CN110118899B - 检测差分信号链的故障状况和信道不平衡的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及检测差分信号链的故障状况和信道不平衡的方法和设备。通常希望区分开路状况和无信号状况。在这两种情况下，输入信号可能不存在，但这些事件中只有一个表示装备故障。本公开提供了一种使用差分放大器来检查开路事件而不需要在放大器的输入处的附加电路系统的方法。

Description

检测差分信号链的故障状况和信道不平衡的方法和设备

优先权要求

该美国专利申请要求2018年2月27日提交的英国专利申请No.1801995.0的优先权，其全部内容通过引用结合于此用于所有目的。

技术领域

本公开涉及用于电信号处理或其它信号处理的方法和设备。

背景技术

在许多情况下，换能器可以远离响应来自换能器的信号的设备而定位。可以通过导体(例如，导线)进行换能器和信号处理设备之间的互连，导体可以与插头和插座进行接口，以便可以制造电路。这种布置可能通过物理冲击导致电缆断裂、热循环或振动移动导致绝缘损坏、或引脚的腐蚀在换能器和测量设备之间形成连接而易于受到损坏。

发明内容

除了别的以外，本发明人已经认识到希望能够区分连接的故障以及换能器的输出低或不存在的情况。在每种情况下，可以看出正在寻找的信号很大程度上不存在。

本公开涉及用于检测信号处理设备的输入处的超出范围的阻抗(诸如高于预期的阻抗状况)的方法和设备。该状况可以指示信号处理设备与其阻抗广泛已知的输入电路之间至少在指定的值范围内的连接故障。更一般地，本文的教导可以用于检测增加和减小改变方向上的阻抗改变。本公开的教导还可以用于识别差分信号处理系统(例如差分放大器)内的信道不平衡。这种识别可以用于通过调整差分系统内的组件值来解决不平衡。根据本公开的第一方面，提供了一种检测包括差分信号处理电路的电路中的信道不平衡的方法。该方法包括修改与差分信号处理电路的输入节点不同的信号节点处的共模电压，并监测信号节点处的差分信号以寻找信号节点处的与共模信号的改变相关的差分信号的改变。

相关性的幅度和/或相位指示信道不平衡的程度。这可以用于推断传感器故障、开路状况和短路状况。

差分信号处理电路可以包括差分放大器或一些其它电路配置，其中流入差分输入节点的电流可以通过改变信号节点处的共模电压或电流来影响，其中信号节点不是差分输入节点。在差分信号处理电路包括差分放大器的实施例中，信号节点可以是差分放大器的差分输出节点。

差分放大器可以包括共模输出控制引脚。因此，如果放大器被配置为电压放大器，则共模控制引脚处的信号可以用于设置差分放大器的输出节点处的共模输出电压。因此，在该示例中，差分放大器被实施为双端差分放大器。

因此，可以提供一种检测包括差分放大器的电路中的信道不平衡的方法，该方法包括调制放大器的输出处的共模电压，并监测差分输出电压，以获得与输出处的共模电压的改变相关的差分输出电压的改变。检测信道不平衡可以用于检测其它故障模式的开路状况。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于检测差分信号处理系统中的信道不平衡的设备，该差分信号处理系统具有用于控制差分输出信号的共模值的节点，该设备包括用于调制差分输出信号的共模分量的共模输出调制装置以及用于检查差分输出信号和共模调制之间的相关性以便识别信道不平衡的处理装置。

在承载差分输出信号的节点与差分输入节点所连接的节点之间延伸的组件导致共模输出电压的调制以调制输入节点处的电流或电压。信道不平衡，例如连接到差分信号处理系统的反相和非反相输入节点的阻抗的差异，导致共模输出电压的调制转变为差分输出电压的调制。

在示例中，差分信号处理系统包括差分双端放大器。

根据本公开的第三方面，提供一种开路检测器，包括第一输入节点；第二输入节点；差分放大器；和信号发生器，该信号发生器提供时变信号，用于调整差分放大器的共模电压，使得第一输入节点处的输入电流响应于参考信号变得被调制；以及用于检测放大器对共模改变的响应何时超过阈值的电路，参考信号被施加到除了第一个输入节点之外的节点。

