CN107941884B - 一种氧分压传感器信号处理和测量电路 - Google Patents

一种氧分压传感器信号处理和测量电路 Download PDF

Info

Publication number
CN107941884B
CN107941884B CN201711127446.0A CN201711127446A CN107941884B CN 107941884 B CN107941884 B CN 107941884B CN 201711127446 A CN201711127446 A CN 201711127446A CN 107941884 B CN107941884 B CN 107941884B
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
signal
partial pressure
oxygen partial
pressure sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711127446.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107941884A (zh
Inventor
卢灿
赵路旭
李超
傅旭东
胡巧云
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd.
Original Assignee
North Electronic Research Institute Anhui Co., Ltd.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North Electronic Research Institute Anhui Co., Ltd. filed Critical North Electronic Research Institute Anhui Co., Ltd.
Priority to CN201711127446.0A priority Critical patent/CN107941884B/zh
Publication of CN107941884A publication Critical patent/CN107941884A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107941884B publication Critical patent/CN107941884B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/409—Oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells

Abstract

本发明公开了一种氧分压传感器信号处理和测量电路，包括比较电路、振荡电路和加减电路；比较电路将氧分压传感器输出电压信号与基准电压进行比较输出比较信号，振荡电路将比较信号转换成加减电路的周期计数脉冲信号，通过对加减电路初始值的增加和减少，生成氧分压传感器输出信号电压波形的数字计数测量信号。本发明的电路使用振荡器生成固定频率的计数脉冲信号，电路简单可靠；同步加减计数器电路结构简单，精度高；输出信号精度调节简便，测量精度高。

