CN106656083A - 一种高精度长时间无漂移积分器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度长时间无漂移积分器，包括电压基准REF、多路开关SW、放大器、ADC、MCU以及DAC；其中，REF提供准确的参考电压V_ref；SW为单刀三掷开关，触点1、2、3为SW的输入端，触点4为SW的输出端；触点1与V_ref相连，触点2与信号输入V_in相连，触点3与GND相连，触点4与放大器A的第一输入端相连；放大器A的第二输入端与GND相连；放大后的信号由MCU控制的ADC进行采样，同时MCU以一定时序控制SW在三路信号中进行切换以作为放大器的输入信号进行放大，并在MCU中完成积分的运算，再由DAC输出信号积分值。本发明不仅实现了对微弱信号的积分，消除了因时间和温度对积分漂移带来的影响，能在长时间内实现无漂移积分输出，并且电路简单，控制方便。

Description

一种高精度长时间无漂移积分器

技术领域

本发明涉及一种积分器技术领域，尤其涉及一种高精度长时间无漂移积分器。

背景技术

影响积分漂移的因素主要在于构成积分器的运算放大器中存在输入失调电压V_OS、输入失调电流I_OS和输入偏置电流I_IB，以及积分电容的介质损耗和泄露电阻的存在等而造成积分非线性漂移。随着时间的增加，这些因素引起积分漂移增加，并且还会受到温度影响而变化，“时漂”和“温漂”为长时间低漂移积分器的重要影响因素。在发明人之前提出的专利申请(参见专利文献1：中国专利公开号CN106094935A)中，将构成积分器的器件工作温度控制在一定温度范围内解决了温度对积分漂移的影响，虽然经过积分补偿以及温控后能使模拟积分器在较长时间内保持低漂移的输出，但如果长时间检测并且不清零的情况下，积分漂移会逐渐增加而影响检测精度。在专利文献2：中国专利公告号CN203368437U和专利文献3：美国专利公开号：US20140354343A1中采用两组模拟积分器交替切换进行积分，解决了单个积分器随时间推移而产生的积分误差，但并未考虑到温度的影响和两组积分交替时刻对输入信号和积分漂移的处理。专利文献4：中国专利公告号CN201667646U也只涉及到基于现场可编程门阵列实现长时间低零漂数字积分器。

如果被测信号比较微弱，需要对信号进行一定的放大再进行积分，则会因为该放大器的非理想性为积分漂移引入更多的影响变量，为积分漂移抑制带来更大的困难，因此需要设计合理的高精度放大电路以及积分漂移抑制电路来提取被测信号，并且能保持长时间低漂移积分输出。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高精度长时间无漂移积分器，包括电压基准REF、多路开关SW、放大器A、模拟数字转换器ADC、微处理器MCU以及数字模拟转换器DAC；其中，REF采用高精度低漂移的基准芯片以提供准确的参考电压V_ref；SW为单刀三掷开关，触点1、触点2、触点3为SW的输入端，触点4为SW的输出端；触点1与电压V_ref相连，触点2与信号输入V_in相连，触点3与信号地GND相连，触点4与放大器A的第一输入端相连；放大器A的第二输入端与GND相连；放大后的信号由MCU控制的ADC进行采样，同时MCU以一定时序控制所述多路开关SW在三路信号中进行切换以作为放大器A的输入信号进行放大，并在MCU中完成积分的运算，再由DAC输出信号积分值。

进一步地，为使V_ref与输入信号V_in在一个数量级，采用高匹配精度低匹配温度漂移的匹配电阻R₁和R₂进行分压得到与被测信号一个量级的基准电压V_ref。

进一步地，所述信号输入V_in取自感应线圈的一端。

进一步地，为更好的从信号源中提取微弱的有用信号，放大器采用仪表放大器对信号进行倍数为K的放大。

进一步地，所述积分器的工作过程为：t₁、t₂时间段为调整阶段，t₁＝t₂＝N×T_sample，其中，N为采样点数，T_sample为ADC采样频率；t₃、t₄时间段为积分阶段，t₃＝t₄＝n×T_sample，其中，n为采样点数，n<10；积分过程在t₃、t₄阶段循环进行。

进一步地，1)t₁时间段，多路开关SW接入到GND，此时被放大的是放大器自身的输入失调电压V_os，放大器输出：

2)t₂时间段，多路开关SW接入到V_ref，放大器输出：

3)根据V_out1和V_out2，由MCU得到准确的放大倍数

4)t₃时间段，多路开关SW接入GND，放大器输出

5)t₄时间段，多路开关SW接入到V_in，放大器输出

6)根据V_out3和V_out4，由MCU得到

7)重复4)-6)，由MCU进行积分运算，得到V_out＝∑V_in，即为整个的积分输出，再由DAC输出积分值。

为了进一步提高可积输入信号频率，本发明还提供了一种高精度长时间无漂移积分器，包括电压基准REF、微处理器MCU、数字模拟转换器DAC以及m个多路开关SW、m个放大器A、m个模拟数字转换器ADC；其中，REF采用高精度低漂移的基准芯片以提供准确的参考电压V_ref；SW为单刀三掷开关，触点1、触点2、触点3为SW的输入端，触点4为SW的输出端；SW_i的触点1与电压V_ref相连，触点2与信号输入V_in相连，触点3与信号地GND相连，触点4与对应的放大器A_i的第一输入端相连，i＝1,2,…,m；放大器A_i的第二输入端与GND相连；放大器A_i的输出信号由MCU控制下的ADC_i进行采样，同时MCU以一定时序控制所述多路开关SW_i在三路信号中进行切换以作为放大器A_i的输入信号进行放大，并在MCU中完成积分的运算，再由DAC输出信号积分值。

