CN108829168B - 带有快速上电热机电路的低频信号处理方法及其电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有快速上电热机电路的低频信号处理方法及其电路，该方法包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路，电抗网络电路通过信号线W22连接有快速上电热机电路，电抗网络电路通过信号线W21连接有主控电路；信号线W22建立直流工作点，信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递。相比于现有技术，在本发明当中，增加了快速上电热机电路，直流工作点的建立由信号线W22对大容值电容进行充电，缩短上电热机时间；上电热机时间短且固定，系统功耗小；产品的生产测试时间短、效率高、成本低、安装调试方便、改善了用户体验。

Description

带有快速上电热机电路的低频信号处理方法及其电路
技术领域
本发明属于电子电路领域，特别涉及一种带有快速上电热机电路的低频信号处理方法及其电路。
背景技术
低频信号处理电路一般检测的是频率低于10Hz的信号，为了有效的处理信号并滤除各种高频和甚低频噪声，低频信号处理电路需要采用大容值的电容对信号进行放大、滤波等各种处理；而电容具有两端电压差不能跃变的特性，当电路系统上电时，电容两端的电压差是从零伏开始充电、上升的，如此，大容值电容就会造成低频信号处理电路需要一段较长的时间去建立电路的直流工作点，在这段时间内，电路不能正常工作，这段时间被定义为上电热机时间。
在传统的低频信号处理电路中，直流工作点的建立和维持，以及低频电压或电流信号sv_i的传递都是通过同一条信号线W11来完成的，系统上电时，为建立直流工作点，主控电路通过信号线W11提供充电电流给电抗网络电路里的大容值电容充电，当直流工作点建立后，进行低频信号处理的过程中会消耗电能，故主控电路还需要通过信号线W11提供维持直流工作点的工作电流，在传统电路中，建立直流工作点的充电电流和维持直流工作点的工作电流其实是同一个电流，这个电流都是由主控电路本身的工作电流IQ1分流产生的电流IQ2。
系统上电时，用电流IQ2对大容值电容进行充电以建立直流工作点存在诸多缺点，首先，为减小功耗，主控电路的工作电流IQ1不会太大，这使得充电电流IQ2较小，所以上电后，电容两端的电压差从零伏开始充电、上升到直流工作点所需要的上电热机时间较长；其次，如果在电抗网络电路里有高阻值的电阻和大容值电容相串联，由于电阻的限流作用，充电电流IQ2会更小，这会使得上电热机时间更长；第三，上电热机时间的长短直接和电流IQ2和电容的电容值大小有关，使得上电热机时间不固定，会随着所采用的电容容值的不同而变化；第四，为了避免上电热机时间过长，主控电路的工作电流也不会太小，这使得电路系统的功耗较大。
综上所述，传统的低频信号处理电路存在上电热机时间长且不固定、功耗较大等缺点，这会造成产品的生产测试时间长、效率低、成本高、安装调试不方便、用户体验差等。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种上电热机时间短并且固定，功耗小的带有快速上电热机电路的低频信号处理方法及其电路。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明提供了一种带有快速上电热机电路的低频信号处理方法，该方法包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路，所述电抗网络电路通过信号线W22连接有所述快速上电热机电路，所述电抗网络电路通过信号线W21连接有所述主控电路；所述信号线W22建立直流工作点，所述信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递。
本发明还提供了带有快速上电热机电路的低频信号处理电路，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；所述快速上电热机电路包括有定时电路、LDO电路、充电电路和开关SW，所述定时电路通过EN引脚连接有所述LDO电路、所述充电电路和所述开关SW，所述LDO电路通过VM引脚连接所述充电电路，所述充电电路连接所述开关SW；所述电抗网络电路包括有大容值电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，所述大容值电容Ci的一端接地，另一端连接所述电阻Ri，所述大容值电容Ci和所述电阻Ri之间通过信号线W22连接所述开关SW，所述电阻Ri的另一端连接有所述电阻Rf的一端，所述电阻Rf的两端连接有所述电容Cf；所述主控电路包括有运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端连接有传感信号，所述运算放大器OPA的反相输入端连接所述电阻Ri，所述运算放大器OPA的输出端连接放大信号输出，所述电阻Rf通过信号线W21连接所述运算放大器OPA的输出端；所述信号线W22建立直流工作点，所述信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递。