Description

一种氧分压传感器信号处理和测量电路
技术领域
本发明涉及一种氧分压传感器信号处理和测量电路，属于电路技术领域。
背景技术
目前同类氧分压传感器信号处理电路或者硬件电路复杂，或者测量精度不高，所以发明一种硬件结构简单，且测量精度高的氧分压传感器信号处理电路是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路结构简单且精度较高的氧分压传感器信号处理电路，以适应对氧气浓度的测量、监测和控制的需求。
本发明的技术方案：
一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，包括比较电路、振荡电路和加减电路；
比较电路将氧分压传感器输出电压信号与基准电压进行比较输出比较信号，振荡电路将比较信号转换成加减电路的周期计数脉冲信号，通过对加减电路初始值的增加和减少，生成氧分压传感器输出信号电压波形的数字计数测量信号。
比较电路包括4个比较器和多个分压电阻，通过分压电阻产生3个基准电压，氧分压传感器输出电压信号与基准电压分别经4个比较器进行比较，得出两路氧传感器测量用的方波信号，方波信号的高电平时间分别表示氧分压测量加周期和减周期的测量时间。
所述分压电阻中包括可调电阻，通过可调电阻调节基准电压。
振荡电路包括2个与非门和一振荡器，振荡器输出的固定频率的脉冲信号与比较电路输出的两路方波信号分别经过2个与非门后，产生可供加减电路使用的两路加减信号。
加减电路包括3个4位加减计数器，振荡电路输出的两路加减信号作为第一加减计数器的加减信号输入，对初始值进行加减操作，第一加减计数器的借位端信号和进位端信号作为第二加减计数器的输入信号，第二加减计数器的借位端信号和进位端信号作为第三加减计数器的输入信号，通过对计数初始值的修正，形成12位的数字计数测量信号。
采用拨码开关对加减电路初始值的高8位进行设置，通过拨码开关调节氧分压测量精度。
还包括一信号放大电路，信号放大电路分别与氧分压传感器的信号输出端S和公共端C连接，将氧分压传感器的输出端的输出信号放大为电压信号Signal输出至比较电路。
所述信号放大电路采用差动放大器，将氧分压传感器输出端和共用端之间的差分信号进行放大。
通过DA转换电路对加减电路输出的数字计数测量信号进行数模转换，生成用于表征氧分压值的模拟电压信号。
本发明具有以下几点创新性：
1、使用振荡器生成固定频率的计数脉中信号，电路简单可靠；
2、同步加减计数器电路结构简单，精度高。
本发明与现有技术相比,其有益效果为：
1、输出信号精度调节简便；
2、电路原理简单，测量精度高。
附图说明
图1是氧分压传感器信号处理和测量电路信号传递原理框图。
图2是氧分压传感器的输出信号与其泵电流之间的关系示意图。
图3是为本发明的氧分压传感器信号放大电路的电路图。
图4是氧分压传感器信号处理电路比较电路原理图。
图5是氧分压传感器信号处理电路振荡电路原理图。
图6是氧分压传感器信号处理电路加减电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明主要通过氧分压传感器输出电压信号与基准电压比较，利用振荡电路将比较信号转换成加减电路的周期计数信号，通过对加减电路初始值的增加和减少（零位修正），生成氧传感器输出信号电压波形的高精度数字计数测量信号，最后通过DA转换电路对数字信号进行处理，生成用于表征氧气分压的模拟电压信号。比较电路由4个比较器组成，通过分压电阻产生3个基准电压，氧传感器信号与基准电压进行比较，得出两路氧传感器测量用的方波信号，方波信号的高电平时间分别表示氧分压测量加周期和减周期的测量时间；震荡电路由2个与非门与一个振荡器组成，将氧传感器加周期和减周期时间转换固定频率的计数脉冲信号；加减电路由3个同步4位加减计数器组成，计数脉冲信号作为计数器的加减信号输入，通过对计数初始值的修正，形成12位高精度的数字测量信号；DA转换电路主要由DA转换芯片构成，经过DA转换，数字信号转换为稳定表征氧气分压的模拟电压信号。采用拨码开关调节氧分压测量精度。
氧分压传感器的输出信号S与泵电流之间的关系如附图2所示，当氧分压传感器的泵电流为正（泵电流由外部电路流入氧分压传感器的PUMP端）时，氧分压传感器的输出信号S逐渐增大；当氧分压传感器的泵电流为负（泵电流由氧分压传感器的PUMP端流出到外部电路）时，氧分压传感器的输出信号S逐渐减小。因氧分压传感器的特性，氧分压传感器的输出信号S的周期与氧分压传感器周围的被测气体中氧分压值呈线性关系，故通过对氧分压传感器的输出信号S的周期进行测量即计算可获知氧分压值。
信号放大电路分别与氧分压传感器的信号输出端S和公共端C连接，其将氧分压传感器的输出端的输出信号放大为电压信号Signal输出。参见附图3所示，信号放大电路包括运算放大芯片U0，运算放大芯片U0的输入电压补偿端即第一和第八引脚之间连接有串接的第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3和第四电阻R4的共用端与+12V外接电源相连接，运算放大芯片U0的信号输入负端即第二引脚经第五电阻R5后分别与氧分压传感器的共用端C和+6V电源连接，运算放大芯片U0的信号输入正端即第三引脚经第六电阻R6后与氧分压传感器的输出端相连接，运算放大芯片U0的信号输出端即第六引脚连接第七电阻R7后连接到信号放大后的输出端，信号放大电路的输出端与地之间连接有第四电容C4，运算放大芯片U0的信号输入负端和信号输出端之间还连接有并接的第五电容C5和第八电阻R8，运算放大芯片U0的供电电源负端即第四引脚接地，运算放大器U0的供电电源正端即第七引脚与+12V外接电源相连接，运算放大器U0的供电电源正端与地之间连接有第六电容C6。该信号放大电路的运算放大芯片U0采用差动放大器，将氧分压传感器输出信号S和氧分压传感器共用端C之间的差分信号进行放大，由第三电阻R3和第四电阻R4调整差分放大器的偏置电压，调节信号波形的对策型。由第八电阻R8调节差分放大器的放大系数，使获得的放大电压信号Signal便于后续的采集电路进行检测。
