CN104796114A - 一种低泄漏误差的模拟积分器 - Google Patents

Abstract

一种低泄漏误差的模拟积分器，涉及电子电路技术领域。本发明是为了解决现有模拟积分器在长时间脉冲信号的积分过程中会产生较大泄漏误差的问题。本发明同向输入信号V_in+和反向输入信号V_in-作为差分输入低通滤波电路的电压信号输入端，差分输入低通滤波电路输出端连反馈补偿型积分电路输入端，差分输入低通滤波电路的滤波信号输出端连电压提升电路的滤波信号输入端，反馈补偿型积分电路输出端连电压提升电路输入端，泄漏误差标定电路的误差标定信号输出端连反馈补偿型积分电路的误差标定信号输入端，电压提升电路的电压信号输出端作为一种低泄漏误差的模拟积分器的信号输出端。它适用于在大电流和强磁场测量领域对线圈式传感器输出的信号进行处理。

Description

一种低泄漏误差的模拟积分器

技术领域

本发明涉及低泄漏误差的模拟积分器。属于电子电路技术领域。

背景技术

在大电流和强磁场的测量过程中，积分器是还原罗氏线圈和磁探针等线圈型传感器输出的微分的信号的关键模块。常见的积分器包括模拟和数字两大类：数字积分器利用高频响、高精度的ADC进行高速采样，再配合各类算法进行数值积分，其硬件成本较高；相对地，模拟积分器因结构简单和成本低廉而受到了广泛的应用，但是易受到输入失调、温度等工作环境因素，使得其在长时间积分过程中产生较大的误差。

积分漂移、电容泄漏是造成积分误差的主要因素。大量研究对积分器的漂移进行了抑制，制作了多种低漂移的模拟积分器。然而在长时间脉冲信号的积分过程中，电容泄漏误差也将对积分结果产生很大影响，现有模拟积分器不能抑制电容泄露误差，使得积分还原准确度降低。

发明内容

本发明是为了解决现有模拟积分器在长时间脉冲信号的积分过程中会产生较大泄漏误差的问题。现提供一种低泄漏误差的模拟积分器。

一种低泄漏误差的模拟积分器，同向输入信号V_in+作为差分输入低通滤波电路的一个电压信号输入端，反向输入信号V_in-作为差分输入低通滤波电路的另一个电压信号输入端，差分输入低通滤波电路的滤波信号输出端连接反馈补偿型积分电路的滤波信号输入端，差分输入低通滤波电路的滤波信号输出端连接电压提升电路的滤波信号输入端，

反馈补偿型积分电路的电压信号输出端连接电压提升电路的电压信号输入端，

泄漏误差标定电路的误差标定信号输出端连接反馈补偿型积分电路的误差标定信号输入端，

电压提升电路的电压信号输出端作为一种低泄漏误差的模拟积分器的信号输出端。

本发明的有益效果：本发明将两路带积分的信号以差分的方式分别从同向输入信号V_in+端和反向输入信号V_in-端输入到差分输入低通滤波电路进行滤波，滤波后的信号同时给反馈补偿型积分电路和电压提升电路，由反馈补偿型积分电路进行积分，由泄露误差标定电路对反馈补偿型积分电路出现的漏洞误差进行标定，反馈补偿型积分电路通过调节可调电位器Rx对漏洞误差进行反馈补偿，有效减少长时间积分过程中的电容泄漏误差，

输出积分后的电压信号给电压提升电路，由电压提升电路提高采样精度，最后输出积分后的电压信号，对于不同输出信号电压水平是鲁棒的，从而提高反馈补偿型积分电路的长时间工作的稳定性。适用于在大电流和强磁场测量领域对线圈式传感器输出的信号进行处理。

对于传统模拟积分器进行长时间积分测试，取VCC＝3V，针对不同电压值的积分器输出信号，如120mV、230mV和310mV，测试50s积分过程的泄漏误差大小和泄漏误差的增长速率，输出信号波形图如图10所示，泄漏误差的增长速率如表1所示；

参照图8搭建实际电路进行长时间积分测试，取VCC＝3V，针对不同电压值的积分器输出信号，如120mV、230mV和310mV，测试50s积分过程的泄漏误差大小和泄漏误差的增长速率，输出信号波形图如图11所示，泄漏误差的增长速率如表1所示；

