CN110441578A - 信号保真采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信号保真采样电路，包含以下电路：电压限幅滤波电路：对采样电压信号进行限幅和滤波；获得滤波电压信号；电压放大调理电路：与电压限幅滤波电路相连，对滤波电压信号进行放大处理，获得放大电压信号；信号驱动增强电路与电压放大调理电路相连，对放大电压信号的输出驱动能力进行增强处理，获得增强电压信号；信号滤波电路：与信号驱动增强电路相连，对增强电压信号进行平滑处理，得到输出信号；预击穿钳位电路：与信号滤波电路相连，对输出信号进行电压范围限制。本发明的技术方案采用对氧传感器原始mV信号的滤波、信号放大过程中的平滑、信号跟随增强后的滤波等形式确保了最后输出信号的纯净。

Description

信号保真采样电路

技术领域

本发明涉及一种微电压采样电路，具体地，涉及一种信号保真采样电路，特别是一种工业氧传感器mV信号的保真采样电路。

背景技术

以氢气等可燃性气体为燃料的罩式炉在热处理领域运用越来越广，但是氢气本身易燃易爆，使用的安全可靠性特别重要。开始加热前，需要将罩式炉内抽真空，保证氧含量处于安全位置，此时炉内氧含量的数值是通过在气氛取样处的工业氧传感器输出mV信号转换出来的氧含量值。由此可见，工业氧传感器输出的mV信号保真的传输给后端处理芯片是决定测量准确度的关键，这个mV信号的采样结构设计有一系列要求，如输入信号的滤波防反接、电压放大的PI调节、温漂补偿、输出信号的预击穿箝位等处理。追根溯源，对工业氧传感器输出信号特征的挖掘，匹配针对性的采样电路才能解决好该信号的保真传输，让设备运行的更安全。

现有的电压采样电路，一方面缺乏对信号的有效滤波，信号容易受到工业环境的干扰；另一方面，未能考虑输出信号异常的处理，无法针对异常大电压进行防护。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种信号保真采样电路。

根据本发明提供的信号保真采样电路，包含以下电路：

电压限幅滤波电路：对采样电压信号进行限幅和滤波；获得滤波电压信号；

电压放大调理电路：与电压限幅滤波电路相连，对滤波电压信号进行放大处理，获得放大电压信号；

信号驱动增强电路：与电压放大调理电路相连，对放大电压信号的输出驱动能力进行增强处理，获得增强电压信号；

信号滤波电路：与信号驱动增强电路相连，对增强电压信号进行平滑处理，得到输出信号；

预击穿钳位电路：与信号滤波电路相连，对输出信号进行电压范围限制。

优选地，所述电压限幅滤波电路包含二极管D1、电阻R1以及电容C1；

所述二极管D1的负极、电阻R1的一端以及电容C1的一端连接在一起；二极管D1的正极、电阻R1的另一端以及电容C1的另一端均接地。

优选地，所述电压放大调理电路包含电阻R2、电阻R3、电阻R4、滑动变阻器R5、电容C2以及运放U1；

运放U1的正相输入端分别连接到二极管D1的负极、电阻R1的一端、电容C1的一端；

运放U1的反相输入端分别连接到电阻R2的一端、滑动变阻器R5的一端、滑动变阻器R5的中心抽头、电容C2的一端；

运放U1的输出端分别连接到电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C2的另一端；

电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端接地；电阻R4的另一端与滑动变阻器R5的另一端相连。

优选地，所述信号驱动增强电路包含运放U2；

运放U2的正相输入端分别连接到电容C2的另一端、电阻R4的一端、运放U1的输出端、电阻R3的一端；

所述运放U2的反相输入端与U2的输出端相连。

优选地，所述信号滤波电路包含两级信号滤波电路；所述两级信号滤波电路包含电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4以及电容C5；

电容C3的一端、电容C4的一端、电容C5的一端均接地；

电容C3的另一端分别连接到运放U2的输出端、运放U2的反相输入端、电阻R6的一端；

电容C4的另一端分别连接到电阻R6的另一端、电阻R7的一端；

电容C5的另一端与电阻R7的另一端相连。

优选地，所述预击穿钳位电路包含电阻R8、二极管D2以及稳压管D3；

二极管D2的负极分别连接到电容C5的另一端、电阻R7的另一端、稳压管D3的负极、电阻R8的一端；

电阻R8的另一端形成电源连接端；

稳压管D3的正极接地。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的技术方案采用对氧传感器原始mV信号的滤波、信号放大过程中的平滑、信号跟随增强后的滤波等形式确保了最后输出信号的纯净。

2、信号放大方式采用灵活的粗调叠加微调的方式，能有效的确保在全氢罩式炉工程中最看重的氧含量1％左右误差最小，放大系数能够随着用户关注点手动方便的调节。

3、预击穿电路的设计，使得输出信号发生钳位作用时，响应的速度最快，最大限度的保护与此采样电路对接控制器的安全。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为工业氧传感器mV信号的保真采样电路示意框图；