附图说明

现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式来描述本公开的实施例，在附图中：

图1是放大器的电路图，其中放大器具有双端(差分)输出，并且放大器的增益(也包括衰减的可能性)由电阻器R₁和R₂设置。

图2示出了具有共模输出电压控制的双端差分放大器的电路符号。

图3示出了具有共模输出电压控制的双端差分放大器的另一电路符号。

图4仅通过一般背景信息示意性地例示说明了具有共模电压控制的放大器的实施例；

图5示意性地例示说明了用于放大换能器的输出的测量电路；

图6示出了图5的修改，其包括低通(抗混叠)滤波器；

图7例示说明了可以如何修改图6的电路以包括输入失配和/或开路检测能力；

图8示意性地例示说明了用于检测开路的处理单元的模拟实施例；

图9示意性地例示说明了用于检测开路的处理单元的数字实施例；

图10示出了用于开路检测的流程图；和

图11示出了信道失配检测器的实施例。

具体实施方式

在信号放大和仪器中，差分放大器可以用在输入级处，用于处理来自换能器的模拟信号。图1示意性地例示说明了公共差分放大器配置的电路图，公共差分放大器配置即具有差分或双端输出而不是单端输出的差分放大器。在图1中所示的布置中，差分放大器(通常标记为10)具有非反相输入12和反相输入14。它还具有反相输出16和非反相输出18。放大器经由第一和第二输入节点20和22接收信号，并向输出节点24和26提供差分输出，第一和第二输入节点20和22可以分别被视为非反相和反相输入节点，输出节点24和26可以分别被视为反相和非反相输出。

可以为单端差分放大器的操作建立增益等式。图1中示出了双端放大器。如果选择电路组件，使得输入电阻器R_1a等于输入电阻器R_1b(R_1a＝R_1b＝R₁)并且反馈电阻器R_2a等于反馈电阻器R_2b(R_2a＝R_2b＝R₂)，如通常情况那样，则该电路的差分增益为

在某些放大器中，可以经由控制端子设置共模电压。这种放大器的电路符号在图2和图3中示出。

虽然在本公开的教导中不需要详细描述这种放大器的构造，但是除了本公开的一些实施例使用这样的器件的事实之外，用于具有差分输出和将输出的共模值设置为目标值的能力的差分放大器的简化电路图在图4中示出。

图4中所示的差分放大器包括第一和第二输入晶体管30和32，它们的源极连接到电流吸收器34，从而形成众所周知的长尾对配置。晶体管30和32的漏极通过P型FET 40和42连接到正电源轨Vdd，P型FET 40和42用于形成有源负载，并且其栅极连接以便从另一个差分放大器50接收控制电压，另一个差分放大器50设在放大器电路内用于控制共模输出电压的目的。可以分别在连接到第一和第二晶体管30和32的漏极的节点24和26处获得差分输出电压。

为了提供共模电压控制功能，电路还包括分压器，该分压器包括在第一和第二晶体管30和32的漏极之间延伸的电阻器52和54，以便在内部节点56处形成共模输出电压。内部节点56连接到另一个差分放大器50的反相输入。另一个差分放大器50的非反相输入端连接到共模调整引脚60，共模调整引脚60接收共模目标电压V_cm。另一个差分放大器50的输出为负载晶体管40和42提供栅极电压。这种布置提供了可以调整其共模电压的差分放大器。集成电路(诸如可从Analog Devices获得的AD8137)可以包括此功能。AD8137始于2004年。

除了别的以外，本发明人认识到，可以利用调制共模输出电压的能力来寻找差分放大器的输入路径内的阻抗不平衡，并且这可以用于改善这样的放大器的共模抑制比和/或寻找故障状况，故障状况例如是从换能器或其它输入布置到差分放大器的信号路径的断开。

