CN110719079B - 一种信号放大滤波调理卡 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信号放大滤波调理卡，包括信号输入端、信号输出端、输入放大器电路、滤波器电路、buffer模块、数字控制电路和校准电路，信号输入端与输入放大器电路连接，输入放大器电路与滤波器电路连接，通过设置了具有输入保护和校准电路的全差分仪表运算放大器，放大器电路在抑制共模噪声的同时，为输入端的差分信号提供可选增益，通过通过设置了8阶巴特沃斯低通滤波器，该滤波器是开关电容和连续时间结构的混合，因此具有良好的截止频率特性，避免了传统开关电容滤波器设计中的采样误差，解决波形抗混迭和重建的问题，信号有效真实还原，现有的调理卡无法解决波形抗混迭和重建的问题，以及信号有效真实还原问题。

Description

一种信号放大滤波调理卡
技术领域：
本发明属于调理卡技术领域，特别涉及一种信号放大滤波调理卡。
背景技术：
对开关电容滤波器自身而言，存在一个抗混迭的问题，因此必须在开关电容滤波器之前对输入信号进行前置滤波，以限制输入信号的最高频率。开关电容滤波器的输出是一连串的台阶，它不仅在时域上不连续，而且还在频域上增添了新的高频成分。因此，要通过适当的后置滤波，重建所需的波形。
发明内容：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种信号放大滤波调理卡，解决了现有的设备所存在的缺点。
为了解决上述问题，本发明提供了一种信号放大滤波调理卡技术方案：
一种信号放大滤波调理卡，包括信号输入端、信号输出端、输入放大器电路、滤波器电路、buffer模块、数字控制电路和校准电路，所述信号输入端与输入放大器电路连接，所述输入放大器电路与滤波器电路连接，所述滤波器电路和输入放大器电路均与数字控制电路连接，所述滤波器电路与buffer模块连接，所述buffer模块与信号输出端连接；
所述信号输入端用于信号的输入；
所述输入放大器电路用于抑制共模噪声的同时，为输入端的差分信号提供可选增益；
所述滤波器电路用于保证良好的截止频率；
所述buffer模块用于暂时存储用户数据；
所述数字控制电路用于控制放大器增益、滤波器截止频率、旁路滤波器选通、上位机通信；
所述校准电路用于补偿增益误差；
所述输入放大器电路由输入保护模块、校准选择模块和仪表放大模块组成，所述信号输入端与输入保护模块连接，所述输入保护模块与校准选择模块连接，所述校准选择模块与仪表放大模块连接，所述放大器电路的信号输出范围为±5V；
所述滤波器电路由前置滤波、滤波器、后置滤波和旁路滤波组成，所述输入放大器电路的信号输出端与前置滤波连接，所述前置滤波与滤波器连接，所述滤波器与后置滤波连接，所述后置滤波与旁路滤波连接，所述输入放大器电路的信号输出端与旁路滤波连接；
所述数字控制电路由控制器和数字控制总线组成，所述校准选择模块、仪表放大模块和滤波器均与控制器连接，所述控制器通过数字控制总线与信号输出端连接。
作为优选，所述滤波器为8阶巴特沃斯低通滤波器，且所述滤波器是开关电容和连续时间结构的混合。
作为优选，所述截止频率是通过将100KHZ的基频除以一个整数在滤波器内部进行设定，用户可以设定的滤波器截止频率如下：
Figure GDA0004143934000000021
其中，n为整数且n≥4，同时fc≥10Hz，即：fc＝{25,20,16.7,…,0.01}KHz。
作为优选，所述校准电路设有EEPROM储存阵列，所述EEPROM与控制器连接。
作为优选，所述输入放大器是具有输入保护和校准电路的全差分仪表运算放大器。
本发明的有益效果：通过设置了具有输入保护和校准电路的全差分仪表运算放大器，放大器电路在抑制共模噪声的同时，为输入端的差分信号提供可选增益，通过通过设置了8阶巴特沃斯低通滤波器，该滤波器是开关电容和连续时间结构的混合，因此具有良好的截止频率特性，避免了传统开关电容滤波器设计中的采样误差，解决波形抗混迭和重建的问题，信号有效真实还原，现有的调理卡无法解决波形抗混迭和重建的问题，以及信号有效真实还原问题。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的调理卡模块框图；
