CN110044492A - 用于图像处理系统的差分运算放大电路和图像处理系统 - Google Patents

用于图像处理系统的差分运算放大电路和图像处理系统 Download PDF

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刘宝龙
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Abstract

本发明公开了一种用于图像处理系统的差分运算放大电路和图像处理系统，其中差分运算放大电路包括：第一输入电阻和第二输入电阻；差分运算放大器，第一输入端通过第一输入电阻与热成像传感器的输出端连接；第二输入端通过第二输入电阻与基准电压电路连接，基准电压电路用于提供固定的基准电压；第一反馈电阻，连接在差分运算放大器的第一输入端和第一输出端之间；第二反馈电阻，连接在差分运算放大器的第二输入端和第二输出端之间。本发明使单端变化的电信号，变为双端变化的差分信号，提高了信号的动态范围，满足后端高速差分AD采样的输入要求，提高信号的抗干扰能力，提高了抗噪声和抗电磁干扰的能力，从硬件上保证了图像采集的质量。

Description

用于图像处理系统的差分运算放大电路和图像处理系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种用于图像处理系统的差分运算放大电路和图像处理系统。
背景技术
图像采集通常包括可见光图像的采集和红外图像的采集。可见光图像通常采用市面上比较常用的摄像机来采集，而红外图像的采集通常采用热成像传感器（或者成为红外热成像传感器）。
红外热成像传感器作为图像处理系统中的前端信息采集部件，作为把光学信号（红外光信号）转换为电信号的重要部件，其采集到的电信号往往存在共模噪声及干扰，而这些共模噪声及干扰会极大地影响信号的传输以及后期成像的处理，使得信号传输质量低，最终导致成像效果差。
发明内容
本发明要解决现有技术中热成像传感器采集到的电信号存在共模噪声以及干扰，降低信号传输质量以及影响成像效果的问题，从而提供一种用于图像处理系统的差分运算放大电路和图像处理系统。
本发明的一方面，提供了一种用于图像处理系统的差分运算放大电路，包括：第一输入电阻和第二输入电阻；差分运算放大器，第一输入端通过所述第一输入电阻与热成像传感器的输出端连接；第二输入端通过所述第二输入电阻与基准电压电路连接，所述基准电压电路用于提供固定的基准电压；第一反馈电阻，连接在所述差分运算放大器的第一输入端和第一输出端之间；第二反馈电阻，连接在所述差分运算放大器的第二输入端和第二输出端之间。
可选地，所述基准电压电路包括：稳压源芯片，输入端与初始电源连接，用于将所述初始电源进行稳压，得到次级电压；低通滤波电路，与所述稳压源的输出端连接，用于对所述次级电压进行滤波处理得到的所述基准电压。
可选地，所述第一输入端为所述差分运算放大器的正输入端，所述第二输入端为所述差分运算放大器的负输入端。
可选地，所述第一输出端为所述差分运算放大器的负输出端；所述第二输出端为所述差分运算放大器的正输出端。
可选地，所述第一输入电阻与所述第二输入电阻的值相等；所述第一反馈电阻与所述第二反馈电阻的值相等。
可选地，所述差分运算放大器的输出端与AD转换器连接。
可选地，所述AD转换器的输入电压范围为-1～1V，所述基准电压为2.5V，所述热成像传感器的输出电压为0～5V，所述第一输入电阻与所述第一反馈电阻的比值为0.4。
可选地，所述第一输入电阻的阻值为200欧姆，所述第一反馈电阻为499欧姆，所述第一输入电阻与所述第一反馈电阻的阻值精度为1%。
可选地，还包括：
电源正极，与供电电源的正极连接；
电源负极，与供电电源的负极连接。
本发明实施例的另一方面提供了一种图像处理系统，包括：热成像传感器，用于采集红外光信号，并转化为电信号；差分运算放大器电路，单输入端与所述热成像传感器连接，用于对所述电信号转化为差分信号；AD转换器，输入端与所述差分运算放大器电路的输出端连接，用于将所述差分信号转换为数字信号。
本发明实施例中，差分运算放大器的输入端为单端输入的情况，差分运算放大器其中一端为单端输入变化的电信号，也即是热成像传感器的输出电信号，另一端使用基准电压保持电压高可靠的稳定，因而总体的差分运算放大器输入的变化范围为-V到+V的变化，类似差分输入的情况，保持采样信号的高质量传输。
