CN106018865B - 应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及传感器检测领域，特别是一种应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，包括依次连接的信号接收单元、可编程增益单元、抗混叠滤波单元和模数转换单元，所述信号接收单元，用于接收所述传感器的输出信号并隔离直流分量后输出；所述可编程增益单元，用于将所述信号接收单元输出的交流信号，经放大或缩小后以差分信号输出；所述抗混叠滤波单元，用于滤除高频干扰信号后以差分信号输出；所述模数转换单元，用于接收的差分信号转换为数字信号输出。本发明整体信号流全部采用全差分方式，在信号传输路径上任何一部分受到噪声干扰都可以得到有效的抑制，而且能够增加对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波。

Description

应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路
技术领域
本发明涉及传感器检测领域，特别是一种应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路。
背景技术
传感器是一种广泛应用于各种控制领域的精密传感设备，例如在航空器领域中，由于航空发动机中介主轴承故障突出，影响飞行安全，因此需要一种可靠性、鲁棒性高，且在足够领先时间内准确发出预警信号的健康管理设备。
目前，在一些航空发动机的轴承故障诊断中，大多利用ICP或IEPE加速度传感器检测轴承的振动信号，其中，ICP传感器(integrated circuits piezoelectric)是指内置的压电传感器，它采用现代集成电路技术将传统的电荷放大器置于传感器中，所有高阻抗电路都密封在传感器内，并以低阻抗电压方式输出，输出电压幅值与加速度成正比。IEPE传感器(Integral Electronic Piezoelectric)是指一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器。
无论以哪种传感器产生的电量是很小的，因此传感器产生的电信号很容易受到噪声干扰，而且信号的传输路径相当复杂，中介轴承的振动信号除了要经过油膜阻尼外，还要经过长距离的机壳传输到传感器，传感器的输出信号也要经过长距离多路径的传输才能到达采集接收器，传输过程中伴随着非常强烈的干扰，使得信号质量明显降低，而有用的轴承故障信号往往被淹没在噪声等信号里面，成为故障诊断的突出难点。为提高信号的质量，需要有效地去除噪声的干扰，现有的技术中普遍采用单端处理技术对传感器输出的信号进行处理，由于单端处理技术不能抑制接地噪声，运算放大器中累积的噪声会降低信噪比(SNR)性能，从而影响系统设计。即使采用双运放搭建的差分信号调理电路，由于需要更多的阻容器件，使得设计变复杂，且由于外部阻容器件的误差以及芯片内部的误差，很难做到完全平衡。
发明内容
本发明克服了上述缺点，提供了一种能够有效抑制噪声干扰的应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，所述传感器具有两个输出端，分别为信号输出端和基准输出端，所述全差分信号调理电路包括依次连接的信号接收单元、可编程增益单元、抗混叠滤波单元和模数转换单元，
所述信号接收单元，用于接收所述传感器两个输出端传来的信号，并隔离直流分量后输出交流信号；
所述可编程增益单元，用于将所述信号接收单元输出的交流信号，经放大或缩小后以差分信号输出，所述可编程增益单元包括仪表放大器，所述仪表放大器的两输入端分别设置有无源RC低通滤波器，所述信号接收单元输出的信号分别经两个无源RC低通滤波器后，经过所述仪表放大器进行放大或缩小；
所述抗混叠滤波单元，用于接收所述可编程增益单元输出的信号，滤除高频干扰信号后以差分信号输出；
所述模数转换单元，用于接收所述抗混叠滤波单元输出的差分信号，并转换为数字信号输出。
