CN107765075A - 一种电流信号处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流信号处理装置，包括：依次相连的跨阻放大器、滤波器和倍数放大器；倍数放大器包括倍数放大电路和数字积分电路；倍数放大电路包括第七电阻元件和第三运放元件，第七电阻元件的第一端与第三运放元件的反相输入端相连，第三运放元件的正向输入端与滤波器相连；数字积分电路包括第二数模转换元件、数字积分元件和第一模数转化元件；第二数模转换元件的第一端与第七电阻元件的第二端相连，第二数模转换元件的第二端与数字积分元件的第一端相连，数字积分元件的第二端与第一模数转化元件的第一端相连，第一模数转化元件的第二端与第三运放元件的输出端相连。本方案解决了现有技术中小电流信号的处理电路响应慢、参数不可调的问题。

Description

一种电流信号处理装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别是指一种电流信号处理装置。

背景技术

目前，小电流(毫安级及以下)信号需要先进行电流电压转换，再进行放大，提取交流成分。该技术在通信等领域应用比较广泛，比如APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)、激光器的背光电流检测等；而且通常实现这种功能的装置一般是用模拟器件进行搭建，例如TIA(跨阻放大器)、倍数放大器电路等。

但是，基于以上架构的电路存在响应慢，可调范围小，调整参数不可控，元器件不容易匹配，容易出现非线性等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电流信号处理装置，解决现有技术中小电流信号的处理电路响应慢、参数不可调的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种电流信号处理装置，包括：

依次相连的跨阻放大器、滤波器和倍数放大器；

其中，所述倍数放大器包括倍数放大电路和数字积分电路；

所述倍数放大电路包括第七电阻元件和第三运放元件，且所述第七电阻元件的第一端与所述第三运放元件的反相输入端相连，所述第三运放元件的正向输入端与所述滤波器相连；

所述数字积分电路包括第二数模转换元件、数字积分元件和第一模数转化元件；

所述第二数模转换元件的第一端与所述第七电阻元件的第二端相连，所述第二数模转换元件的第二端与所述数字积分元件的第一端相连，所述数字积分元件的第二端与所述第一模数转化元件的第一端相连，所述第一模数转化元件的第二端与所述第三运放元件的输出端相连。

可选的，所述倍数放大电路还包括：

第八电阻元件和第三电容元件；

所述第八电阻元件的第一端与所述第七电阻元件的第一端、所述第三电容元件的第一端和所述第三运放元件的反相输入端均相连，所述第八电阻元件的第二端与所述第三电容元件的第二端和所述第三运放元件的输出端均相连。

可选的，所述跨阻放大器包括跨阻放大电路和与所述跨阻放大电路相连的增益控制电路；

所述跨阻放大电路包括第一电阻元件和第二运放元件，且所述第一电阻元件的第一端与所述第二运放元件的反相输入端相连；

所述增益控制电路包括第一数模转换元件、第一运放元件、第二电阻元件和第三电阻元件；

所述第一数模转换元件的第一输入端与所述第二运放元件的输出端相连，所述第一数模转换元件的输出端与所述第一运放元件的正向输入端相连，所述第一运放元件的输出端和所述第二电阻元件的第一端均与所述第一电阻元件的第二端相连，所述第二电阻元件的第二端和所述第一运放元件的反相输入端均与所述第三电阻元件的第一端相连，所述第三电阻元件的第二端接地。

可选的，所述跨阻放大电路还包括：

光检测元件、第一电容元件、第四电阻元件和第五电阻元件；

所述光检测元件的输入端接地，所述光检测元件的输出端与所述第一电阻元件的第一端、所述第一电容元件的第一端和所述第二运放元件的反相输入端均相连，所述第一电容元件的第二端与所述第一数模转换元件的第一输入端和所述第二运放元件的输出端均相连，所述第一数模转换元件的第一输入端、所述第一电容元件的第二端和所述第二运放元件的输出端均与所述滤波器相连；

所述第四电阻元件的第一端接地，所述第四电阻元件的第二端与所述第二运放元件的正向输入端和所述第五电阻元件的第一端均相连，所述第五电阻元件的第二端连接电源。

可选的，所述数字积分元件的第三端与所述第一数模转换元件的第二输入端相连。

可选的，所述第一数模转换元件的第二输入端接入外部输入数据。

可选的，所述滤波器包括：第六电阻元件和第二电容元件；

所述第六电阻元件的第一端与所述跨阻放大器相连，所述第六电阻元件的第二端与所述第二电容元件的第一端和所述倍数放大器均相连，所述第二电容元件的第二端接地。

可选的，所述光检测元件为雪崩光电二极管。

可选的，所述数字积分元件包括现场可编程门阵列。

可选的，所述数字积分电路的积分时间由所述数字积分元件控制。

可选的，所述数字积分电路对所述第三运放元件的输出信号进行采集，并进行累加，将累加后的信号再输入到所述第三运放元件的反相输入端，跟所述第三运放元件的正端信号相减，剩余交流信号由所述第三运放元件进行放大。