从表1中可以发现，无论积分器输出的信号的幅值多大，本发明所述的一种低泄漏误差的模拟积分器均可有效减少积分过程中的电容泄露误差，使泄漏误差增长速率降低3～10倍，从而提高积分准确度和稳定性。

表1 泄漏误差测量结果

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种低泄漏误差的模拟积分器的原理示意图，

图2为本发明所述电路解决的积分泄漏问题的电压波形示意图，图中，U_b为泄漏误差，单位为伏特每秒；

图3为具体实施方式二所述的一种低泄漏误差的模拟积分器中差分输入低通滤波电路的原理图，

图4为具体实施方式三所述的一种低泄漏误差的模拟积分器中反馈补偿型积分电路的原理图，

图5为具体实施方式四所述的一种低泄漏误差的模拟积分器中电压提升电路的原理图，

图6为具体实施方式五所述的一种低泄漏误差的模拟积分器中泄漏误差标定电路的原理图，

图7为发明所述的一种低泄漏误差的模拟积分器的的电路原理图；

图8为具体实施方式六所述的反馈补偿型积分电路中一号开关S21的原理图，

图9为具体实施方式七所述的反馈补偿型积分电路中一号开关S21的原理图，

图10为传统模拟积分器的实验结果波形图，其中，带有矩形标记的线代表幅值为120毫伏特的输出信号，带有圆形标记的线表示幅值为230毫伏特的输出信号，带有三角形标记的线表示幅值为310毫伏特的输出信号，k_d1、k_d2和k_d3表示积分过程中泄漏误差的增长速率，单位毫伏每秒；

图11为为本发明所述的一种低泄漏误差的模拟积分器电路的实验结果波形图，其中，带有矩形标记的线代表幅值为120毫伏特的输出信号，带有圆形标记的线表示幅值为230毫伏特的输出信号，带有三角形标记的线表示幅值为310毫伏特的输出信号，k_d1、k_d2和k_d3表示积分过程中泄漏误差的增长速率，单位毫伏每秒。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，它包括差分输入低通滤波电路1、反馈补偿型积分电路2、电压提升电路4和泄漏误差标定电路3，

同向输入信号V_in+作为差分输入低通滤波电路1的一个电压信号输入端，反向输入信号V_in-作为差分输入低通滤波电路1的另一个电压信号输入端，差分输入低通滤波电路1的滤波信号输出端连接反馈补偿型积分电路2的滤波信号输入端，差分输入低通滤波电路1的滤波信号输出端连接电压提升电路4的滤波信号输入端，

反馈补偿型积分电路2的电压信号输出端连接电压提升电路4的电压信号输入端，泄漏误差标定电路3的误差标定信号输出端连接反馈补偿型积分电路2的误差标定信号输入端，

电压提升电路4的电压信号输出端作为一种低泄漏误差的模拟积分器的信号输出端。

具体实施方式二：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种低泄漏误差的模拟积分器作进一步说明，本实施方式中，差分输入低通滤波电路1包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C11、一号瞬态抑制二极管D11、二号瞬态抑制二极管D12和三号瞬态抑制二极管D13；

差分输入低通滤波电路1的一个电压信号输入端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端同时连接一号瞬态抑制二极管D11的一端、电阻R13的一端和二号瞬态抑制二极管D12的一端，一号瞬态抑制二极管D11的另一端连接电源地，

电阻R13的另一端同时连接电阻R15的一端和电容C11的一端，

电容C11的一端作为差分输入低通滤波电路1的滤波信号输出端，

差分输入低通滤波电路1的另一个电压信号输入端连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端同时连接二号瞬态抑制二极管D12的另一端、电阻R14的一端和三号瞬态抑制二极管D13的一端，三号瞬态抑制二极管D13的另一端连接电源地，

电阻R14的另一端同时连接电阻R15的另一端和电容C11的另一端，

电容C11的另一端作为差分输入低通滤波电路1的滤波信号输出端。

本实施方式中，给出了差分输入低通滤波电路的一种具体结构，该结构能够同时利用三个瞬态抑制二极管的高速相应特性和浪涌冲击抑制能力，提高电路的过压保护能力；能够利用电容C11和电阻R15构成的低通滤波电路削弱输入模拟信号中的高频噪声，提高电路的抗干扰能力。