回到图1，我们可以执行分析以指示可以如何使用共模输出电压的修改来询问放大器的共模抑制性能和/或寻找输入节点20和22的信号路径中的断开。

鉴于运算放大器的输入处的电流非常低，我们可以根据电路电压写下输入节点处的输入电流。

我们可以将输出电压V_oa和V_ob表示为共模电压V_cm以及差分电压V_od的组合，其中V_oa-V_ob＝2V_od。

为简单起见，假设R_1a＝R_1b＝R₁

R_2a＝R_2b＝R₂

如果我们进一步假设V_ia和V_ib已经连接到参考节点，例如0V，则我们也知道差分分量V_od将为零。

这表明可以通过调整共模输出电压来调整在放大器的输入处汲取的电流。

换句话说，存在有意调制放大器汲取的电流，而不需要放大器的输入处的任何附加电路系统的工具，这样做可以检查输入电路系统的性质。

图5示意性地例示说明了使用差分放大器100接收和放大来自磁换能器的差分信号，磁换能器例如是电流变换器或罗戈夫斯基线圈(Rogowski线圈)。电流变换器80的磁线圈连接在负载电阻器82两端，以便将其中的感应电流变换成电压域(在罗戈夫斯基线圈的情况下，通常为低阻抗，通常省略负载电阻器)。电流换能器80和负载电阻器82有效地形成输入电路85。输入电路通过导体90连接到差分放大器100，导体90可以延伸相当长的距离。如果导体90断裂，则差分放大器100不能接收输入信号。但是，还发生的是，如果在电流变换器80的线圈附近的导体没有汲取交流电，则即使介于中间的导体90是完整的，在差分放大器100处也几乎不接收或不接受信号。

在这种电路中的进一步考虑是，在导体90断裂的情况下，电路设计者不希望差分放大器的反相或非反相输入浮置。为了解决这个问题，使接地连接101与放大器的输入级相邻，并且在非反相和反相输入之间连接高值电阻器104。如果导体90断裂，则放大器的两个输入都接地。在图5中所示的示例中，非反相输入通过输入电阻器100a与阻抗104串联地连接到地101。非反相输入通过输入电阻器110b连接到地。如果导体90被连接并且完整，则电阻器82和104以及电流变换器的阻抗并联出现。为简单起见，我们将假设电流变换器的阻抗与负载电阻器的并联组合的电阻可以仅由负载电阻器表示。在典型的安装中，电阻器82的值比电阻器104小许多倍，因此电阻器82和104的并联组合实际上与电阻器82的值相同。通常，尽管没有严格的必要性，但是可以选择倾向于设置电阻器使得电阻器110a与电阻器110b的值相同。类似地，反馈电阻器112a和112b被设置为相同的值。为方便以后，假设电阻器110a和110b具有值R₁并且电阻器112a和112b具有值R₂。

通常通过在放大器的输入处包括充当抗混叠滤波器的低通滤波器来修改图5的电路配置。在图6中，抗混叠滤波器由电阻器120a、120b和电容器122形成。电阻器120a串联介于电阻器110a和连接器90之间。电阻器120b介于电阻器104和电阻器110b之间。电容器122在形成于电阻器120a和110a之间的结合处的第一节点与形成于电阻器120b和110b之间的连接处的第二节点之间延伸。电阻器120a和120b通常具有相同的值，并且在该电路图中具有值Rf。

图6中的放大器还具有共模设置端子以接收控制信号，使得放大器的输出的共模值为V_cm，这与放大器的共模电压设置端子处供应的电压相同。

在这种配置中，可以看出差分输出电压的改变可以通过以下等式与共模输出电压相关：

在该等式中，电阻器104具有值R_pd。

如果与输入换能器的连接是完整的，则电阻R_pd将被输入换能器的阻抗所取代，例如，电流变换器和负载电阻器的并联组合。在低频区域中，该阻抗基本上是负载电阻器82的阻抗，其通常为100欧姆左右。

因此，调制共模输出电压给出了差分输出电压的改变，其中该改变的幅度取决于输入换能器85是否连接到差分放大器。因此，可以检查差分电压的改变幅度并将其用于指示连接器90的故障，并且更具体地，用于区分换能器正常工作并连接到放大器但没有输出信号的情况以及连接器90发生故障的情况。

仅举例来说

如果R₁＝1MΩ

R₂＝400KΩ

Rf＝30KΩ

Rpd＝100KΩ

则

但是如果导体90正在工作，则Rpd会被R_B短路，则负载电阻器大约为100Ω，则

图7示意性地示出了其中添加了数据处理器(包括模数转换器和数模转换器)150的图6的电路，数据处理器150可操作以监测放大器的差分输出，并且如果需要，调制或以其它方式变化目标共模输出电压V_cm。处理电路150可以以例如专用数字硬件、专用模拟硬件、混合模式解决方案之类的各种形式来实现，或者通过重用可能已经提供用于执行其它任务并具有剩余容量或可以改变用途的处理器以及模数转换器和数模转换器来实现。连接90的状态，即良好或故障，可以作为节点152处的信号输出。