所述信号接收单元可包括一个对地电阻，用于将所述传感器的基准输出端和信号输出端输出的信号同时叠加共模电压，为可编程增益单元的仪表放大器提供工作条件，所述对地电阻的一端接地，另一端连接在所述传感器的基准输出端。
所述信号接收单元还可包括一个耦合电容，所述耦合电容串联在所述传感器的一个输出端与所述可编程增益单元的一个输入端之间的通路上。
所述耦合电容可以有两个，分别串联在所述传感器的两个输出端与所述可编程增益单元的两个输入端之间的两条通路上。
所述抗混叠滤波单元可采用由两个2阶多重反馈滤波电路构成的巴特沃斯低通滤波器。
本发明整体信号流采用全差分方式，即各单元均采用差分输入，差分输出的方式对信号进行处理和传输，因此在任何一部分受到噪声干扰都可以得到有效的抑制。采用本发明提供的全差分调理电路，能够增加对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明中加速度传感器及信号接收单元的电路原理图；
图3为本发明中可编程增益单元的电路原理图；
图4为本发明中抗混叠滤波单元中第一个2阶多重反馈滤波器的电路原理图；
图5为本发明中所述模数转换单元的电路原理图。
具体实施方式
本发明要求保护的一种全差分信号调理电路，可以应用于调理ICP或IEPE等加速度传感器的输出信号，也可以用于调理其他需要电流激励传感器的输出信号，比如说RTD温度传感器。如图1中所示，为本发明的原理框图，所述加速度传感器具有两个输出端，分别为信号输出端和基准输出端，本发明包括依次连接的信号接收单元、可编程增益单元、抗混叠滤波单元和模数转换单元。
所述信号接收单元，用于接收所述加速度传感器两个输出端传来的信号，并隔离直流分量后输出交流信号；
所述可编程增益单元，用于将所述信号接收单元输出的交流信号，经放大或缩小后以差分信号输出；
所述抗混叠滤波单元，用于接收所述可编程增益单元输出的信号，滤除高频干扰信号后以差分信号输出；
所述模数转换单元，用于接收所述抗混叠滤波单元输出的差分信号，并转换为数字信号输出。
图2为本发明中加速度传感器及信号接收单元的电路原理图，所述信号接收单元包括对地电阻R18和耦合电容C19。所述加速度传感器J1以ICP传感器为例，其具有两个输出端，分别为信号输出端和基准输出端，所述对地电阻R18的一端接地，另一端连接在所述加速度传感器J1的基准输出端，由于所述加速度传感器J1需要4mA的激励电流源，激励电流经过电阻R18形成共模电压信号。
如果将加速度传感器J1的基准输出端直接接地，基准输出端的噪声信号会被大地吸收，这样的话由于地信号是0V不变，而信号输出端有用信号及噪声信号进入后面的可编程增益单元后都将被放大，因此，通过电阻R18的一端接地，另一端连接在所述加速度传感器的基准输出端，使得基准输出端输出的信号与信号输出端输出的信号同时叠加了R18乘以4mA的共模电压信号，为后级仪表放大器处理提供必要条件，此共模电压最终被可编程增益单元有效抑制。
所述信号接收单元还包括耦合电容C19，所述耦合电容C19串联在连接所述加速度传感器J1的信号输出端与可编程增益单元的输入端之间的信号通路上。由于加速度传感器J1的输出信号是叠加在直流电压上的，经过所述耦合电容C19去除直流分量，得到需要的交流信号。此外，也可以在所述加速度传感器J1的两个输出端都设置耦合电容，即将两个耦合电容，分别串联在所述加速度传感器J1的两个输出端与可编程增益单元的两个输入端之间的两条通路上(图中未标示)，也能够更好的去除两条通路上的直流分量。
图3为本发明中可编程增益单元的电路原理图，所述可编程增益单元采用了仪表放大器U7，能够将输入的交流信号放大或缩小至所述模数转换单元的量程范围，即将所述信号接收单元输出的经过耦合后的信号输入所述仪表放大器U7，所述可编程仪表放大器U7的前端通过电阻R1、R2、电容C1、C2构成无源RC低通滤波器，将传感器J1传来的两路信号滤去高频干扰后，通过可编程仪表放大器U7的增益控制IO管脚进行放大或缩小，由于从传感器J1输出的信号要经过长距离的传输才能到达信号接收单元，传输路径上的噪声信号会同时作用在连接传感器J1信号输出端和基准输出端的两根输出信号线上，由于仪表放大器U7对共模信号有很强的抑制作用(宽频范围内提供大于110dB)使得噪声信号对输出影响降到最低，可编程仪表放大器除了具有放大衰减信号，零漂移，高输入阻抗，极低1/f噪声等特性外，还提供了完全差分，轨到轨的输出。这样对整个链路的全差分调理提供了必要条件。
