CN110006840B - 基于红外的二氧化碳传感器的读出电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于红外的二氧化碳传感器的读出电路及其控制方法。所述电路包括参考通道单元、CO2通道单元，所述参考通道单元、CO2通道单元均由增益可调仪表放大电路、单位增益缓冲器电路和增量式数模转换电路组成；增益可调仪表放大电路的输入端作为CO2探测信号输入端，增益可调仪表放大电路的输出端经单位增益缓冲器电路与增量式数模转换电路的输入端连接，增量式数模转换电路的输出端作为数字信号输出端。本发明具有高精度、低功耗的优点；本发明采用了斩波技术和相关双采样技术大大减小了失调和误差；本发明在基于红外测量CO2传感器领域有极高的应用可靠性和巨大的应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于红外的二氧化碳传感器的读出电路及其控制方法。
背景技术
现如今，人类社会每天都在产生各种各样的气体，室内刷漆挥发的甲醛、汽车排放的尾气、焊接时候用的氩气以及近年来频繁引起话题的二氧化碳气体等。气体本身可能不会直接影响到人们健康，但一旦存在了某些特定情况，便都可能给人类社会引起重大问题。现代社会，汽车的应用已经是特别普遍了，小学生不慎被落在校车里、婴儿被父母独自留在汽车内以及一些司机因疲倦习惯性地在车内休息睡觉导致窒息的事故也已是屡见不鲜。平日里，因为在封闭的车内二氧化碳（CO2）浓度过高导致驾驶司机反应变得迟钝而引起的车祸等事故屡屡发生。
传统基于红外的CO2传感器的读出电路一般由放大器电路和模数转换器模块组成，采用分立器件搭建，面积大、成本高。传统基于红外的CO2传感器中放大器模块一般都是固定增益，改变增益只能通过更替电阻值大小，极度不便。而且输入信号频率很低，往往只有几个Hz大小，传统基于红外的CO2传感器中的普通Sigma-Delta ADC由于较常工作在高频输入信号条件下，因此其对1/f噪声等的抑制效果并不强，测量精度有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于红外的二氧化碳传感器的读出电路及其控制方法，电路结构清晰简单，采用增益可调模式的仪表放大器，单位增益缓冲器以及二阶增量式Sigma-Delta ADC，实现放大器增益可调，且可满足高精度的测量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于红外的二氧化碳传感器的读出电路，包括参考通道单元、CO2通道单元，所述参考通道单元、CO2通道单元均由增益可调仪表放大电路、单位增益缓冲器电路和增量式数模转换电路组成；增益可调仪表放大电路的输入端作为CO2探测信号输入端，增益可调仪表放大电路的输出端经单位增益缓冲器电路与增量式数模转换电路的输入端连接，增量式数模转换电路的输出端作为数字信号输出端。
在本发明一实施例中，所述增益可调仪表放大电路包括增益可调模块和仪表放大器，所述增益可调模块包括可变电阻、第一电阻，第一电阻的一端作为参考通道单元、CO2通道单元的公共输入端，第一电阻的另一端与可变电阻的一端、仪表放大器的反相输入端连接，可变电阻的另一端与仪表放大器的输出端连接，仪表放大器的同相输入端作为参考通道单元/CO2通道单元的CO2探测信号输入端。
在本发明一实施例中，所述可变电阻包括第一至第N+1开关、第二至第N+2电阻，第二电阻的一端与第一开关的一端、第一电阻的另一端连接，第二电阻的另一端与第三电阻的一端、第二开关的一端连接，依次类推，第i电阻的另一端与第i+1电阻的一端、第i开关的一端连接，第N+1电阻的另一端与第N+2电阻的一端、第N+1开关的一端连接，第一开关的另一端与第二至第N开关的另一端连接，第N+2电阻的另一端与仪表放大器的输出端连接，其中，i为整数且2＜i＜N+1。
在本发明一实施例中，所述第一至第N+1开关均为MOS管开关。