现有技术中在进行差分运算放大器的使用过程中，通常是对输入端的电阻、电容的选用进行改进。而本发明实施例中关键点之一在于将差分运算放大器的一端采用基准稳压，而另一端作为信号的动态输入，从而保证整个输入类似差分输入，保证输入信号的信号完整性，抗干扰能力；差分运算放大器作为红外热成像传感器采集的电信号处理部件，使单端变化的电信号，变为双端变化的差分信号，提高了信号的动态范围，满足后端高速差分AD采样的输入要求，提高信号的抗干扰能力，提高了抗噪声和抗电磁干扰的能力，从硬件上保证了图像采集的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中差分运算放大器的基本结构；
图2为本发明实施例中差分运算放大器电路的电路图；
图3为本发明实施例中基准电压电路的示意图；
图4为本发明实施例中开环增益量和相位与频率的关系的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
发明人在研究中发现，差分运算放大器能够把电信号转换为差分信号，这样，能够提高信号额抗干扰能力，并且还能保持信号缓冲的作用，结合后端的差分输入的数字转模拟转换器，来一直共模噪声及干扰，将动态范围提高2倍，并通过差分信号提高总体性能。
本发明实施例所采用的差分运算放大器的基本结构如图1所示，其信号定义如下：
输入电压：Vid为差模输入电压，Vic为共模输入电压。
输出电压：Vod为输出电压，Voc为输出共模电压。
内部反馈电路，保持输出共模电压Voc=Vocm。
具体的基本公式定义如下：
差分运算放大器输出的不是单端输出信号而是输出以Vocm为参考的差分信号Vout+、Vout-。
输入Vin+、Vin-名义上输入幅度大小相等、相位相反，但当输入单端信号时，一个输入端电压固定，另一端则因其而变化，这种情况可类似差分输入。例如Vin+端电压变化范围为0～5V，而Vin-端电压基准源固定为2.5V，则整个输入端的电压变化范围为-2.5V～2.5V，可类似差分输入。
上述差分运算放大器的输出关系式如下：
（1）差分输出单端的电压：
Vout+=Vocm+Vod/2;
Vout-=Vocm-Vod/2;
（2）差分运算放大器的闭环传递函数：
当开环增益A（s）为无穷大时，实际上运放的开环增益A（s）接近无穷大。所以，理想的差分运算放大器的闭环增益为Rf/Rg，其中Rf为反馈电阻，Rg为输入电阻。
其中为反馈因子，具体定义如下：
具体地，在实际应用中，本发明实施例提供了一种用于图像处理系统的差分运算放大器电路，如图2所示，该电路包括：
第一输入电阻RG1和第二输入电阻RG2。
差分运算放大器20，第一输入端通过所述第一输入电阻RG1与热成像传感器10的输出端连接；第二输入端通过所述第二输入电阻RG2与基准电压电路30连接，所述基准电压电路30用于提供固定的基准电压。本发明实施例的差分运算放大器可以选用ADA4940差分运算放大器。其中，热成像传感器10的输出可以先经过一级的电压跟随器之后，在输入到差分运算放大器中。
第一反馈电阻RF1，连接在所述差分运算放大器20的第一输入端和第一输出端之间。
第二反馈电阻RF2，连接在所述差分运算放大器20的第二输入端和第二输出端之间。
本发明实施例中，差分运算放大器的输入端为单端输入的情况，差分运算放大器其中一端为单端输入变化的电信号，也即是热成像传感器的输出电信号，另一端使用基准电压保持电压高可靠的稳定，因而总体的差分运算放大器输入的变化范围为-V到+V的变化，类似差分输入的情况，保持采样信号的高质量传输。
现有技术中在进行差分运算放大器的使用过程中，通常是对输入端的电阻、电容的选用进行改进。而本发明实施例中关键点之一在于将差分运算放大器的一端采用基准稳压，而另一端作为信号的动态输入，从而保证整个输入类似差分输入，保证输入信号的信号完整性，抗干扰能力；差分运算放大器作为红外热成像传感器采集的电信号处理部件，使单端变化的电信号，变为双端变化的差分信号，提高了信号的动态范围，满足后端高速差分AD采样的输入要求，提高信号的抗干扰能力，提高了抗噪声和抗电磁干扰的能力，从硬件上保证了图像采集的质量。