本发明还提供了带有快速上电热机电路的低频信号优化处理电路，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；所述快速上电热机电路包括有定时电路、LDO电路、充电电路、非门G、开关SW1和开关SW2；所述定时电路通过EN引脚连接有所述非门G的输入端、所述LDO电路、所述充电电路和所述开关SW1，所述LDO电路通过VM引脚连接充电电路，所述充电电路连接所述开关SW1，所述非门G的输出端连接有所述开关SW2和所述主控电路，所述开关SW2连接放大信号输出；所述电抗网络电路包括有大容量电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，所述大容量电容Ci的一端接地，其另一端连接所述电阻Ri的一端，所述大容量电容Ci与所述电阻Ri之间通过信号线W22连接所述开关SW1，所述电阻Ri的另一端连接有所述电阻Rf的一端和所述主控电路，所述电阻Rf的两端连接有所述电容Cf，所述电阻Rf的另一端通过信号线W21连接所述主控电路；所述主控电路包括运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端连接传感信号输入，所述运算放大器OPA的反相输入端连接所述电阻Ri，所述运算放大器OPA的使能端连接非门G的输出端，所述运算放大器OPA的输出端连接开关SW2，并通过信号线W21连接所述电阻Rf。
本发明还提供了带有快速上电热机电路的低频信号简易处理电路，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；所述快速上电热机电路包括有定时电路和开关SW，所述定时电路连接所述开关SW；所述电抗网络电路包括有大容量电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，所述大容量电容Ci的一端接地，其另一端连接所述电阻Ri的一端，所述大容量电容Ci与所述电阻Ri之间通过信号线W22连接所述开关SW，所述电阻Ri的另一端连接有所述电阻Rf的一端和所述主控电路，所述电阻Rf的两端连接有所述电容Cf，所述电阻Rf的另一端通过信号线W21连接所述开关SW和所述主控电路；所述主控电路包括运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端连接传感信号输入，所述运算放大器OPA的反相输入端连接所述电阻Ri，所述运算放大器OPA的输出端连接放大信号输出，并通过信号线W21连接所述电阻Rf。
本发明的优势在于：相比于现有技术，在本发明当中，
(1)本发明的带有快速上电热机电路的低频信号处理方法，首先，在电路中增加了快速上电热机电路，直流工作点的建立由上电热机电路通过信号线W22输出充电电流ICH给电抗网络电路里的大容值电容充电，充电完成后电容两端电压差等于设定的直流共模电压，充电电流可以被设计得很大，比如200uA，并且充电电流不经过高阻值电阻，故上电热机时间缩短；当直流工作点建立后，快速上电热机电路停止工作，减小电路系统功耗；第二，主控电路仅通过信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递，由于维持直流工作点和处理信号所需要的工作电流IQ2远远小于上电充电电流ICH，所以主控电路的工作电流可以被设计得很小，比如2uA；第三、上电热机电路只在上电热机期间工作，其余时间不工作，故系统功耗小；第四，快速上电热机电路里的定时器使得本发明的热机时间是固定的，不随电容容值变化，安装调试方便。本发明上电热机时间短且固定、功耗小，产品的生产测试时间短、效率高、成本低、安装调试方便、改善了用户体验。
(2)本发明的带有快速上电热机电路的低频信号处理电路，电路中增加了快速上电热机电路，直流工作点的建立由上电热机电路通过信号线W22输出充电电流ICH给电抗网络电路里的大容值电容充电，缩短了上电热机时间；第二，上电热机电路只在上电热机期间工作，其余时间不工作，减小电路系统功耗；第三，主控电路仅通过信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递；第四，主控电路的工作电流可以设计得很小，比如2uA。