如图4所示：比较电路包括四个比较器N1A、N2A、N3A、N4A，经过放大的氧分压传感器输出的电压信号Signal分别输入比较器N1A的负输入端、比较器N2A的正输入端、比较器N3A的负输入端、比较器N4A的正输入端。经电阻分压后产生三个不同的比较电压U10、U20、U30，比较电压U10输入比较器N1A的正输入端，比较电压U20分别输入比较器N2A的负输入端和比较器N3A的正输入端，比较电压U30输入比较器N4A的负输入端。电压信号Signal与三个不同的比较电压U10、U20、U30进行比较，根据比较结果输出两路结果信号。利用串联的固定电阻R9,R11,R13和可调电阻R10,R12,R14进行分压，在不同的环境下可对比较电压U10、U20、U30进行调整以适应电路需求。经过比较，当电压信号Signal大于电压U20小于电压U10时，减小信号端DOWN为高电平，增大信号端UP为低电平；当电压信号Signal大于电压U30小于电压U20时，DOWN端为低电平，UP端为高电平。
如图5所示：振荡电路包括振荡器U1和与非门U2、U3，振荡器U1采用多谐振荡器CD4047芯片。1引脚即震荡网络电容端C外接电容C1，2引脚即震荡网络电阻端R外接电阻R18和R19，3引脚为振荡网络公共端，把电阻和电容相连在一起，通过电阻R18和R19，以及电容C1的调节，可使振荡器输出端Q输出合适频率的脉冲信号。固定频率的脉冲信号与DOWN和UP信号经过与非门U2,U3后，产生可供同步加减电路使用的加减信号UP1、DOWN2。
如图6所示：利用3个同步4位加减计数器U4,U5,U6组成三级加减电路。加减计数器U4,U5,U6均采用CD40193芯片。U4初值输入端ABCD置高，（信号转换初值低4位为1111，根据电路需求，通过拨码开关对加减电路初始值的高8位进行设置，增加电路使用的广泛性和灵活性）。UP1端和DOWN2端信号作为U4的输入信号，对初始值进行加减操作，U4的借位端BORROW和进位端CARRY作为U5的输入端，同理和U6连接，三个四位加减电路组成12位加减电路。
12位输出信号0～11与DA转换电路芯片CD40193连接，经过转换生成稳定的输出电压表征氧分压值。
以上所述仅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技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，包括比较电路、振荡电路和加减电路；
比较电路将氧分压传感器输出电压信号与基准电压进行比较输出比较信号，振荡电路将比较信号转换成加减电路的周期计数脉冲信号，通过对加减电路初始值的增加和减少，生成氧分压传感器输出信号电压波形的数字计数测量信号；
振荡电路包括2个与非门和一振荡器，振荡器输出的固定频率的脉冲信号与比较电路输出的两路方波信号分别经过2个与非门后，产生可供加减电路使用的两路加减信号；
加减电路包括3个4位加减计数器，振荡电路输出的两路加减信号作为第一加减计数器的加减信号输入，对初始值进行加减操作，第一加减计数器的借位端信号和进位端信号作为第二加减计数器的输入信号，第二加减计数器的借位端信号和进位端信号作为第三加减计数器的输入信号，通过对计数初始值的修正，形成12位的数字计数测量信号。
2.根据权利要求1所述的一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，比较电路包括4个比较器和多个分压电阻，通过分压电阻产生3个基准电压，氧分压传感器输出电压信号与基准电压分别经4个比较器进行比较，得出两路氧传感器测量用的方波信号，方波信号的高电平时间分别表示氧分压测量加周期和减周期的测量时间。
3.根据权利要求2所述的一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，所述分压电阻中包括可调电阻，通过可调电阻调节基准电压。
4.根据权利要求1所述的一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，采用拨码开关对加减电路初始值的高8位进行设置，通过拨码开关调节氧分压测量精度。
5.根据权利要求1所述的一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，还包括一信号放大电路，信号放大电路分别与氧分压传感器的信号输出端S和公共端C连接，将氧分压传感器的输出端的输出信号放大为电压信号Signal输出至比较电路。
6.根据权利要求5所述的一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，所述信号放大电路采用差动放大器，将氧分压传感器输出端和共用端之间的差分信号进行放大。
7.根据权利要求1所述的一种氧分压传感器信号处理和测量电路，其特征是，通过DA转换电路对加减电路输出的数字计数测量信号进行数模转换，生成用于表征氧分压值的模拟电压信号。
CN201711127446.0A 2017-11-15 2017-11-15 一种氧分压传感器信号处理和测量电路 Active CN107941884B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711127446.0A CN107941884B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种氧分压传感器信号处理和测量电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711127446.0A CN107941884B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种氧分压传感器信号处理和测量电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107941884A CN107941884A (zh) 2018-04-20
CN107941884B true CN107941884B (zh) 2020-08-04

