CN104467717A - 差分高精度低温漂低偏移电荷放大器 - Google Patents

差分高精度低温漂低偏移电荷放大器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，具有对电荷信号放大精度高，温度漂移小，偏置电压小的优点，可用于对振动电荷信号的精确放大。该放大器结构包括依次连接的过载保护电路、差分电荷转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路和用以对这些电路供电的电源转换电路；其中差分电荷转换电路包括第一反相放大电路、第二反相放大电路和减法运算电路；电荷信号Qp正极、负极分别经电容接入第一反相放大电路、第二反相放大电路，这两个反相放大电路的反馈电阻支路与同一RC串联支路分别组成T型网络；第一反相放大电路和第二反相放大电路的输出分别作为正相输入和负相输入接入减法运算电路。

Description

差分高精度低温漂低偏移电荷放大器
技术领域
本发明属于振动监测技术领域，具体的说是一种机械冲击和振动信号放大处理电路，用于在各种冲击和振动环境下，电荷信号的放大和处理。
背景技术
目前，非电物理量的测量和控制技术会涉及大量的振动信号，在实际生活中振动信号的大小经常用加速度来度量，加速度一般通过压电加速度传感器进行测量。压电加速度传感器的输出需经电荷放大器进行变换(即电荷.电压转换)，方可用于后续的放大、处理，因此电荷放大器是加速度测量中必不可少的二次仪表，设计性能良好的电荷放大器具有重要意义。
压电加速度传感器输出的电荷量很小，其测量有两种方式，电压放大器和电荷放大器。电压放大器的电压灵敏度随电缆改变，给测量带来不方便。电荷放大器在测量系统中最明显的优点是电缆分布电容的变化不会影响测量结果。传统的电荷放大器一般采用单端放大(如图6所示)，然后经过滤波处理的测量方法，这种测量方法容易受到共模信号的干扰，且由于为了满足测量频率范围和精度的要求，所选择的反馈电阻较大，使得电荷放大器的温漂和偏移电压较大，影响整个放大器的测量精度。传统的差分放大电路(如图7所示)只克服了共模信号的干扰问题，无法解决放大器的温漂和偏移电压的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述振动信号电荷处理电路的不足，提出了一种差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，以避免由于共模信号干扰、以及温漂和偏移电压较大等诸多因素带来的影响，提高测量精度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，其特殊之处在于：包括依次连接的过载保护电路、差分电荷转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路和用以对这些电路供电的电源转换电路；
输入的电荷信号Q经所述过载保护电路输出电荷信号Qp接入差分电荷转换电路；
所述差分电荷转换电路包括第一反相放大电路、第二反相放大电路和减法运算电路；电荷信号Qp正极、负极分别经电容接入第一反相放大电路、第二反相放大电路，这两个反相放大电路的反馈电阻支路与同一RC串联支路分别组成T型网络；第一反相放大电路和第二反相放大电路的输出分别作为正相输入和负相输入接入减法运算电路，输出电压信号Vq；
电压信号Vq依次经低通滤波电路、高通滤波电路转换为目标范围内的电压信号。
基于上述技术方案，本发明进一步做如下优化：
所述第一反相放大电路主要包括放大器A、电阻R3、电阻R4和电容C3，其中电阻R3和电阻R4串联作为反馈电阻支路与电容C3并联；所述第二反相放大电路主要包括放大器B、电阻R5、电阻R6和电容C4，其中电阻R5和电阻R6串联作为反馈电阻支路与电容C4并联；C3＝C4；
电阻R7和电容C5串联作为所述同一RC串联支路，分别与电阻R3、电阻R4和电阻R5、电阻R6组成T型网络；
电荷信号Qp正极、负极分别经电容接至放大器A、放大器B的负相输入端，放大器A、放大器B的正相输入端均接地。
所述减法运算电路主要包括放大器C、电阻R8、电阻R9、电阻R11和放大器C的反馈回路上的电阻R10；放大器A、放大器B的输出端分别经电阻R8、电阻R9接至放大器C的负相输入端、正相输入端，电阻R9与放大器C的正相输入端之间的节点经电阻R11接地。
所述过载保护电路包括两个串联的瞬态抑制管，输入的电荷信号Q经两个瞬态抑制管之间的节点转换为保护后的电荷信号Qp。
所述高通滤波电路为四阶高通滤波电路。
本发明具有以下有益效果：
采用差分电荷转换电路进行电荷处理，消除了电荷信号中的共模干扰，提高了电路的输入阻抗，同时可以消弱因为偏移电流产生的电压误差；其中，构建低偏移电流的放大电路，结合T型网络减小反馈电阻来减弱整个放大器的温度漂移和电压偏差，提高了转换电荷信号的量程。
先采用低通滤波电路消除了信号中的高频干扰，再通过高通滤波器滤除信号中低频干扰，保证了电荷放大器的输出电压范围，同时保证在频率范围内的精度要求。
本发明具有对电荷信号放大精度高，温度漂移小，偏置电压小的优点，可用于对振动电荷信号的精确放大。
附图说明
图1是本发明高精度低温漂低偏移电荷放大器的结构原理框图。
图2是过载保护电路硬件原理图。
图3是电荷转换(差分电荷变换)电路硬件原理图；
其中，A、B、C-放大器。
图4是低通滤波电路硬件原理图；
其中，D-放大器。
图5是高通滤波电路硬件原理图；
其中，E、F-放大器。
图6是传统单端电路电荷转换硬件原理图；
其中，A-放大器。
图7是传统差分电路电荷转换硬件原理图；
其中，H、I、J-放大器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明的差分高精度低温漂低偏移电荷放大器包括过载保护电路、差分电荷转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路和电源转换电路。电源转换电路给其他各个电路提供合适的电源。
过载保护电路由保护瞬态抑制串联连接构成，如图2所示，用于限制电荷量过大对后级电路的影响。
差分电荷转化电路与过载保护电路连接，接受经过过载保护电路的电荷信号，经过差分放大后，变换为电压信号。如图3所示，差分电荷转换电路的量程由反馈电容决定。电荷信号低频特性、偏移电流产生的电压误差和电荷转换电路量程受T型网络影响。
如图4、图5所示，对于变换后的电压信号进行低通滤波，滤除信号中的高频干扰信号，保留有用信号。经过低通滤波后的信号中含有部分低频干扰信号，设计高通滤波电压放大器，滤除信号中的低频干扰信号，并将电压信号放大到合适的范围内，方便后续的采集分析。
到此，信号中高、低频干扰都被滤除，且被转换为合适范围内的电压信号。
具体详述如下：
振动加速度传感器输出电荷信号Q，正负端分别连接过载保护电路，变为保护后电荷信号Qp，当输入的电荷量超过设计量程时，瞬态抑制管V1或V2导通，将电压保持在合理的范围内，保护后级电路不受危害；
分别将电荷信号Qp正负极接到电荷转换电路的正负端，经过电荷转换电路变为电压Vq,同时电荷信号Qp中的共模干扰信号在转换过程中被消除，其中C1和C2将电荷信号Qp中的直流分量隔掉，电荷Qp+经过放大器A、R3、R4和C3组成的单元放大为Vq+＝(Qp+)/C3，同理电荷Qp-放大为Vq-＝(-(Qp-))/C4，其中C3＝C4，Qp＝Qp-＝Qp+，R3、R4、R5、R6、R7和C5组成T型网络设置电荷放大为合适的高通频率范围，最后Vq+和Vq-经过由放大器C、R8、R9、R10和R11组成减法电路变换为Vq＝(Vq+)-(Vq-)，于是有Vq＝2*Qp/C3；
电压信号Vq经过由R12、R13、C6、C7和放大器D组成的低通滤波电路，输出电压为Vl,同时Vq信号中的高频噪音已被滤除，根据信号的有效范围选择合适的低通截止频率，并且保证在频率范围内的精度要求；
电压信号Vl经过由R14、R15、C8、C9、放大器E和R16、R17、C10、C11、放大器F组成的四阶高通滤波电路输出电压为Vo,并且在滤波过程中Vl中的低频干扰信号已被滤除，同时将Vl信号放大到合适的电压范围内，根据信号的有效范围选择合适的高通截止频率，并且保证在频率范围内的精度要求。
本发明经过各种系统试验验证，系统运行稳定可靠，能够实现振动电荷信号的过载保护和在频率范围内的精确放大，并且在高、低温试验中精度和量程都能满足要求。