(3)本发明的带有快速上电热机电路的低频信号优化处理电路，电路中增加了快速上电热机电路，直流工作点的建立由上电热机电路通过信号线W22输出充电电流ICH给电抗网络电路里的大容值电容充电，缩短了上电热机时间；第二，上电热机电路只在上电热机期间工作，其余时间不工作，减小电路系统功耗；第三，主控电路仅通过信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递；第四、当直流工作点建立后，主控电路才开始工作；第五，主控电路的工作电流可以设计得很小，比如2uA；第六，该电路减小了上电热机时充电电路和主控电路之间的相互干扰，并避免运算放大器OPA输出端在上电热机期间输出错误的信号。
(4)本发明的带有快速上电热机电路的低频信号简易处理电路，电路中增加了快速上电热机电路，快速上电热机电路仅由定时电路和开关SW组成，直流工作点的建立由上电热机电路通过信号线W22输出充电电流ICH给电抗网络电路里的大容值电容充电，大容量电容容Ci两端的电压差可以在较短时间内被充电到直流工作点VIM，缩短了上电热机时间；第二，上电热机电路只在上电热机期间工作，其余时间不工作，减小电路系统功耗；第三，主控电路仅通过信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递；第四，主控电路的工作电流可以设计得很小，比如5uA。
附图说明
图1是传统低频信号处理电路的电路图。
图2是传统人体感应低频带通放大器的电路图。
图3是本发明带有快速上电热机电路的低频信号处理方法的电路图。
图4是本发明带有快速上电热机电路的低频信号处理电路的电路图。
图5是本发明带有快速上电热机电路的低频信号优化处理电路的电路图。
图6是本发明带有快速上电热机电路的低频信号简易处理电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-2所示，传统的低频信号处理电路主要由主控电路和电抗网络电路组成，其中，电抗网络电路里包括了电容，还可能包括了电阻等元件，这些元件以串联、并联等各种方式进行连接。电抗网络电路可能连接在主控电路的输入端，也可能连接在主控电路的输出端，所以信号sv_i的传递方向有可能是从主控电路到电抗网络电路，也有可能是从电抗网络电路到主控电路。信号sv_i可能是一个低频电压信号，也可能是一个低频电流信号。电路的直流工作点由主控电路建立和维持，电路的主要功能也由主控电路实现，电抗网络电路提供特定的频率特性，配合主控电路实现低频信号的处理。
当系统上电时，为建立直流工作点，主控电路通过信号线W11提供充电电流给电抗网络电路里的大容值电容充电，当直流工作点建立后，进行低频信号处理的过程中会消耗电能，故主控电路还需要通过信号线W11提供维持直流工作点的工作电流，在传统电路中，建立直流工作点的充电电流和维持直流工作点的工作电流其实是同一个电流，这个电流都是由主控电路本身的工作电流IQ1分流产生的电流IQ2。
比如：在传统的人体感应电路中，采用了如图2所示的低频带通放大器，其中，运算放大器OPA是主控电路，电容Ci、Cf以及电阻Ri、Rf组成了电抗网络电路，电容Ci是一个容值为几十uF的大电容，电阻Rf是一个阻值为几MΩ的大电阻，由传感器输入的传感信号中既包括了直流共模电压VIM，又包括了交流感应信号vi。图2中，直流工作点的建立和维持以及输出信号的传递都是通过信号线W11来进行的，系统上电时，运算放大器输出一个充电电流IQ2对电容Ci和Cf进行充电，随着电容Ci两端电压差的上升，运算放大器OPA的反相输入端的直流电压也跟着上升，当运算放大器OPA的反相输入端的直流电压上升到等于VIM时，电路的直流工作点就建立了。在此过程中，因为运算放大器OPA的工作电流不太大，加上大电阻Rf的限流作用，导致充电电流IQ2很小，一般小于3uA，从而导致该低频带通放大器的上电热机时间很长，一般为20s～60s。另外，图2中的运算放大器OPA的工作电流一般为10uA～20uA，功耗较大。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下。
参见图3所示，本发明提供了一种带有快速上电热机电路的低频信号处理方法，该方法包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路，电抗网络电路通过信号线W22连接有快速上电热机电路，电抗网络电路通过信号线W21连接有主控电路；信号线W22建立直流工作点，系统上电时，上电热机电路开始工作，并输出充电电流ICH给电抗网络电路中的大容值电容充电，电流ICH可以被设计得很大，比如200uA，以缩短上电热机时间，当直流工作点建立后，主控电路开始工作，快速上电热机电路停止工作以减小电路系统功耗；信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递。