为了避免输入信号内的高压浪涌对微机系统的影响，电阻R13、电阻R14和电阻R15的取值应满足如下关系：

$\frac{R13}{R13+R14+R15}{V}_{\mathrm{RWM}}\≤\mathrm{VCC};$

一号瞬态抑制二极管D11、二号瞬态抑制二极管D12和三号瞬态抑制二极管D13的反向断态电压均为V_RWM，电源正极电压VCC＝3，R13为电阻R13的阻值，R14为电阻R14的阻值，R15为电阻R15的阻值。

为了避免输入信号内的高频噪声对积分输出结果产生影响，电阻R15和电容C11的取值应满足如下关系：

$\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_{L}C11}=R15;$

其中，f_L表示输入信号的低通截止频率，R15为电阻R15的阻值，C11为电容C2的电容值。

具体实施方式三：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种低泄漏误差的模拟积分器作进一步说明，本实施方式中，反馈补偿型积分电路2包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、可调电位器Rx、电容C21、电容C22、一号开关S21、二号开关S22、三号开关S23、四号开关S24、一号运算放大器OP21、二号运算放大器OP22、三号运算放大器OP23和四号运算放大器OP24，

反馈补偿型积分电路2的误差标定信号输入端为电容C21的一端，

反馈补偿型积分电路2的滤波信号输入端为电阻R21的一端，

电容C21的一端同时连接电阻R22的一端、电阻R21的另一端、电阻R23的一端、三号开关S23的一端和一号运算放大器OP21的反向输入端，

电阻R22的另一端连接一号开关S21的一端，一号开关S21的另一端同时连接二号开关S22的一端、三号开关S23的另一端、一号运算放大器OP21的输出端、电阻R25的一端和二号运算放大器OP22的同相输入端，二号开关S22的另一端连接电容C21的另一端，

一号运算放大器OP21的同相输入端连接电阻R24的一端，电阻R24的另一端连接电源地，

电阻R23的另一端连接四号开关S24的一端，四号开关S24的另一端同时连接可调电位器Rx的一端和四号运算放大器OP24的输出端，四号运算放大器OP24的反相输入端同时连接可调电位器Rx的另一端、可调电位器Rx的滑动端和电阻R26的一端，电阻R26的另一端同时连接三号运算放大器OP23的输出端和三号运算放大器OP23的反相输入端，

四号运算放大器OP24的同相输入端连接电阻R27的一端，电阻R27的另一端连接电源地，

三号运算放大器OP23的同相输入端同时连接电阻R25的另一端和电容C22的一端，

电容C22的另一端连接电源地，

二号运算放大器OP22的反相输入端连接二号运算放大器OP22的输出端，并作为反馈补偿型积分电路2的电压信号输出端。

本实施方式中，为了减少积分过程中的电容泄露误差，四号开关S24应处于闭合状态，电容C21、电阻R23、电阻R26和可调电位器Rx取值应满足如下关系：

$\frac{\mathrm{aRx}}{R26}=k_{b}R23\·C21;$

其中，k_b表示积分输出信号的泄漏误差增长速率，a为可调电位器Rx的调节比例，Rx为可调电位器Rx的阻值，R23为电阻R22的阻值，R26为电阻R26的阻值，C21为电容C21的电容值。

具体实施方式四：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种低泄漏误差的模拟积分器作进一步说明，本实施方式中，电压提升电路4包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电容C31、五号运算放大器OR31和六号运算放大器OR32，

电压提升电路4的电压信号输入端作为电阻R31的一端，电阻R31的一端连接五号运算放大器OR31的同相输入端，五号运算放大器OR31的反相输入端同时连接五号运算放大器OR31的输出端和电阻R32的一端，电阻R32的另一端同时连接电容C31的一端和电阻R33的一端，电容C31的另一端连接电源地，电阻R33的一端作为电压提升电路4的电压信号输出端，同时连接电源地，

电压提升电路4的滤波信号输入端作为电阻R31的另一端，电阻R31的另一端同时连接六号运算放大器OR32的输出端和六号运算放大器OR32的反相输入端，六号运算放大器OR32的同相输入端同时连接电阻R34的一端和电阻R35的一端，电阻R34的另一端连接供电电源，电阻R35的另一端连接电源地。

本实施方式中，为了有效利用微机系统的分辨率，同时避开微机系统采样时不准确区间，电阻R33和电阻R35的取值应满足如下关系

$0.1\≤\frac{R33}{R33+R35}\≤0.9;$

其中，R33为电阻R33的阻值，R35为电阻R35的阻值。

具体实施方式五：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种低泄漏误差的模拟积分器作进一步说明，本实施方式中，泄漏误差标定电路3包括电阻R41、电阻R42、五号开关S41和七号运算放大器OP41，