图8中示出了电路150的模拟实现的实施例。放大器的输出可以被提供给积分器，该积分器用于在共模控制信号Vcm具有第一值Vcm1的时段以及共模控制信号具有第二值Vcm2的那些时段期间对放大器的两个输出之间的差进行积分。电压Vcm可以以交替的方式在Vcm1和Vcm2之间切换。可以通过以下方式来执行该积分：将来自放大器102的差分输出信号采样到电容器190上，然后利用泄漏积分器192对采样的电荷进行电荷共享，并且其中与电容器190相关联的开关允许将其交换使得电荷可以是与积分器的结果的加法或减法。为此，电容器与三对开关相关联。第一对开关S0a、S0b控制将差分输出信号采样到电容器190上。当开关S0a和S0b闭合时，放大器102的输出电压被采样到电容器190上。当它们打开时，信号保持在电容器190上。

在电容器的输出侧，可以闭合开关S1a和S1b以将电容器190连接到积分器192，使得电容器的电荷以加法的意义被添加到积分器。可以闭合开关S2a和S2b，以便交换电容器190的极板，使得其电荷以减法的方式与积分器192共享。通过在Vcm1和Vcm2之间交换的Vcm的许多周期进行采样和积分，可以提取和积分差分的差异，并且如果积分器192的输出超过阈值，则这指示输入变为开路。积分器192的输出可以馈送到比较器(例如窗口比较器(未示出))，以将输出与阈值进行比较。通过将电阻器194与积分电容器196并联放置，积分器192可以形成为泄漏积分器，使得放大器偏移不会导致积分器溢出。

如图9中所示，可以在数字域中执行利用一个共模电压查看差分信号并观察其在选择第二共模电压时如何改变的类似功能。这里，差分模数转换器250使其输入连接到放大器102的输出节点24和26，并将数字数据提供给数字处理块260。数模转换器270也连接到数字处理块，并且可以用于设置和调制值V_cm。

图10例示说明了在该示例中可以由数字处理器260执行的过程的流程图。该流程图开始于步骤300，其中分析模数转换器50的输出以识别差分输出信号的值的峰值、RMS或其它有意义的表示。然后处理通过步骤302，其中将表示输出信号的值与第一阈值TH₁进行比较。如果输出信号的值大于TH₁，则控制返回到步骤300，因为表示电流的信号已经由电流变换器和负载电阻器组合输出。因此，可以假设输入电路80和连接器90的完整性良好。如果输出信号小于阈值，则控制通过步骤304，其中启用共模改变，然后转到步骤306，其中利用调制器操作获取差分输出信号的峰峰值，然后将其与第二阈值TH₂进行比较。如果输出信号大于TH₂的值，表明连接90已经发生故障，则控制转到步骤308，在步骤308设置故障标记。然而，如果输出信号小于TH₂的值，则控制转到步骤310，其中清除任何预先存在的故障标记。从步骤308或310，控制然后转到步骤312，其中禁用共模调整功能。然后从那里控制返回到步骤300，以便监测过程可以继续。

只有在怀疑断开事件时才运行开路检测器，如图10的流程图中所示。然而，它也可以是周期性的、按需的或永久性的。在另一种方法中，可以调制共模，并且可归因于该调制的差分信号的一部分可以通过各种装置提取，无论是通过时域还是频域分析，并且它可以指示系统中的不平衡量。该值的任何改变都可以指示源阻抗的改变，因此可以用于标记故障状况。由运行断开检测器引起的输出信号的扰动很小，并且在许多系统中可以忽略。然而，在一些系统中，可以估计或学习扰动的幅度并从输出信号中去除扰动的幅度。一旦差分放大器的输出已经由模数转换器转换，这在数字域中最容易执行，但是如果需要，也可以在模拟域中执行减法。

这里描述的这种方法也可以扩展以检查差分电路的共模抑制比并对其进行调整。图11示意性地例示说明了一种布置，其中控制器周期性地调制放大器102的目标共模电压，并且被布置成如上所公开的直接地或例如通过接收模数转换器402的输出来间接地监测放大器的差分输出，模数转换器402被提供用于数字化放大器的输出以供未示出的其它电路使用。此外，控制器400可以检查共模电压到差分信号的转换，并且基于该转换调整电可调整电阻410，以减小信道响应之间的不匹配。匹配电阻411设在相对的输入信道中，并且具有近似等于可调整电阻器410的中间范围值的值。