可选的，所述跨阻放大器感光后产生电流信号，将所述电流信号转变为电压信号并放大后输出给所述滤波器；所述滤波器对所述电压信号进行滤波后输出给所述倍数放大器，所述倍数放大器对滤波后的所述电压信号进行去直流，放大交流的操作。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，所述电流信号处理装置通过设置数字积分电路能够提高电流信号的响应速度和幅频特性，同时扩大控制范围，解决了现有技术中小电流信号的处理电路响应慢、参数不可调的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的电流信号处理装置构成示意图一；

图2为本发明实施例的电流信号处理装置构成示意图二。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的技术中小电流信号的处理电路响应慢、参数不可调的问题，提供一种电流信号处理装置，如图1和图2所示，包括：

依次相连的跨阻放大器、滤波器和倍数放大器；

其中，所述倍数放大器包括倍数放大电路和数字积分电路；

所述倍数放大电路包括第七电阻元件R7和第三运放元件A3，且所述第七电阻元件R7的第一端与所述第三运放元件A3的反相输入端相连，所述第三运放元件A3的正向输入端与所述滤波器相连；

所述数字积分电路包括第二数模转换元件DAC2、数字积分元件I1和第一模数转化元件ADC1；

所述第二数模转换元件DAC2的第一端与所述第七电阻元件R7的第二端相连，所述第二数模转换元件DAC2的第二端与所述数字积分元件I1的第一端相连，所述数字积分元件I1的第二端与所述第一模数转化元件ADC1的第一端相连，所述第一模数转化元件ADC1的第二端与所述第三运放元件A3的输出端相连。

本发明实施例提供的所述电流信号处理装置通过设置数字积分电路能够提高电流信号的响应速度和幅频特性，同时扩大控制范围，解决了现有技术中小电流信号的处理电路响应慢、参数不可调的问题。

其中，所述跨阻放大器感光后产生电流信号，将所述电流信号转变为电压信号并放大后输出给所述滤波器；所述滤波器对所述电压信号进行滤波后输出给所述倍数放大器，所述倍数放大器对滤波后的所述电压信号进行去直流，放大交流的操作。

具体的，如图1和图2所示，所述数字积分电路对所述第三运放元件A3的输出信号进行采集，并进行累加，将累加后的信号再输入到所述第三运放元件A3的反相输入端，跟所述第三运放元件A3的正端信号相减，剩余交流信号由所述第三运放元件A3进行放大。

进一步的，如图1和图2所示，所述倍数放大电路还包括：第八电阻元件R8和第三电容元件C3；所述第八电阻元件R8的第一端与所述第七电阻元件R7的第一端、所述第三电容元件C3的第一端和所述第三运放元件A3的反相输入端均相连，所述第八电阻元件R8的第二端与所述第三电容元件C3的第二端和所述第三运放元件A3的输出端均相连。

为了进一步提高响应速度，控制跨阻放大器TIA的增益，抵消倍数放大器的直流分量，并放大交流信号；如图1和图2所示，所述跨阻放大器包括跨阻放大电路和与所述跨阻放大电路相连的增益控制电路；所述跨阻放大电路包括第一电阻元件R1和第二运放元件A2，且所述第一电阻元件R1的第一端与所述第二运放元件A2的反相输入端相连；所述增益控制电路包括第一数模转换元件DAC1、第一运放元件A1、第二电阻元件R2和第三电阻元件R3；

所述第一数模转换元件DAC1的第一输入端与所述第二运放元件A2的输出端相连，所述第一数模转换元件DAC1的输出端与所述第一运放元件A1的正向输入端相连，所述第一运放元件A1的输出端和所述第二电阻元件R2的第一端均与所述第一电阻元件R1的第二端相连，所述第二电阻元件R2的第二端和所述第一运放元件A1的反相输入端均与所述第三电阻元件R3的第一端相连，所述第三电阻元件R3的第二端接地。

进一步的，如图1和图2所示，所述跨阻放大电路还包括：光检测元件、第一电容元件C1、第四电阻元件R4和第五电阻元件R5；所述光检测元件的输入端接地，所述光检测元件的输出端与所述第一电阻元件R1的第一端、所述第一电容元件C1的第一端和所述第二运放元件A2的反相输入端均相连，所述第一电容元件C1的第二端与所述第一数模转换元件DAC1的第一输入端和所述第二运放元件A2的输出端均相连，所述第一数模转换元件DAC1的第一输入端、所述第一电容元件C1的第二端和所述第二运放元件A2的输出端均与所述滤波器相连；