如图3所示，本发明实施例所述基准电压电路包括：稳压源芯片，输入端与初始电源连接，用于将所述初始电源进行稳压，得到次级电压；低通滤波电路，与所述稳压源的输出端连接，用于对所述次级电压进行滤波处理得到的所述基准电压。
本发明实施例中，在初始电源和基准电压可以根据需要进行选择，例如，当基准电压选择2.5V时，初始电源可以选择5V，在经过稳压源芯片处理后，得到2.5V的次级电压，然后对该次级电压进过低通滤波电路的滤波处理之后，得到稳定的2.5V基准电压。本发明实施例中，稳压源芯片和低通滤波电路的内部电路结构可以根据需要进行选择和设计，本发明实施例中主要通过稳压源芯片和低通滤波电路来处理普通的电压源，从而得到稳定的基准电压，以实现差分运算放大器的单端输入。
如图2所示，本发明实施例中，所述第一输入端为所述差分运算放大器20的正输入端+，所述第二输入端为所述差分运算放大器20的负输入端-。可选地，所述第一输出端为所述差分运算放大器的负输出端Vout-；所述第二输出端为所述差分运算放大器的正输出端Vout+。
进一步地，所述第一输入电阻RG1和第二输入电阻RG2的值相等；所述第一反馈电阻RF1与所述第二反馈电阻RF2的值相等。也即是输入电阻选用相同规格的电阻，反馈电阻选用相同规格的电阻。
本发明实施例差分运算放大器的实际闭环增益为反馈电阻与输入电阻的比值。本发明实施例中反馈电阻与输入电阻组成整个差分运算预算放大器的反馈回路的网络，且输入正端和负端的反馈电阻与输入电阻大小分别相等，如果没有这两个电阻，就无法实现差分运算放大器的差分输出，无法实现单端信号变为差分信号。
如图2所示，本发明实施例差分运算放大器电路还包括：电源正极Vs，与供电电源的正极连接；电源负极Gnd，与供电电源的负极连接。上述电源正极Vs和电源负极Gnd用于为差分运算放大器的供电。
本发明实施例中，经过差分运算放大器处理后的差分信号需要经过AD转换器进行模数转换，因此，所述差分运算放大器的输出端与AD转换器连接。
在差分运算放大器进行电信号处理的过程中，不仅要实现信号的放大，而且必须保持环路的稳定性，这样整个系统才能高效稳定的运行。也即是差分运算放大器的输出要满足AD转换器的输入范围。
为保证信号的稳定性，本发明实施例的，所述AD转换器的输入电压范围为-1~1V，所述基准电压为2.5V，所述热成像传感器的输出电压为0～5V，所述第一输入电阻与所述第一反馈电阻的比值为0.4，这里所述的比值可以是指四舍五入之后的约值。其中，AD转换器可以选用LTC2265芯片。热成像传感器的输出电压为0～5V。
进一步地，所述第一输入电阻的阻值为200欧姆，所述第一反馈电阻为499欧姆，所述第一输入电阻与所述第一反馈电阻的阻值精度为1%。
这样V+减V-的范围：-2.5V～2.5V，经过0.4倍放大，输出Vout+减去Vout-的范围,即Vod范围：-1V～1V，峰值Vpp为2V，满足后端AD转换器LTC2265采样的输入差分要求。
实际按照公式：
Vout+=Vocm+Vod/2；
Vout-=Vocm-Vod/2；
Vout+的范围：0.4V～1.4V；
Vout-的范围：0.4V～1.4V；
单独AD转换器的输入端Ain+的范围：0.4V～1.4V；Ain-的范围：0.4V-1.4V。所以Ain+减去Ain-的范围：-1V～1V，满足AD转换器的输入电压要求。
具体地，本发明实施例的一种开环增益量和相位与频率的关系实验数据如图4所示。
其具体原理为：差分运算放大器的闭环增益传递函数为：A（s）*B，其中B为反馈因子，运放的输入电阻为RG，反馈电阻为RF，则反馈因子为：RG/(RG+RF),噪声增益为反馈因子的倒数。
结合以上要是闭环增益为1，则A（s）必须为1/B，即A（s）为噪声增益的大小。
所以以分贝为单位的不变噪声增益画在与开环增益相同的坐标图上，则两条曲线相交处的频率为环路增益为1或0分贝之处，开环增益在该频率下的相位与-180度之差被定义为相位裕量。为使放大器稳定运行，其值必须大于或等于45度。
本项目中设计选用RF为200欧姆，RG为499欧姆，且这两个电阻的阻值精度均为1%，所以RF/RG的比值大小为0.4，不变噪声增益：1+RF/RG=1+0.4=1.4。
所以按照公式:20lg（噪声增益）,则以dB为单位的不变噪声增益为20lg(1.4)=3dB。