泄漏误差标定电路3的误差标定信号输出端为七号开关S41的一端，五号开关S41的另一端同时连接七号运算放大器OP41的输出端和七号运算放大器OP41的反相输入端，七号运算放大器OP41的同相输入端同时连接电阻R41的一端和电阻R42的一端，R41的另一端连接供电电源，电阻R42的另一端连接电源地。

具体实施方式六：参照图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的一种低泄漏误差的模拟积分器作进一步说明，本实施方式中，一号开关S21包括金氧半场效晶体管D51和电阻R51，

电阻R51的一端连接供电电源，

电阻R51的另一端连接金氧半场效晶体管D51的栅极，并同时作为与外界控制器连接的控制信号输入端，

金氧半场效晶体管D51的源极和漏极分别作为一号开关S11的两端。

本实施方式中，外界控制器为单片机，利用单片机实现一号开关S21的通断。

具体实施方式七：参照图9具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的一种低泄漏误差的模拟积分器作进一步说明，本实施方式中，一号开关S21包括光耦D61和电阻R61，

光耦D61包括发光二极管D1和三极管BT，

电阻R61的一端连接供电电源，

电阻R61的另一端连接发光二极管D1的正极，并同时作为与外界控制器连接的控制信号输入端，发光二极管D1的负极接地，

三极管BT的集电极和发射极分别作为一号开关S21的两端。

本实施方式中，外界控制器为单片机，利用单片机实现一号开关S21的通断。

工作原理：如图2和图7所示，第一步：闭合二号开关S22、三号开关S23，关断二一号开关S21、四号开关S24和五号开关S41，使电容C21放电；

第二步：断开三号开关S23，使一号运算放大器OP21工作在积分器状态；闭合五号开关S41，向电容C21充电；

第三步：当一号运算放大器OP21的输出到达一定电压后，关断五号开关S41，使一号运算放大器OP21工作在保持器状态，记录此时一号运算放大器OP21的输出电压；

第四步：一定时间后，再记录此时一号运算放大器OP21的输出电压，计算泄漏误差U_b；

第五步：根据泄漏误差调节可调电位器Rx的调节比例，对泄漏误差进行反馈补偿；

第七步：闭合三号开关S23，使电容C21放电；

第六步：闭合四号开关S24，断开三号开关S23，向信号输入端输入待积分的信号，即可进行低泄漏误差的积分过程。

Claims (7)

1.一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，它包括差分输入低通滤波电路(1)、反馈补偿型积分电路(2)、电压提升电路(4)和泄漏误差标定电路(3)，

同向输入信号V_in+作为差分输入低通滤波电路(1)的一个电压信号输入端，反向输入信号V_in-作为差分输入低通滤波电路(1)的另一个电压信号输入端，差分输入低通滤波电路(1)的滤波信号输出端连接反馈补偿型积分电路(2)的滤波信号输入端，差分输入低通滤波电路(1)的滤波信号输出端连接电压提升电路(4)的滤波信号输入端，

反馈补偿型积分电路(2)的电压信号输出端连接电压提升电路(4)的电压信号输入端，泄漏误差标定电路(3)的误差标定信号输出端连接反馈补偿型积分电路(2)的误差标定信号输入端，

电压提升电路(4)的电压信号输出端作为一种低泄漏误差的模拟积分器的信号输出端。

2.根据权利要求1所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，差分输入低通滤波电路(1)包括电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电容C11、一号瞬态抑制二极管D11、二号瞬态抑制二极管D12和三号瞬态抑制二极管D13；

差分输入低通滤波电路(1)的一个电压信号输入端连接电阻R11的一端，电阻R11的另一端同时连接一号瞬态抑制二极管D11的一端、电阻R13的一端和二号瞬态抑制二极管D12的一端，一号瞬态抑制二极管D11的另一端连接电源地，

电阻R13的另一端同时连接电阻R15的一端和电容C11的一端，

电容C11的一端作为差分输入低通滤波电路(1)的滤波信号输出端，

差分输入低通滤波电路(1)的另一个电压信号输入端连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端同时连接二号瞬态抑制二极管D12的另一端、电阻R14的一端和三号瞬态抑制二极管D13的一端，三号瞬态抑制二极管D13的另一端连接电源地，