所述第四电阻元件R4的第一端接地，所述第四电阻元件R4的第二端与所述第二运放元件A2的正向输入端和所述第五电阻元件R5的第一端均相连，所述第五电阻元件R5的第二端连接电源VCC。

本发明实施例中的第一数模转换元件DAC1的信号输入包括多种实现方式，本发明实施例中提供两种具体实例：

第一种，如图2所示，所述数字积分元件I1的第三端与所述第一数模转换元件DAC1的第二输入端相连。也就是由数字积分电路提供的输入信号Vref。

第二种，如图1所示，所述第一数模转换元件DAC1的第二输入端接入外部输入数据。也就是额外由外部输入信号Vref，比如可由MCU(微控制单元)、CPU(中央处理器)提供/写入。

如图1和图2所示，所述滤波器包括：第六电阻元件R6和第二电容元件C2；所述第六电阻元件R6的第一端与所述跨阻放大器相连，所述第六电阻元件R6的第二端与所述第二电容元件C2的第一端和所述倍数放大器均相连，所述第二电容元件C2的第二端接地。

优选的，如图1和图2所示，所述光检测元件为雪崩光电二极管APD1。所述数字积分元件I1包括现场可编程门阵列FPGA1。所述数字积分电路的积分时间由所述数字积分元件I1控制。

上述提及的R1用于限流，R2和R3用于控制A1的放大倍数，R4和R5用于控制A2的放大倍数，R6用于滤波，R7和R8用于控制A3的放大倍数，C1、C2和C3均用于滤波。

本发明实施例中，跨阻放大器和倍数放大器都可以调整参数范围。

下面对本发明实施例提供的电流信号处理装置进行进一步说明。

可以说，本发明实施例提供了一种具有响应快、参数可调的数模混合的小信号检测放大装置，如图1和图2所示，本装置包括，跨阻放大器(包括增益控制电路)、滤波器和倍数放大器(包括数字积分电路)。

跨阻放大器的总作用是检测电流信号，把电流信号转换为电压信号，并进行放大。

其中的增益控制电路包括DAC1(数模转换)、电阻R2、电阻R3和运放A1。其作用是根据A2输出信号的大小，控制跨阻放大器的放大倍数。如果A2输出在大于1.25V，则缩小放大倍数；如果A2输出在小于1.25V，则扩大放大倍数。放大的倍数由R2和R3决定。

倍数放大器的总作用是放大交流信号。放大倍数由R8和R7决定。放大的信号是R7两端的压差。

数字积分电路包括ADC1(模数转换)、数字积分器I1和DAC2(数模转换)。其作用是对输出信号进行采样，并进行累加，累加的值送给A3输入负端，跟正端信号相减，抵消直流分量，剩余交流信号由A3进行放大，从而完成交流小信号的放大。

装置中的R6、C1、C2和C3均起滤波作用。

本装置的工作过程大概如下：

APD1感光后产生电流信号Iin，该信号上既有直流信号也有交流信号，信号进入A2进行电流转电压的变换，并进行放大，然后由A2输出电压信号。此处的放大倍数为

其中的R1就是R1的电阻值，Code是DAC1的输入量。

然后再通过R6和C2进行滤波从R6输出，再经过放大器A3进行去直流，放大交流。其中去直流由DAC2、I1和ADC1组成的积分电路完成；交流放大由R7和R8完成。最后A3输出放大后的交流信号Vout，完成检测、去直流和放大的全过程。