Claims (5)

1.差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，其特征在于：包括依次连接的过载保护电路、差分电荷转换电路、低通滤波电路、高通滤波电路和用以对这些电路供电的电源转换电路；
输入的电荷信号Q经所述过载保护电路输出电荷信号Qp接入差分电荷转换电路；
所述差分电荷转换电路包括第一反相放大电路、第二反相放大电路和减法运算电路；电荷信号Qp正极、负极分别经电容接入第一反相放大电路、第二反相放大电路，这两个反相放大电路的反馈电阻支路与同一RC串联支路分别组成T型网络；第一反相放大电路和第二反相放大电路的输出分别作为正相输入和负相输入接入减法运算电路，输出电压信号Vq；
电压信号Vq依次经低通滤波电路、高通滤波电路转换为目标范围内的电压信号。
2.根据权利要求1所述的差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，其特征在于：所述第一反相放大电路主要包括放大器A、电阻R3、电阻R4和电容C3，其中电阻R3和电阻R4串联作为反馈电阻支路与电容C3并联；所述第二反相放大电路主要包括放大器B、电阻R5、电阻R6和电容C4，其中电阻R5和电阻R6串联作为反馈电阻支路与电容C4并联；C3＝C4；
电阻R7和电容C5串联作为所述同一RC串联支路，分别与电阻R3、电阻R4和电阻R5、电阻R6组成T型网络；
电荷信号Qp正极、负极分别经电容接至放大器A、放大器B的负相输入端，放大器A、放大器B的正相输入端均接地。
3.根据权利要求2所述的差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，其特征在于：所述减法运算电路主要包括放大器C、电阻R8、电阻R9、电阻R11和放大器C的反馈回路上的电阻R10；放大器A、放大器B的输出端分别经电阻R8、电阻R9接至放大器C的负相输入端、正相输入端，电阻R9与放大器C的正相输入端之间的节点经电阻R11接地。
4.根据权利要求1至3任一所述的差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，其特征在于：所述过载保护电路包括两个串联的瞬态抑制管，输入的电荷信号Q经两个瞬态抑制管之间的节点转换为保护后的电荷信号Qp。
5.根据权利要求1至3任一所述的差分高精度低温漂低偏移电荷放大器，其特征在于：所述高通滤波电路为四阶高通滤波电路。
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