电阻R14的另一端同时连接电阻R15的另一端和电容C11的另一端，

电容C11的另一端作为差分输入低通滤波电路(1)的滤波信号输出端。

3.根据权利要求1所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，反馈补偿型积分电路(2)包括电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电阻R27、可调电位器Rx、电容C21、电容C22、一号开关S21、二号开关S22、三号开关S23、四号开关S24、一号运算放大器OP21、二号运算放大器OP22、三号运算放大器OP23和四号运算放大器OP24，

反馈补偿型积分电路(2)的误差标定信号输入端为电容C21的一端，

反馈补偿型积分电路(2)的滤波信号输入端为电阻R21的一端，

电容C21的一端同时连接电阻R22的一端、电阻R21的另一端、电阻R23的一端、三号开关S23的一端和一号运算放大器OP21的反向输入端，

电阻R22的另一端连接一号开关S21的一端，一号开关S21的另一端同时连接二号开关S22的一端、三号开关S23的另一端、一号运算放大器OP21的输出端、电阻R25的一端和二号运算放大器OP22的同相输入端，二号开关S22的另一端连接电容C21的另一端，

一号运算放大器OP21的同相输入端连接电阻R24的一端，电阻R24的另一端连接电源地，

电阻R23的另一端连接四号开关S24的一端，四号开关S24的另一端同时连接可调电位器Rx的一端和四号运算放大器OP24的输出端，四号运算放大器OP24的反相输入端同时连接可调电位器Rx的另一端、可调电位器Rx的滑动端和电阻R26的一端，电阻R26的另一端同时连接三号运算放大器OP23的输出端和三号运算放大器OP23的反相输入端，

四号运算放大器OP24的同相输入端连接电阻R27的一端，电阻R27的另一端连接电源地，

三号运算放大器OP23的同相输入端同时连接电阻R25的另一端和电容C22的一端，

电容C22的另一端连接电源地，

二号运算放大器OP22的反相输入端连接二号运算放大器OP22的输出端，并作为反馈补偿型积分电路(2)的电压信号输出端。

4.根据权利要求1所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，电压提升电路(4)包括电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电容C31、五号运算放大器OR31和六号运算放大器OR32，

电压提升电路(4)的电压信号输入端作为电阻R31的一端，电阻R31的一端连接五号运算放大器OR31的同相输入端，五号运算放大器OR31的反相输入端同时连接五号运算放大器OR31的输出端和电阻R32的一端，电阻R32的另一端同时连接电容C31的一端和电阻R33的一端，电容C31的另一端连接电源地，电阻R33的一端作为电压提升电路(4)的电压信号输出端，电阻R33的另一端连接电源地，

电压提升电路(4)的电压信号输入端作为电阻R31的另一端，电阻R31的另一端同时连接六号运算放大器OR32的输出端和六号运算放大器OR32的反相输入端，六号运算放大器OR32的同相输入端同时连接电阻R34的一端和电阻R35的一端，电阻R34的另一端连接供电电源，电阻R35的另一端连接电源地。

5.根据权利要求1所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，泄漏误差标定电路(3)包括电阻R41、电阻R42、五号开关S41和七号运算放大器OP41，

泄漏误差标定电路(3)的误差标定信号输出端为五号开关S41的一端，五号开关S41的另一端同时连接七号运算放大器OP41的输出端和七号运算放大器OP41的反相输入端，七号运算放大器OP41的同相输入端同时连接电阻R41的一端和电阻R42的一端，R41的另一端连接供电电源，电阻R42的另一端连接电源地。

6.根据权利要求3所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，一号开关S21包括金氧半场效晶体管D51和电阻R51，电阻R51的一端连接供电电源，

电阻R51的另一端连接金氧半场效晶体管D51的栅极，并同时作为与外界控制器连接的控制信号输入端，

金氧半场效晶体管D51的源极和漏极分别作为一号开关S11的两端。

7.根据权利要求3所述的一种低泄漏误差的模拟积分器，其特征在于，一号开关S21包括光耦D61和电阻R61，

光耦D61包括发光二极管D1和三极管BT，

电阻R61的一端连接供电电源，

电阻R61的另一端连接发光二极管D1的正极，并同时作为与外界控制器连接的控制信号输入端，发光二极管D1的负极接地，

三极管BT的集电极和发射极分别作为一号开关S21的两端。