进一步地，所述积分器的工作过程为：在调整阶段，分别算得准确的K₁，K₂，……，K_m值，然后根据多路开关的切换时序由MCU从ADC单元中提取相应的数据进行计算，最终得到积分值。

本发明的有益效果是：1、用放大器对被积分信号进行放大，可直接提取出信号中的有用微弱信号，集放大，积分为一体，实现了对微弱信号的积分；2、一个周期对积分漂移进行放大并采样，下一个周期对信号放大并采样同时减去上一个周期积分漂移，得到无积分漂移的放大信号，消除了因时间带来的积分漂移影响；3、两个周期之间，温度可视为不变，消除了因温度对积分漂移的影响；4、选择高精度低漂移的基准和高匹配精度低匹配温度漂移的匹配电阻对其进行分压，可得到精确且温漂极小的与被测信号一个数量级的基准电压V_ref，该电压作为基准可用于得到放大器准确的放大倍数；5、整个电路简单，控制方便；6、多路放大器同时工作，提高了可检测的输入信号频率，减小了对脉冲型输入信号采样数据的丢失。

附图说明

图1是本发明的高精度长时间无漂移积分器第一实施例电路图；

图2是本发明的第一实施例的工作原理图；

图3是本发明的高精度长时间无漂移积分器第二实施例电路图；

图4是本发明的第二实施例的工作原理图。

具体实施方案

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明的高精度长时间无漂移积分器电路组成如附图1所示，包括电压基准REF、多路开关SW、放大器A、模拟数字转换器ADC、微处理器MCU以及数字模拟转换器DAC。其中，REF采用高精度低漂移的基准芯片以提供准确的参考电压V_ref，为使V_ref与输入信号在一个数量级，采用高匹配精度低匹配温度漂移的匹配电阻R₁和R₂进行分压得到与被测信号一个量级的精确的基准电压V_ref。SW为单刀三掷开关，触点1与匹配电阻分压后的电压V_ref相连，触点2与信号输入V_in(感应线圈一端)相连，触点3与信号地(GND)相连，触点4与放大器的第一输入端相连。放大器的第二输入端与信号地(GND)相连。为更好的从信号源中提取微弱的有用信号，放大器采用仪表放大器对信号进行一定倍数的放大，放大后的信号由MCU控制ADC进行采样，同时MCU以一定时序控制多路开关SW在三路信号中进行切换使其作为输入信号进行放大器中放大，并在MCU中完成积分的运算，再由DAC输出信号积分值。

放大器的放大倍数为K倍，积分器的工作过程如附图2所示，t₁、t₂时间段为调整阶段，t₁＝t₂＝N×T_sample(N为采样点数，T_sample为ADC采样频率)。此后的时间为积分阶段，t₃＝t₄＝n×T_sample(n为采样点数，为减小噪声影响，并提高可检测的输入信频率，n取值尽量小，一般小于10)，接下来的积分过程在t₃、t₄阶段循环进行。在极短的t₃到t₄时间内，温度不会出现突变，因此放大器在t₃时刻的V_os与t₄时刻的V_os是一致的。

1)t₁时间段，多路开关SW接入到GND，此时被放大的是放大器自身的输入失调电压V_os，放大器输出：

2)t₂时间段，多路开关SW接入到V_ref，放大器输出：

3)根据V_out1和V_out2，由MCU得到准确的放大倍数

4)t₃时间段，多路开关SW接入GND，放大器输出

5)t₄时间段，多路开关SW接入到感应线圈输入V_in，放大器输出

6)根据V_out3和V_out4，由MCU得到

7)重复4)-6)，由MCU进行积分运算，得到V_out＝∑V_in，即为整个的积分输出，再由DAC输出积分值。

实施例2

如果想进一步提高可积输入信号频率，除了减小n值外，可采用多放大器组合进行，如附图3所示：

同时增加多路开关SW，放大器A和ADC的个数为m个，由MCU控制多路开关SW的切换时序那么可积分的输入信号频率将提高m倍。

其工作过程如附图4所示：

在调整阶段，分别算得准确的K₁，K₂，……，K_m值，然后根据多路开关的切换时序由MCU从ADC单元中提取相应的数据进行计算，最终得到积分值。具体步骤为：

1)将t3阶段由MCU等分为m个时序并产生m个脉冲该信号，用于控制SW1，SW2，……，SWm的切换时序；

2)t1时间段，多路开关SW1，SW2，……，SWm全部接入到GND，此时每一路放大器自身失调电压V_os均被放大，各路放大器输出为：

3)t2时间段，多路多路开关SW1，SW2，……，SWm全部切换到V_ref，此时各路放大器输出为：

4)根据各路的V_1out1，V_2out1，……，V_mout1和V_1out2，V_2out2，……，V_mout2，由MCU计算得到准确的放大倍数

5)t₃时间段，根据MCU发出的m个脉冲时序，第1个脉冲到来时多路开关SW1接入GND，放大器输出第2个脉冲到来时多路开关SW2接入GND，放大器输出第m个脉冲到来时多路开关SWm接入GND，放大器输出