在本发明一实施例中，所述仪表放大器包括第一至第二斩波放大器、第一至第三跨导放大器、第一至第四密勒补偿电容，第一斩波放大器的第一输入端、第二输入端分别作为仪表放大器的反相输入端、同相输入端，第一斩波放大器的第一输出端、第二输出端分别与第一跨导放大器同相输入端、反相输入端连接，第一跨导放大器的第一输出端、第二输出端分别与第二斩波放大器的第一输入端、第二输入端连接，第二斩波放大器的第一输出端与第一密勒补偿电容的一端、第二跨导放大器的同相输入端连接，第二斩波放大器的第二输出端与第二密勒补偿电容的一端、第二跨导放大器的反相输入端连接，第二密勒补偿电容的另一端连接至GND，第一密勒补偿电容的另一端与第三密勒补偿电容的一端、第三跨导放大器的输出端连接，第二跨导放大器的第一输出端与第三密勒补偿电容的另一端、第三跨导放大器的反相输入端连接，第二跨导放大器的第二输出端与第四密勒补偿电容的一端、第三跨导放大器的同相输入端连接，第四密勒补偿电容的另一端连接至GND，第三跨导放大器的输出端作为仪表放大器的输出端。
本发明还提供了一种基于上述所述的基于红外的二氧化碳传感器的读出电路的控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、设置增益可调仪表放大电路的增益倍数；
步骤S2、将CO2探测信号输入增益可调仪表放大电路，放大后经单位增益缓冲器电路传输给增量式数模转换电路；
步骤S4、增量式数模转换电路将模拟信号转换成数字信号输出。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明具有高精度、低功耗的优点，仪表放大器具有增益可调功能，可以根据输入信号的不同，设置不一样的增益，提高对信号处理的精确度，增量式的模数转换器可以更好的处理低频信号；本发明在基于红外测量CO2传感器领域有着极高的应用可靠性和巨大的应用空间。
附图说明
图1为读取电路电路系统图。
图2为仪表放大器和单位增益缓冲器结构图。
图3为增量式模数转换器电路图。
图4为仪表放大器增益可调模式仿真图。
图5为读出电路输出数据的相对量化误差图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于红外的二氧化碳传感器的读出电路，主要由两条通道组成，每条通道都由三个模块组成：增益可调仪表放大电路、单位增益缓冲器电路和增量式数模转换电路。仪表放大器采用斩波技术降低输入失调电压，数模转换电路运用相关双采样技术来减小失调和误差。芯片基于SMIC 0.18µm CMOS工艺仿真并流片，芯片有效面积为0.623mm2，供电电压为1.6V，仿真结果显示，仪表放大器的功耗为31μA，输入噪声密度为28nV/√Hz ，最大失调电压为1.38μV，ADC功耗为182μA，输入噪声密度113nV√Hz，有效位数17bit。
本发明还提供了一种基于上述所述的基于红外的二氧化碳传感器的读出电路的控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、设置增益可调仪表放大电路的增益倍数；
步骤S2、将CO2探测信号输入增益可调仪表放大电路，放大后经单位增益缓冲器电路传输给增量式数模转换电路；
步骤S4、增量式数模转换电路将模拟信号转换成数字信号输出。
以下为本发明的具体实现过程。
芯片的电路框图如图1所示，共有两条通道，其电路组成相同，红色虚线里的是具体的电路模块组成。设置好增益倍数的仪表放大器将探测到的信号放大，经过单位增益缓冲器后，传输至增量式Sigma-Delta ADC，将模拟信号转换成数字码流输出，最后经片外的抽取滤波器得到Dout值。图1中Rx是由电阻和开关组合的可变电阻，与电阻R1形成增益可调模块，S0…SN都是MOS管搭建的开关。
图2是仪表放大器和单位增益缓冲器的电路框架图，仪表放大器的具体电路在正下方的虚线框里，三级运放提供更高的直流增益，引入斩波技术减小1/f噪声和失调电压的影响。将斩波的解调器CH2放在第一级和第二级运放之间，这样后级的密勒补偿电容C3对其产生的纹波进行滤除，不需要额外的滤波器模块，减小功耗和版图面积。电阻RX和R1组成增益可调模块，根据输入信号变化大小可以调整仪表放大器的放大倍数。单位增益缓冲器驱动后续的ADC模块。图2中，Rx是由电阻和开关组合的可变电阻，与电阻R1形成增益可调模块，S0…SN都是MOS管搭建的开关。CH1和CH2是斩波器，Fchop代表斩波器的斩波频率，V1是失调电压，Cp1是跨导放大器Gm1的等效输出电容，Gm2和Gm3都是跨导放大器，C21、C22、C31、C32都是密勒补偿电容