与上图中开环增益相交的点对应的相位约为-120度，则实际的相位裕量为-120-（-180）=60度，大于45度，（如图4中的线3所标注）。实际相位裕量必须大于45度，放大器才能运行稳定，所以选定的RF、RG的阻值满足放大器稳定运行，而且实现了单端5V输入峰峰值转差分2V峰峰值的缩放要求。
从电路结构上来看，就是输入电阻RG以及反馈电阻RF的合理取值,以及电阻值的精度，来保证放大器的稳定运行。差分运算放大器不仅要实现信号的放大，而且必须保持环路的稳定性，这样整个系统才能高效稳定的运行。
本发明实施例还提供了一种图像处理系统，包括：热成像传感器，用于采集红外光信号，并转化为电信号；本发明实施例所提供的差分运算放大器电路，单输入端与所述热成像传感器连接，用于对所述电信号转化为差分信号；AD转换器，输入端与所述差分运算放大器电路的输出端连接，用于将所述差分信号转换为数字信号。
本发明实施例所述的图像处理系统中各部件的功能具体参见上述实施例中关于差分运算放大器电路的描述，这里不做赘述。
根据本发明实施例，差分运算放大器作为红外热成像传感器采集的电信号处理部件，通过采用单端输入使单端变化的电信号，变为双端变化的差分信号，提高了信号的动态范围，满足后端高速差分AD采样的输入要求，提高信号的抗干扰能力，提高了抗噪声和抗电磁干扰的能力，从硬件上保证了图像采集的质量。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于图像处理系统的差分运算放大器电路，其特征在于，包括：
第一输入电阻和第二输入电阻；
差分运算放大器，第一输入端通过所述第一输入电阻与热成像传感器的输出端连接；第二输入端通过所述第二输入电阻与基准电压电路连接，所述基准电压电路用于提供固定的基准电压；
第一反馈电阻，连接在所述差分运算放大器的第一输入端和第一输出端之间；
第二反馈电阻，连接在所述差分运算放大器的第二输入端和第二输出端之间。
2.根据权利要求1所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述基准电压电路包括：
稳压源芯片，输入端与初始电源连接，用于将所述初始电源进行稳压，得到次级电压；
低通滤波电路，与所述稳压源的输出端连接，用于对所述次级电压进行滤波处理得到的所述基准电压。
3.根据权利要求1所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述第一输入端为所述差分运算放大器的正输入端，所述第二输入端为所述差分运算放大器的负输入端。
4.根据权利要求1所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述第一输出端为所述差分运算放大器的负输出端；所述第二输出端为所述差分运算放大器的正输出端。
5.根据权利要求1所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述第一输入电阻与所述第二输入电阻的值相等；所述第一反馈电阻与所述第二反馈电阻的值相等。
6.根据权利要求1所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述差分运算放大器的输出端与AD转换器连接。
7.根据权利要求6所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述AD转换器的输入电压范围为-1～1V，所述基准电压为2.5V，所述热成像传感器的输出电压为0～5V，所述第一输入电阻与所述第一反馈电阻的比值为0.4。
8.根据权利要求7所述的差分运算放大器电路，其特征在于，所述第一输入电阻的阻值为200欧姆，所述第一反馈电阻为499欧姆，所述第一输入电阻与所述第一反馈电阻的阻值精度为1%。
9.根据权利要求1所述的差分运算放大器电路，其特征在于，还包括：
电源正极，与供电电源的正极连接；
电源负极，与供电电源的负极连接。
10.一种图像处理系统，其特征在于，包括：
热成像传感器，用于采集红外光信号，并转化为电信号；
权利要求1至9任一项所述的差分运算放大器电路，单输入端与所述热成像传感器连接，用于对所述电信号转化为差分信号；
AD转换器，输入端与所述差分运算放大器电路的输出端连接，用于将所述差分信号转换为数字信号。
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