本装置结合了数字逻辑电路快速响应的特点，能够控制TIA的增益，抵消倍数放大器的直流分量，并放大交流信号。

此外，数字积分电路的积分常数可以控制，提高了幅频特性和控制范围，这是分立RC(相移)网络不能实现的。

下面本发明实施例提供的方案进行举例说明，以激光器背光检测放大装置为例。

如图2所示，装置参数如下：

APD1为激光器背光管，响应度为0.055A/W。

VCC＝3.3V。

C1＝0.1uF，C2＝0.1uF，C3＝0.1uF。

R1＝1KΩ，R2＝50KΩ，R3＝50KΩ，R4＝1KΩ，R5＝12KΩ，R6＝50KΩ，R7＝1KΩ，R8＝40KΩ。

DAC1和DAC1均为12bit，ADC1为12bit，积分器I1为24bit累加器。

A1、A2和A3均为3.3V供电运算放大器。

FPGA1(I1)实现ADC1的数据采样，并进行积分，把积分结果写入倍数运算放大器环路中。FPGA1还实现增益控制电路的倍数控制。

根据以上参数跨阻放大器(TIA)的放大倍数为：

其中Code等于FPGA1写入DAC1的数字量，也就是TIA的增益控制电路的控制量。跨阻放大器输出的直流量为1.25V。

倍数放大电路的倍数为：

数字积分电路积分输出值为1.25V，积分时间由FPGA1控制。积分公式如下：

其中V是ADC1采集到的值(Vout)，p是FPGA1(I1，影响响应)设置的比例系数，积分时间由n和累加时钟决定，如果时钟的周期是T，则积分时间为：

τ＝n·T；

比如n取值1000，T为1us，则对应积分时间是1ms；n(取正整数)和T由FPGA1或者其它主控部分控制。

以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述原理前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种电流信号处理装置，其特征在于，包括：

依次相连的跨阻放大器、滤波器和倍数放大器；

其中，所述倍数放大器包括倍数放大电路和数字积分电路；

所述倍数放大电路包括第七电阻元件和第三运放元件，且所述第七电阻元件的第一端与所述第三运放元件的反相输入端相连，所述第三运放元件的正向输入端与所述滤波器相连；

所述数字积分电路包括第二数模转换元件、数字积分元件和第一模数转化元件；

所述第二数模转换元件的第一端与所述第七电阻元件的第二端相连，所述第二数模转换元件的第二端与所述数字积分元件的第一端相连，所述数字积分元件的第二端与所述第一模数转化元件的第一端相连，所述第一模数转化元件的第二端与所述第三运放元件的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述倍数放大电路还包括：

第八电阻元件和第三电容元件；

所述第八电阻元件的第一端与所述第七电阻元件的第一端、所述第三电容元件的第一端和所述第三运放元件的反相输入端均相连，所述第八电阻元件的第二端与所述第三电容元件的第二端和所述第三运放元件的输出端均相连。

3.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述跨阻放大器包括跨阻放大电路和与所述跨阻放大电路相连的增益控制电路；

所述跨阻放大电路包括第一电阻元件和第二运放元件，且所述第一电阻元件的第一端与所述第二运放元件的反相输入端相连；

所述增益控制电路包括第一数模转换元件、第一运放元件、第二电阻元件和第三电阻元件；

所述第一数模转换元件的第一输入端与所述第二运放元件的输出端相连，所述第一数模转换元件的输出端与所述第一运放元件的正向输入端相连，所述第一运放元件的输出端和所述第二电阻元件的第一端均与所述第一电阻元件的第二端相连，所述第二电阻元件的第二端和所述第一运放元件的反相输入端均与所述第三电阻元件的第一端相连，所述第三电阻元件的第二端接地。

4.根据权利要求3所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述跨阻放大电路还包括：

光检测元件、第一电容元件、第四电阻元件和第五电阻元件；

所述光检测元件的输入端接地，所述光检测元件的输出端与所述第一电阻元件的第一端、所述第一电容元件的第一端和所述第二运放元件的反相输入端均相连，所述第一电容元件的第二端与所述第一数模转换元件的第一输入端和所述第二运放元件的输出端均相连，所述第一数模转换元件的第一输入端、所述第一电容元件的第二端和所述第二运放元件的输出端均与所述滤波器相连；

所述第四电阻元件的第一端接地，所述第四电阻元件的第二端与所述第二运放元件的正向输入端和所述第五电阻元件的第一端均相连，所述第五电阻元件的第二端连接电源。

5.根据权利要求3所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述数字积分元件的第三端与所述第一数模转换元件的第二输入端相连。

6.根据权利要求3所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述第一数模转换元件的第二输入端接入外部输入数据。

7.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述滤波器包括：第六电阻元件和第二电容元件；

所述第六电阻元件的第一端与所述跨阻放大器相连，所述第六电阻元件的第二端与所述第二电容元件的第一端和所述倍数放大器均相连，所述第二电容元件的第二端接地。

8.根据权利要求4所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述光检测元件为雪崩光电二极管。

9.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述数字积分元件包括现场可编程门阵列。

10.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述数字积分电路的积分时间由所述数字积分元件控制。

11.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述数字积分电路对所述第三运放元件的输出信号进行采集，并进行累加，将累加后的信号再输入到所述第三运放元件的反相输入端，跟所述第三运放元件的正端信号相减，剩余交流信号由所述第三运放元件进行放大。

12.根据权利要求1所述的电流信号处理装置，其特征在于，所述跨阻放大器感光后产生电流信号，将所述电流信号转变为电压信号并放大后输出给所述滤波器；所述滤波器对所述电压信号进行滤波后输出给所述倍数放大器，所述倍数放大器对滤波后的所述电压信号进行去直流，放大交流的操作。