参见图4所示，本发明提供了带有快速上电热机电路的低频信号处理电路，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；快速上电热机电路包括有定时电路、LDO电路、充电电路和开关SW，定时电路通过EN引脚连接有LDO电路、充电电路和开关SW，LDO电路通过VM引脚连接充电电路，充电电路连接开关SW；电抗网络电路包括有大容值电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，大容值电容Ci的一端接地，另一端连接电阻Ri，大容值电容Ci和电阻Ri之间通过信号线W22连接开关SW，电阻Ri的另一端连接有电阻Rf的一端，电阻Rf的两端连接有电容Cf；主控电路包括有运算放大器OPA，运算放大器OPA的同相输入端连接有传感信号，运算放大器OPA的反相输入端连接电阻Ri，运算放大器OPA的输出端连接放大信号输出，电阻Rf通过信号线W21连接放大器OPA的输出端；信号线W22建立直流工作点，信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递。
系统上电后，定时电路开始计时，同时输出使能信号EN为高电平，LDO电路和充电电路工作、开关SW闭合连通，充电电路输出充电电流ICH给大容值电容Ci充电，以建立直流工作点；LDO产生直流电压VM，VM的幅度为VIM，直流电压VM可保证充电完成后大容值电容Ci两端电压差等于VIM，由于充电电流ICH远远大于运算放大器输出的电流IQ2，所以在大容值电容Ci充电期间电路主要受上电热机电路控制。由于充电电流ICH很大，为200uA，大容值电容Ci两端的电压差可在短时间内被充电上升达到直流工作点VIM。电容充电时间随大容值电容Ci的容值增大而增大，但定时电路可以设定足够的定时时间，当到了定时时间后，直流工作点已经建立并稳定了，此时定时电路输出使能信号EN为低电平，LDO电路和充电电路停止工作、开关SW断开，直流工作点的维持由运算放大器输出的工作电流IQ2来完成。
其中，可以将定时电路的定时时间设定为3s，上电热机时间等于定时电路的定时时间，那么，工作电流约为2uA。定时时间设定为3s可满足绝大部分应用。
参见图5所示，本发明还提供了带有快速上电热机电路的低频信号优化处理电路，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；快速上电热机电路包括有定时电路、LDO电路、充电电路、非门G、开关SW1和开关SW2；定时电路通过EN引脚连接有非门G的输入端、LDO电路、充电电路和开关SW1，LDO电路通过VM引脚连接充电电路，充电电路连接开关SW1，非门G的输出端连接有开关SW2和主控电路，开关SW2连接放大信号输出；电抗网络电路包括有大容量电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，大容量电容Ci的一端接地，其另一端连接电阻Ri的一端，大容量电容Ci与电阻Ri之间通过信号线W22连接开关SW1，电阻Ri的另一端连接有电阻Rf的一端和主控电路，电阻Rf的两端连接有电容Cf，电阻Rf的另一端通过信号线W21连接主控电路；主控电路包括运算放大器OPA，运算放大器OPA的同相输入端连接传感信号输入，运算放大器OPA的反相输入端连接电阻Ri，运算放大器OPA的使能端连接非门G的输出端，运算放大器OPA的输出端连接开关SW2，并通过信号线W21连接电阻Rf。
在上电热机过程中，定时电路输出使能信号EN为高电平，使运算放大器OPA不工作，开关SW2断开，可减小上电热机时充电电路和主控电路之间的相互干扰，并避免运算放大器OPA输出端在上电热机期间输出错误的信号；当上电热机结束，直流工作点已经建立并稳定后，定时电路输出使能信号EN为低电平，开关SW2闭合连通，此时，运算放大器即开始工作并输出放大信号。
参见图6所示，本发明还提供了带有快速上电热机电路的低频信号简易处理电路，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；快速上电热机电路包括有定时电路和开关SW，定时电路连接开关SW；电抗网络电路包括有大容量电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，大容量电容Ci的一端接地，其另一端连接电阻Ri的一端，大容量电容Ci与电阻Ri之间通过信号线W22连接开关SW，电阻Ri的另一端连接有电阻Rf的一端和主控电路，电阻Rf的两端连接有电容Cf，电阻Rf的另一端通过信号线W21连接开关SW和主控电路；主控电路包括运算放大器OPA，运算放大器OPA的同相输入端连接传感信号输入，运算放大器OPA的反相输入端连接电阻Ri，运算放大器OPA的输出端连接放大信号输出，并通过信号线W21连接电阻Rf。