图2为工业氧传感器mV信号的保真采样电路原理图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的信号保真采样电路，包含电压限幅滤波电路101、电压放大调理电路102、信号驱动增强电路103、信号滤波电路、预击穿钳位电路105。实施例中，所述信号滤波电路包含两级信号滤波电路104。

所述电压限幅滤波电路101的输出端与电压放大电路的输入端电性连接，用于对所述采样电压信号进行限幅和滤波，获得滤波电压信号；既能保证输入运放的负电压绝对值不高于0.4V，即使反接也不会烧毁后端电路，又能有效消除高频毛刺和尖峰。

所述电压放大调理电路102的输出端与信号增强电路的输入端电性连接，用于对滤波电压信号进行放大处理，得到放大电压信号；运用比例积分的负反馈形式进一步改善信号的平滑度。

所述信号驱动增强电路103的输出端与信号滤波电路的输入端电性连接，用于对放大电压信号的输出驱动能力进行增强处理，获得增强电压信号。

所述信号两级信号滤波电路104的输出端与预击穿钳位电路105的输入端电性连接，采用两级π型阻容滤波电路对增强电压信号进行平滑处理，得到输出信号。

所述预击穿钳位电路105，用于对输出信号进行电压范围的限制，防止由于输出信号电压过大损坏后级控制器的输入引脚。

如图2所示，实施例中，所述电压限幅滤波电路101包含二极管D1、电阻R1以及电容C1；所述二极管D1的负极、电阻R1的一端以及电容C1的一端连接在一起；二极管D1的正极、电阻R1的另一端以及电容C1的另一端均接地。所述电压放大调理电路102包含电阻R2、电阻R3、电阻R4、滑动变阻器R5、电容C2以及运放U1；运放U1的正相输入端分别连接到二极管D1的负极、电阻R1的一端、电容C1的一端；运放U1的反相输入端分别连接到电阻R2的一端、滑动变阻器R5的一端、滑动变阻器R5的中心抽头、电容C2的一端；运放U1的输出端分别连接到电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C2的另一端；电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端接地；电阻R4的另一端与滑动变阻器R5的另一端相连。所述信号驱动增强电路103包含运放U2；运放U2的正相输入端分别连接到电容C2的另一端、电阻R4的一端、运放U1的输出端、电阻R3的一端；所述运放U2的反相输入端与U2的输出端相连。所述信号滤波电路包含两级信号滤波电路104；所述两级信号滤波电路104包含电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4以及电容C5；电容C3的一端、电容C4的一端、电容C5的一端均接地；电容C3的另一端分别连接到运放U2的输出端、运放U2的反相输入端、电阻R6的一端；电容C4的另一端分别连接到电阻R6的另一端、电阻R7的一端；电容C5的另一端与电阻R7的另一端相连。所述预击穿钳位电路105包含电阻R8、二极管D2以及稳压管D3；二极管D2的负极分别连接到电容C5的另一端、电阻R7的另一端、稳压管D3的负极、电阻R8的一端；电阻R8的另一端形成电源连接端；稳压管D3的正极接地。

优选实施方式：

参照图1，本发明的信号保真采样电路包括电压限幅滤波电路101、电压放大调理电路102、信号驱动增强电路103、两级信号滤波电路104、预击穿钳位电路105。电压限幅滤波电路101、电压放大调理电路102、信号驱动增强电路103、两级信号滤波电路104、预击穿钳位电路105依次相连。

所述电压限幅滤波电路101的输出端与电压放大调理电路102的输入端电性连接，用于对所述电压信号进行限幅和滤波，既能保证输入运放的负电压绝对值不高于0.4V，即使反接也不会烧毁后端电路，又能有效消除高频毛刺和尖峰。

本发明能够应用与工业氧传感器mV信号的保真采样电路。一般工业氧传感器多采用氧化锆作为工作介质，根据传感器输出的电压特性来反映氧含量的百分比。罩式炉的实际使用中，常取氧传感器输出0～100mV这一段对应的氧含量百分比来表征炉内氧气的大小，进而运用在安全互锁逻辑上。

所述电压放大调理电路102的输出端与信号驱动增强电路103的输入端电性连接，用于对滤波处理后的电压信号进行放大处理，运用比例积分的负反馈形式进一步改善信号的平滑度。

根据后续控制器对输入信号电压的限制范围来确定放大的比例系数，为了使放大倍数精确，均使用精密电阻匹配，其中电阻R4作为粗调设定放大的比例，电阻R5作为在R4设定的比例上进行微调，以满足精度要求。同时，电阻R4、电阻R5和电容C2组成了PI调节器，消除放大信号的系统静差。