Family

ID=61932235

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711127446.0A Active CN107941884B (zh) 2017-11-15 2017-11-15 一种氧分压传感器信号处理和测量电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107941884B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57212347A (en) * 1981-06-25 1982-12-27 Nissan Motor Co Ltd Air-fuel ratio control system
CN1511370A (zh) * 2001-05-22 2004-07-07 ���µ繤��ʽ���� 用于驱动振荡激励器的双边自激振荡电路
CN103066996A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 上海宏力半导体制造有限公司 振荡器及其自校准方法
CN103529096A (zh) * 2013-10-31 2014-01-22 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 氧分压传感器信号处理电路
CN105826903A (zh) * 2016-04-19 2016-08-03 无锡中感微电子股份有限公司 一种温度检测、保护电路及系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57212347A (en) * 1981-06-25 1982-12-27 Nissan Motor Co Ltd Air-fuel ratio control system
CN1511370A (zh) * 2001-05-22 2004-07-07 ���µ繤��ʽ���� 用于驱动振荡激励器的双边自激振荡电路
CN103066996A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 上海宏力半导体制造有限公司 振荡器及其自校准方法
CN103529096A (zh) * 2013-10-31 2014-01-22 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 氧分压传感器信号处理电路
CN105826903A (zh) * 2016-04-19 2016-08-03 无锡中感微电子股份有限公司 一种温度检测、保护电路及系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
分压型氧传感器在氧气体积分数测量中的应用;卢灿 等;《传感器与微系统》;20091020;第28卷(第10期);第1.1、1.2、2.3节 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107941884A (zh) 2018-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101226213A (zh) 电机相电流检测方法及装置
CN110572157B (zh) 一种i/f变换电路板的温度补偿方法
CN104793045B (zh) 一种宽量程电流频率转换器
CN103837253B (zh) 一种cmos温度传感器
Zhang et al. A wide measurement range and fast update rate integrated interface for capacitive sensors array
Sreenath et al. A resistive sensor readout circuit with intrinsic insensitivity to circuit parameters and its evaluation
TWI241071B (en) Test framework and test method of analog to digital converter
CN109510616B (zh) 基于rc振荡电路的传感器接口控制电路
CN203324439U (zh) 集成运算放大器的测试仪
CN108562373A (zh) 一种高精度的温度传感器电路
CN213023322U (zh) 一种微波模块的高精度电流监视电路
CN107543973A (zh) 一种矩形脉冲信号参数测量仪
CN104316950B (zh) 一种辐射剂量率低功耗探测与宽量程刻度方法及装置
CN107941884B (zh) 一种氧分压传感器信号处理和测量电路
CN108680616B (zh) 一种数字化处理的湿度传感装置及方法
CN103529096B (zh) 氧分压传感器信号处理电路
CN210514568U (zh) 一种用于ups蓄电池检测系统中的正弦激励源
CN109633251B (zh) 一种if电路积分电压峰峰值求解方法及装置
CN205921567U (zh) 一种锯齿波产生电路
CN106066660B (zh) 一种频率和幅度可程控的低频正弦波基准信号产生方法
CN109709400B (zh) 一种恒流源电路
CN219830135U (zh) 一种基于铂热电阻的高精度温度检测模块
CN218099226U (zh) 一种iepe传感器模拟电路及检测装置
CN203337310U (zh) 一种气压测量电路
CN104198066A (zh) 一种基于基准源的温度传感器电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 233040 No.10 Caiyuan Road, Bengbu City, Anhui Province

Patentee after: Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd.

Address before: 233040 No.10 Caiyuan Road, Bengbu City, Anhui Province

Patentee before: NORTH ELECTRON RESEARCH INSTITUTE ANHUI Co.,Ltd.

CI03 Correction of invention patent
CI03 Correction of invention patent

Correction item: Patentee

Correct: Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd.

False: Anhui North Microelectronics Research Institute Group Co.,Ltd.

Number: 10-01

Volume: 39