快速上电热机电路仅由定时电路和开关SW组成，直流工作点的建立是由上电热机电路通过信号线W22对大容值电容进行充电。系统上电后，定时电路开始计时，同时输出使能信号EN为高电平，使开关SW闭合连通，充电电流ICH由运算放大器本身的工作电流IQ1提供给大容量电容Ci充电，以建立直流工作点，由于没有传统电路中大电阻Rf的限流作用，充电电流ICH较大，最高可达5uA，大容量电容Ci两端的电压差可以在较短时间内被充电到直流工作点VIM。电容充电时间随大容量电容Ci容值的增大而增大，但定时电路可以设定足够的定时时间，当到了定时时间后，直流工作点已经建立并逐步稳定，此时定时电路输出使能信号EN为低电平，使得开关SW断开，此后，直流工作点的维持由运算放大器输出的工作电流IQ2来完成。
其中，可以将定时电路的定时时间设定为6s，该定时电路的定时时间等于上电热机时间，工作电流IQ1约为5uA。定时时间设定为6s可满足绝大部分应用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带有快速上电热机电路的低频信号处理电路，其特征在于，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；所述快速上电热机电路包括有定时电路、LDO电路、充电电路和开关SW，所述定时电路通过EN引脚连接有所述LDO电路、所述充电电路和所述开关SW，所述LDO电路通过VM引脚连接所述充电电路，所述充电电路连接所述开关SW；所述电抗网络电路包括有大容值电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，所述大容值电容Ci的一端接地，另一端连接所述电阻Ri，所述大容值电容Ci和所述电阻Ri之间通过信号线W22连接所述开关SW，所述电阻Ri的另一端连接有所述电阻Rf的一端，所述电阻Rf的两端连接有所述电容Cf；所述主控电路包括运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端连接有传感信号，所述运算放大器OPA的反相输入端连接所述电阻Ri，所述运算放大器OPA的输出端连接放大信号输出，所述电阻Rf通过信号线W21连接所述运算放大器OPA的输出端；所述信号线W22建立直流工作点，所述信号线W21进行直流工作点的维持和信号的传递。
2.一种带有快速上电热机电路的低频信号优化处理电路，其特征在于，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；所述快速上电热机电路包括定时电路、LDO电路、充电电路、非门G、开关SW1和开关SW2；所述定时电路通过EN引脚分别连接所述非门G的输入端、所述LDO电路、所述充电电路和所述开关SW1，所述LDO电路通过VM引脚连接充电电路，所述充电电路连接所述开关SW1，所述非门G的输出端连接所述开关SW2和所述主控电路，所述开关SW2连接放大信号输出；所述电抗网络电路包括大容量电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，所述大容量电容Ci的一端接地，其另一端连接所述电阻Ri的一端，所述大容量电容Ci与所述电阻Ri之间通过信号线W22连接所述开关SW1，所述电阻Ri的另一端连接所述电阻Rf的一端和所述主控电路，所述电阻Rf的两端连接所述电容Cf，所述电阻Rf的另一端通过信号线W21连接所述主控电路；所述主控电路包括运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端连接传感信号输入，所述运算放大器OPA的反相输入端连接所述电阻Ri，所述运算放大器OPA的使能端连接非门G的输出端，所述运算放大器OPA的输出端连接开关SW2，并通过信号线W21连接所述电阻Rf。
3.一种带有快速上电热机电路的低频信号简易处理电路，其特征在于，该电路包括有快速上电热机电路、电抗网络电路和主控电路；所述快速上电热机电路包括定时电路和开关SW，所述定时电路连接所述开关SW；所述电抗网络电路包括大容量电容Ci、电阻Ri、电阻Rf和电容Cf，所述大容量电容Ci的一端接地，其另一端连接所述电阻Ri的一端，所述大容量电容Ci与所述电阻Ri之间通过信号线W22连接所述开关SW，所述电阻Ri的另一端连接所述电阻Rf的一端和所述主控电路，所述电阻Rf的两端并联所述电容Cf，所述电阻Rf的另一端通过信号线W21连接所述开关SW和所述主控电路；所述主控电路包括运算放大器OPA，所述运算放大器OPA的同相输入端连接传感信号输入，所述运算放大器OPA的反相输入端连接所述电阻Ri，所述运算放大器OPA的输出端连接放大信号输出，并通过信号线W21连接所述电阻Rf。
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