因为可以寻找共模增益和调制之间的相关性，所以可以由许多可能的信号类型形成调制，可能的信号类型例如是：已知频率的正弦信号；已知频率的方波；压摆率受限的方波；三角波；数字生成的任意轮廓信号；伪随机信号；或者甚至是噪声。

因此，可以提供一种用于监测电路的差分响应的设备，并且还提供一种断开检测器，该断开检测器不需要将另外的电路系统(例如电流源或阻抗)添加到放大器的输入级。该描述集中于调整共模输出电压的电路，并且这修改了输入电路中的电流。类似的方法可以与允许将共模输入电压设置为目标值的电路一起使用。

本公开的教导可以应用于广泛的用途，例如在工业、汽车、航空和医疗领域中，以确保在换能器和信号处理电路之间建立连接，和/或检查换能器的退化。它还可以用于监测差分信号处理电路(具有广泛用途)的共模抑制性能，并调整组件以改善电路的共模抑制性能。

本文提出的权利要求是单一依赖性格式，适用于USPTO。然而，应该理解，每个权利要求旨在能够取决于相同类型的任何前述权利要求，只要这种依赖性在技术上不明显是不可能的。

Claims (19)

1.一种检测包括差分放大器的电路中的信道不平衡的方法，该方法包括调制差分放大器的差分输出处的共模电压，并监测差分输出处的差分电压，以获得与输出处的共模电压的改变相关的改变。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用输出处的共模电压的调制幅度与差分电压的改变幅度的相对改变来估计信道不平衡。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括对差分放大器内的组件进行修整或调整，以减小不平衡。

4.一种检测从传感器到差分放大器的信号路径的退化或故障的方法，该方法包括使用根据权利要求1所述的方法来识别高于可接受阈值的信道不平衡。

5.根据权利要求4所述的方法，包括提供到公共节点的辅助路径，所述辅助路径具有有意不同的阻抗，使得在传感器与一个或两个差分信号输入节点断开的情况下，辅助路径引入共模增益。

6.根据权利要求1所述的方法，其中调制包括以下中的至少一个：

a)已知频率的正弦信号；

b)已知频率的方波；

c)压摆率受限的方波；

d)三角波；

e)数字生成的任意轮廓信号；

f)伪随机信号；或者

g)噪声。

7.根据权利要求1所述的方法，其中间歇地施加调制。

8.一种用于检测包括差分放大器的差分信号处理系统中的信道不平衡的设备，该差分放大器具有用于控制差分放大器的差分输出信号的共模值的节点，该设备包括用于调制差分输出信号的共模分量的共模输出调制器，以及用于检查差分输出信号和共模调制之间的相关性以便识别信道不平衡的处理器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中该差分放大器具有响应于控制节点的电路，用于控制差分放大器的共模输出电压或共模输出电流。

10.根据权利要求8所述的设备，其中调制器包括信号发生器或数模转换器。

11.根据权利要求8所述的设备，其中处理器包括数字信号处理器。

12.根据权利要求8所述的设备，其中处理器包括模拟电路，该模拟电路被布置为将差分信号转换成单端信号。

13.根据权利要求8所述的设备，还包括信道中的至少一个信道中的可调整的至少一个组件，其中该组件能够响应于信道不平衡的识别而调整，以减小不平衡。

14.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个组件包括电可调整的电阻。

15.根据权利要求8所述的设备，其中该设备适于发出信号以指示不平衡何时超过阈值。

16.根据权利要求8所述的设备，还包括响应于输入布置的断开而引起信道不平衡的改变的组件，使得能够识别输入的断开。

17.一种开路检测器，包括第一输入节点；第二输入节点；差分放大器；和信号发生器，该信号发生器提供时变信号，用于调整差分放大器的差分输出处的共模电压，使得输入电流变得响应于共模电压被调制；以及用于检测差分放大器的共模增益何时超过阈值的电路。

18.一种换能器，该换能器与根据权利要求17所述的开路检测器组合。

19.一种检测包括差分放大器的电路中的信道不平衡的方法，该方法包括调制放大器的差分输出处的共模电压，并监测放大器的差分输出电压以识别与共模电压的改变相关的差分输出电压的改变，并根据相关性的幅度估计信道不平衡。

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