所述抗混叠滤波单元采用由两个2阶多重反馈构成的巴特沃斯低通滤波器。如图4中所示，为第一个2阶多重反馈滤波器的电路原理图，其由全差分运算放大器U2及电阻R27～R32反馈电容C23～C25构成，并根据需要的截止频率选择合适的高精度电阻电容，所述两个2阶多重反馈滤波器结构相同(图中省略)，且顺序连接，构成巴特沃斯低通滤波器，其输出仍为两路全差分信号，从而使可能产生混叠的高频干扰信号得到有效的抑制。
所述模数转换单元如图5中所示，主要由具有全差分模拟输入端的模数转换器U11构成，经过所述抗混叠滤波单元输出的两路全差分信号，接入到模数转换器U11的全差分模拟输入端，转换为数字信号后，以数字总线SPI的形式输出，其输出的数字信号传输到CPU中，由CPU进行更多的信号处理等操作。由于模数转换器U11采用外部超高精度的2.5V电压基准，为了得到更大的动态范围，可以将可编程增益单元及抗混叠滤波单元的全差分运算放大器的共模电压(OCM)端口统一连接到2.5V的基准上。
根据上述描述可知，本发明整体信号流全部采用全差分方式，即各单元均采用差分输入，差分输出的方式对信号进行处理和传输，在任何一部分受到噪声干扰都可以得到有效的抑制。采用本发明提供的全差分调理电路，能够增加对外部噪声的抗扰度，从而将动态范围加倍，并且减少偶次谐波，如果应用于航空发动机中，能够及时有效的从噪声信号中检测出中介主轴承的故障信号，从而进行及时的维护，避免更大故障的发生，因此能够显著降低维修保障费用、提高战备完好率和任务成功率。
以上对本发明所提供的应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，所述传感器具有两个输出端，分别为信号输出端和基准输出端，其特征在于：所述全差分信号调理电路包括依次连接的信号接收单元、可编程增益单元、抗混叠滤波单元和模数转换单元，
所述信号接收单元，用于接收所述传感器两个输出端传来的信号，并隔离直流分量后输出交流信号；
所述可编程增益单元，用于将所述信号接收单元输出的交流信号，经放大或缩小后以差分信号输出；所述可编程增益单元包括仪表放大器，所述仪表放大器的两输入端分别设置有无源RC低通滤波器，所述信号接收单元输出的信号分别经两个无源RC低通滤波器后，经过所述仪表放大器进行放大或缩小；所述抗混叠滤波单元，用于接收所述可编程增益单元输出的信号，滤除高频干扰信号后以差分信号输出；
所述模数转换单元，用于接收所述抗混叠滤波单元输出的差分信号，并转换为数字信号输出。
2.根据权利要求1所述的应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，其特征在于：所述信号接收单元包括一个对地电阻，用于将所述传感器的基准输出端和信号输出端输出的信号同时叠加共模电压，所述对地电阻的一端接地，另一端连接在所述传感器的基准输出端。
3.根据权利要求2所述的应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，其特征在于：所述信号接收单元还包括一个耦合电容，所述耦合电容串联在所述传感器的一个输出端与所述可编程增益单元的一个输入端之间的通路上。
4.根据权利要求3所述的应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，其特征在于：所述耦合电容有两个，分别串联在所述传感器的两个输出端与所述可编程增益单元的两个输入端之间的两条通路上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的应用于电流激励传感器的全差分信号调理电路，其特征在于：所述抗混叠滤波单元采用由两个2阶多重反馈滤波电路构成的巴特沃斯低通滤波器。
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