产生电路，所述的电源产生电路产生电源信号输出；

信号放大电路，所述的信号放大电路分别与氧分压传感器的输出端和所述的电源产生电路的输出端相连接，所述的信号放大电路将所述的氧分压传感器的输出端的输出信号放大为放大电压信号输出；

泵驱动电路，所述的泵驱动电路包括与所述的信号放大电路相连接的比较电路、与所述的比较电路相连接的单片机、与所述的单片机相连接的泵电流控制电路；所述的比较电路中输入有两个不同的比较电压以及所述的放大电压信号，所述的放大电压信号分别与两个所述的比较电压相比较并分别根据比较结果输出两路结果信号至所述的单片机中，所述的单片机根据两路所述的结果信号产生单片机输出信号输出至所述的泵电流控制电路中，所述的泵电流控制电路的输出端与氧分压传感器中输入泵电流的输入端相连接，所述的泵电流控制电路根据所述的单片机输出信号产生泵电流。

2.根据权利要求1所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：当所述的放大电压信号小于或等于两个所述的比较电压中较小的比较电压时，两路所述的结果信号均输出高电平，所述的单片机输出信号输出低电平，通过所述的泵电流控制电路产生由所述的泵电流控制电路的输出端流向氧分压传感器中输入泵电流的输入端的正向泵电流，从而使得氧分压传感器的输出信号呈上升趋势；当所述的放大电压信号上升到大于或等于两个所述的比较电压中较大的比较电压时，两路所述的结果信号均输出低电平，所述的单片机输出信号输出高电平，通过所述的泵电流控制电路产生由氧分压传感器中输入泵电流的输入端流向所述的泵电流控制电路的输出端的负向泵电流，从而使得氧分压传感器的输出信号呈下降趋势。

3.根据权利要求1或2所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的电源产生电路包括与外接电源相连接的运算放大器；外接电源与地之间串接有第一电阻和第二电阻，所述的运算放大器的同相输入端与所述的第一电阻和第二电阻的共用端相连接，所述的第二电阻的两端并接有第一电容，所述的运算放大器的输出端与其反相输出端共接，所述的运算放大器的输出端与地之间连接有第二电容，所述的运算放大器的输出端为所述的电源产生电路的输出端，所述的运算放大器的正电源端与电源相连接，所述的运算放大器的正电源端与地之间连接有第三电容，所述的运算放大器的负电源端接地。

4.根据权利要求1或2所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的信号放大电路包括运算放大芯片，所述的运算放大芯片的第一引脚与第八引脚之间连接有串接的第三电阻和第四电阻，所述的第三电阻和所述的第四电阻的共用端与外接电源相连接，所述的运算放大芯片的第二引脚经第五电阻后分别与所述的氧分压传感器的共用端和所述的电源产生电路的输出端相连接，所述的运算放大芯片的第三引脚经第六电阻后与所述的氧分压传感器的输出端相连接，所述的运算放大芯片的第六引脚连接第七电阻后形成所述的信号放大电路的输出端，所述的信号放大电路的输出端与地之间连接有第四电容，所述的运算放大芯片的第二引脚和第六引脚之间还连接有并接的第五电容和第八电阻。

5.根据权利要求4所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的运算放大芯片的第四引脚接地，所述的运算放大器的第七引脚与外接电源相连接，所述的运算放大器的第七引脚与地之间连接有第六电容。

6.根据权利要求1或2所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的比较电路包括双比较芯片，所述的双比较芯片的第二引脚和第六引脚分别输入所述的放大电压信号，所述的双比较芯片的第三引脚和第五引脚分别输入两个所述的比较电压，所述的双比较芯片的第一引脚和第七引脚为所述的双比较芯片的两个输出端并分别输出两路所述的结果信号。

7.根据权利要求6所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的双比较芯片的两个输出端分别经第九电阻和第十电阻与电源相连接，所述的双比较芯片的第四引脚接地，所述的双比较芯片的第八引脚与外接电源相连接。

8.根据权利要求6所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的双比较芯片的第三引脚与相串接的第十一电阻和第一稳压二极管的共用端相连接，所述的第十一电阻的另一端与外接电源相连接，所述的第一稳压二极管的另一端接地。

9.根据权利要求1或2所述的氧分压传感器信号处理电路，其特征在于：所述的泵电流控制电路包括第十二电阻、第十三电阻、第二稳压二极管、第一三极管和第二三极管和第十四电阻；

所述的第十二电阻的一端和所述的第十三电阻的一端共同与所述的单片机的输出端相连接，所述的第十二电阻的另一端经所述的第二稳压二极管与所述的第一三极管的基极相连接，所述的第一三极管的发射极与外接电源相连接，所述的第十三电阻的另一端与所述的第二三极管的基极相连接，所述的第一三极管的集电极与所述的第二三极管的集电极相连接并经所述的第十四电阻后与氧分压传感器中输入泵电流的输入端相连接，所述的第二三极管的发射极接地。

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