所述信号驱动增强电路103的输出端与两级信号滤波电路104的输入端电性连接，用于放大后的电压输出驱动能力进行增强处理；

采用信号驱动增强电路103，使得信号的输出阻抗减小，特别对小信号能有效减少环境的干扰因素，也为控制器的采集信号提供了较好的阻抗匹配。

所述两级信号滤波电路104的输出端与预击穿钳位电路105的输入端电性连接，采用两级π型阻容滤波电路对信号进行平滑处理。其中电容C3、电阻R6以及电容C4构成第一节π型的RC滤波电路，电容C4、电阻R7和电容C5构成第二节π型RC滤波电路，两级滤波电路能够有效抑制叠加在直流电路上的高频交流分量。

所述预击穿钳位电路105，用于对输出信号进行电压范围的限制，防止由于输出信号电压过大损坏后级控制器的输入引脚。

工业氧传感器输出的mV信号保真的传输给后端处理芯片是决定测量准确度的关键，这个mV信号的采样结构需要考虑输入信号的滤波防反接、电压放大的PI调节、温漂补偿、输出信号的预击穿箝位等处理，对工业氧传感器输出信号特征的挖掘，匹配针对性的采样电路才能解决好该信号的保真传输，让设备运行的更安全。

图2示出了工业氧传感器mV信号的保真采样电路的一种具体实施方式。其中，运放U1的正相输入端分别与二极管D1的负极、电阻R1的一端和电容C1的一端相连，二极管D1的正极、电阻R1的另一端和电容C1的另一端连接在一起后接地；运放U1的反相输入端分别与电阻R2的一端、滑动变阻器R5的一端、滑动变阻器R5的中心抽头、电容C2的一端相连，运放U1的输出端分别与电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C2的另一端、运放U2的正相输入端相连，电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端接地，电阻R4的另一端和滑动变阻器R5的另一端相连；运放U2的输出端分别与运放U2的反相输入端、电容C3的一端、电阻R6的一端分别相连；电容C3的另一端、电容C4的一端、电容C5的一端分别接地，电容C4的另一端分别与电阻R6的另一端、电阻R7的一端相连，电容C5的另一端分别与电阻R7的另一端、二极管D2正极相连，二极管D2的负极分别与稳压管D3的负极、电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端接电源，稳压管D3的正极接地。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种信号保真采样电路，其特征在于，包含以下电路：

电压限幅滤波电路(101)：对采样电压信号进行限幅和滤波；获得滤波电压信号；

电压放大调理电路(102)：与电压限幅滤波电路(101)相连，对滤波电压信号进行放大处理，获得放大电压信号；

信号驱动增强电路(103)：与电压放大调理电路(102)相连，对放大电压信号的输出驱动能力进行增强处理，获得增强电压信号；

信号滤波电路：与信号驱动增强电路(103)相连，对增强电压信号进行平滑处理，得到输出信号；

预击穿钳位电路(105)：与信号滤波电路相连，对输出信号进行电压范围限制。

2.根据权利要求1所述的信号保真采样电路，其特征在于，所述电压限幅滤波电路(101)包含二极管D1、电阻R1以及电容C1；

所述二极管D1的负极、电阻R1的一端以及电容C1的一端连接在一起；二极管D1的正极、电阻R1的另一端以及电容C1的另一端均接地。

3.根据权利要求2所述的信号保真采样电路，其特征在于，所述电压放大调理电路(102)包含电阻R2、电阻R3、电阻R4、滑动变阻器R5、电容C2以及运放U1；

运放U1的正相输入端分别连接到二极管D1的负极、电阻R1的一端、电容C1的一端；

运放U1的反相输入端分别连接到电阻R2的一端、滑动变阻器R5的一端、滑动变阻器R5的中心抽头、电容C2的一端；

运放U1的输出端分别连接到电阻R3的一端、电阻R4的一端、电容C2的另一端；

电阻R2的另一端接地，电阻R3的另一端接地；电阻R4的另一端与滑动变阻器R5的另一端相连。

4.根据权利要求3所述的信号保真采样电路，其特征在于，所述信号驱动增强电路(103)包含运放U2；

运放U2的正相输入端分别连接到电容C2的另一端、电阻R4的一端、运放U1的输出端、电阻R3的一端；

所述运放U2的反相输入端与U2的输出端相连。

5.根据权利要求4所述的信号保真采样电路，其特征在于，所述信号滤波电路包含两级信号滤波电路(104)；所述两级信号滤波电路(104)包含电阻R6、电阻R7、电容C3、电容C4以及电容C5；

电容C3的一端、电容C4的一端、电容C5的一端均接地；

电容C3的另一端分别连接到运放U2的输出端、运放U2的反相输入端、电阻R6的一端；

电容C4的另一端分别连接到电阻R6的另一端、电阻R7的一端；

电容C5的另一端与电阻R7的另一端相连。

6.根据权利要求5所述的信号保真采样电路，其特征在于，所述预击穿钳位电路(105)包含电阻R8、二极管D2以及稳压管D3；

二极管D2的负极分别连接到电容C5的另一端、电阻R7的另一端、稳压管D3的负极、电阻R8的一端；

电阻R8的另一端形成电源连接端；

稳压管D3的正极接地。