图3是增量式模数转换器的电路结构图。时序S1和S2为一对非交叠时钟，S1d、S2d为它们的延时时钟，用于控制开关。在S1相位时候，调制器的第一级进行积分，第二级和求和电容开始采样；在S2相位时候，第一级开始采样，第二级进行积分，求和电容将采样的电荷清零。图3中，S1d、S1、 S2、S2d都是MOS管搭建的开关，由不同的时序控制，时序在图的右下方，OTA1和OTA2都是跨导放大器，Vref是参考电压，VCM是共模电压，Cs1、Cs2是采样电容，Cint1、Cint2是积分电容，C1、C2、C3都是电容，最右端的三角形是比较器，enable是其使能信号。
在数字滤波器方面，对于直流或者低频输入，抑制环境噪声的干扰十分重要。考虑到各种非理想因素对电路性能的影响，本发明采用一种高性能滤波电路——sincL滤波器。sincL滤波器可以很好地抑制周期性噪声干扰，起到优化调制器性能的作用。
本发明基于红外的CO2传感器的读出电路仿真结果如图4和图5所示，图4仿真结果显示增益模块在50倍，100倍，150倍和200倍时候对应33.9dB，39.9dB，43.5dB和46.2dB，仪表放大器实现了增益可调功能，图5为读出电路输出的25个数据的相对量化误差仿真图，在所有输入范围内，相对量化误差均在±0.5V LSB （VLSB是最分辨电压）范围内，电路正确性得到验证。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于红外的二氧化碳传感器的读出电路，其特征在于，包括参考通道单元、CO2通道单元，所述参考通道单元、CO2通道单元均由增益可调仪表放大电路、单位增益缓冲器电路和增量式数模转换电路组成；增益可调仪表放大电路的输入端作为CO2探测信号输入端，增益可调仪表放大电路的输出端经单位增益缓冲器电路与增量式数模转换电路的输入端连接，增量式数模转换电路的输出端作为数字信号输出端；所述增益可调仪表放大电路包括增益可调模块和仪表放大器，所述增益可调模块包括可变电阻、第一电阻，第一电阻的一端作为参考通道单元、CO2通道单元的公共输入端，第一电阻的另一端与可变电阻的一端、仪表放大器的反相输入端连接，可变电阻的另一端与仪表放大器的输出端连接，仪表放大器的同相输入端作为参考通道单元/CO2通道单元的CO2探测信号输入端；所述可变电阻包括第一至第N+1开关、第二至第N+2电阻，第二电阻的一端与第一开关的一端、第一电阻的另一端连接，第二电阻的另一端与第三电阻的一端、第二开关的一端连接，依次类推，第i电阻的另一端与第i+1电阻的一端、第i开关的一端连接，第N+1电阻的另一端与第N+2电阻的一端、第N+1开关的一端连接，第一开关的另一端与第二至第N开关的另一端连接，第N+2电阻的另一端与仪表放大器的输出端连接，其中，i为整数且2＜i＜N+1；所述仪表放大器包括第一至第二斩波放大器、第一至第三跨导放大器、第一至第四密勒补偿电容，第一斩波放大器的第一输入端、第二输入端分别作为仪表放大器的反相输入端、同相输入端，第一斩波放大器的第一输出端、第二输出端分别与第一跨导放大器同相输入端、反相输入端连接，第一跨导放大器的第一输出端、第二输出端分别与第二斩波放大器的第一输入端、第二输入端连接，第二斩波放大器的第一输出端与第一密勒补偿电容的一端、第二跨导放大器的同相输入端连接，第二斩波放大器的第二输出端与第二密勒补偿电容的一端、第二跨导放大器的反相输入端连接，第二密勒补偿电容的另一端连接至GND，第一密勒补偿电容的另一端与第三密勒补偿电容的一端、第三跨导放大器的输出端连接，第二跨导放大器的第一输出端与第三密勒补偿电容的另一端、第三跨导放大器的反相输入端连接，第二跨导放大器的第二输出端与第四密勒补偿电容的一端、第三跨导放大器的同相输入端连接，第四密勒补偿电容的另一端连接至GND，第三跨导放大器的输出端作为仪表放大器的输出端；
所述的基于红外的二氧化碳传感器的读出电路的控制方法，包括如下步骤，
步骤S1、设置增益可调仪表放大电路的增益倍数；
步骤S2、将CO2探测信号输入增益可调仪表放大电路，放大后经单位增益缓冲器电路传输给增量式数模转换电路；
步骤S3、增量式数模转换电路将模拟信号转换成数字信号输出。
2.根据权利要求1所述的基于红外的二氧化碳传感器的读出电路，其特征在于，所述第一至第N+1开关均为MOS管开关。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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