6)t4时间段，同样根据MCU发出的m个脉冲时序，第1个脉冲到来时多路开关SW1接入信号输入端，放大器输出第2个脉冲到来时多路开关SW2接入信号输入端，放大器输出第m个脉冲到来时多路开关SWm接入信号输入端，放大器输出

7)根据V_1out3，V_2out3，……，V_mout3和V_1out4，，……，V_mout4，由MCU计算得到

8)重复5)-7)，由MCU进行积分运算，得到V_out＝∑V_in，即为整个的积分输出，再由DAC输出积分值。

本发明可应用于任何需要从微分信号中通过积分得到积分量的领域，例如：tokamak磁信号检测，铁磁性材料无损探伤，导航系统以及陀螺仪等。

本发明不仅实现了对微弱信号的积分，消除了因“时间”和“温度”对积分漂移带来的影响，能在长时间内实现无漂移积分输出，并且电路简单，控制方便。

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 (8)

1.一种高精度长时间无漂移积分器，其特征在于：所述积分器包括电压基准REF、多路开关SW、放大器A、模拟数字转换器ADC、微处理器MCU以及数字模拟转换器DAC；其中，REF采用高精度低漂移的基准芯片以提供准确的参考电压V_ref；SW为单刀三掷开关，触点1、触点2、触点3为SW的输入端，触点4为SW的输出端；触点1与电压V_ref相连，触点2与信号输入V_in相连，触点3与信号地GND相连，触点4与放大器A的第一输入端相连；放大器A的第二输入端与GND相连；放大后的信号由MCU控制的ADC进行采样，同时MCU以一定时序控制所述多路开关SW在三路信号中进行切换以作为放大器A的输入信号进行放大，并在MCU中完成积分的运算，再由DAC输出信号积分值。

2.根据权利要求1所述的积分器，其特征在于：为使V_ref与输入信号V_in在一个数量级，采用高匹配精度低匹配温度漂移的匹配电阻R₁和R₂进行分压得到与被测信号一个量级的基准电压V_ref。

3.根据权利要求1所述的积分器，其特征在于：所述信号输入V_in取自感应线圈的一端。

4.根据权利要求1所述的积分器，其特征在于：为更好的从信号源中提取微弱的有用信号，放大器采用仪表放大器对信号进行倍数为K的放大。

5.根据权利要求1所述的积分器，其特征在于：所述积分器的工作过程为：t₁、t₂时间段为调整阶段，t₁＝t₂＝N×T_sample，其中，N为采样点数，T_sample为ADC采样频率；t₃、t₄时间段为积分阶段，t₃＝t₄＝n×T_sample，其中，n为采样点数，n<10；积分过程在t₃、t₄阶段循环进行。

6.根据权利要求5所述的积分器，其特征在于：所述积分器的工作过程具体包括以下步骤：

1)t1时间段，多路开关SW接入到GND，此时被放大的是放大器自身的输入失调电压Vos，放大器输出：

2)t₂时间段，多路开关SW接入到V_ref，放大器输出：

3)根据V_out1和V_out2，由MCU得到准确的放大倍数

4)t₃时间段，多路开关SW接入GND，放大器输出

5)t₄时间段，多路开关SW接入到V_in，放大器输出

6)根据V_out3和V_out4，由MCU得到

7)重复4)-6)，由MCU进行积分运算，得到V_out＝∑V_in，即为整个的积分输出，再由DAC输出积分值。

7.一种高精度长时间无漂移积分器，其特征在于：所述积分器包括电压基准REF、微处理器MCU、数字模拟转换器DAC以及m个多路开关SW、m个放大器A、m个模拟数字转换器ADC；其中，REF采用高精度低漂移的基准芯片以提供准确的参考电压V_ref；SW为单刀三掷开关，触点1、触点2、触点3为SW的输入端，触点4为SW的输出端；SW_i的触点1与电压V_ref相连，触点2与信号输入V_in相连，触点3与信号地GND相连，触点4与对应的放大器A_i的第一输入端相连，i＝1,2,…,m；放大器A_i的第二输入端与GND相连；放大器A_i的输出信号由MCU控制下的ADC_i进行采样，同时MCU以一定时序控制所述多路开关SW_i在三路信号中进行切换以作为放大器A_i的输入信号进行放大，并在MCU中完成积分的运算，再由DAC输出信号积分值。

8.根据权利要求7所述的积分器，其特征在于：所述积分器的工作过程为：在调整阶段，分别算得准确的K₁，K₂，……，K_m值，然后根据多路开关的切换时序由MCU从ADC单元中提取相应的数据进行计算，最终得到积分值。