图2为本发明的输入放大器电路图；
图3为本发明的滤波器组成图。
具体实施方式：
如图1-3所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种信号放大滤波调理卡，包括信号输入端、信号输出端、输入放大器电路、滤波器电路、buffer模块、数字控制电路和校准电路，所述信号输入端与输入放大器电路连接，所述输入放大器电路与滤波器电路连接，所述滤波器电路和输入放大器电路均与数字控制电路连接，所述滤波器电路与buffer模块连接，所述buffer模块与信号输出端连接；
所述信号输入端用于信号的输入；
所述输入放大器电路用于抑制共模噪声的同时，为输入端的差分信号提供可选增益；
所述滤波器电路用于保证良好的截止频率；
所述buffer模块用于暂时存储用户数据；
所述数字控制电路用于控制放大器增益、滤波器截止频率、旁路滤波器选通、上位机通信；
所述校准电路用于补偿增益误差；
所述输入放大器电路由输入保护模块、校准选择模块和仪表放大模块组成，所述信号输入端与输入保护模块连接，所述输入保护模块与校准选择模块连接，所述校准选择模块与仪表放大模块连接，所述放大器电路的信号输出范围为±5V，防止输出信号失真；
所述滤波器电路由前置滤波、滤波器、后置滤波和旁路滤波组成，所述输入放大器电路的信号输出端与前置滤波连接，所述前置滤波与滤波器连接，所述滤波器与后置滤波连接，所述后置滤波与旁路滤波连接，所述输入放大器电路的信号输出端与旁路滤波连接，用户可以通过软件控制绕过任何通道的滤波器，从而使未经滤波的信号在输出端输出，用户可以使用旁路滤波器检查滤波器对输入信号的作用，使用这种模式时，用户可以在不增加通带纹波和相位非线性影响的情况下检查输入信号；
所述数字控制电路由控制器和数字控制总线组成，所述校准选择模块、仪表放大模块和滤波器均与控制器连接，所述控制器通过数字控制总线与信号输出端连接，用于数据传输。
其中，所述滤波器为8阶巴特沃斯低通滤波器，且所述滤波器是开关电容和连续时间结构的混合，使其具有良好的截止频率特性，避免了传统开关电容滤波器设计中的采样误差。
其中，所述截止频率是通过将100KHZ的基频除以一个整数在滤波器内部进行设定，用户可以设定的滤波器截止频率如下：
Figure GDA0004143934000000041
其中，n为整数且n≥4，同时fc≥10Hz，即：fc＝{25,20,16.7,…,0.01}KHz。
其中，所述校准电路设有EEPROM储存阵列，所述EEPROM与控制器连接，便于补偿增益误差。
其中，所述输入放大器是具有输入保护和校准电路的全差分仪表运算放大器，为输入端的差分信号选择合适的增益。
具体的：一种信号放大滤波调理卡，信号输入端将信号输送给输入放大电路，放大器电路在抑制共模噪声的同时，为输入端的差分信号提供可选增益，可以选择的增益有1、2、5、10、20、50、100，为了提供最佳的测量分辨率和噪声抑制，用户可以选择尽可能高的增益，使输出信号不会超过±5V这个限制范围，输入放大器在增益和直流偏置方面存在固有误差，为了补偿增益误差，每个增益和每个通道的校准常数都存储在EEPROM中，这些常数包含用于校正增益误差的调整因子，在实际使用中，这些常数将自动从EEPROM中读取，并在原始数据还原成电压时应用适当的校正因子，然后，放大输出信号进入滤波器电路中，因滤波器是8阶巴特沃斯低通滤波器，该滤波器是开关电容和连续时间结构的混合，因此具有良好的截止频率特性，避免了传统开关电容滤波器设计中的采样误差，调理卡中的滤波器截止频率是通过将100KHZ的基频除以一个整数在滤波器内部进行设定，用户可以设定的滤波器截止频率如下：
Figure GDA0004143934000000042
其中，n为整数且n≥4，同时fc≥10Hz，换句话说，fc＝{25,20,16.7,…,0.01}KHz，用户在使用时，上位机软件会自动选择一个整数n，这个整数与用户设定的频率最匹配，并且返回实际滤波器的截止频率值，准确的截止频率取决于实际应用，如果在实际应用中，需要考虑相位非线性、振铃、通带纹波或混叠，用户可能需要将截止频率设置为高于实际信号频率范围的几倍，并且用户可以通过软件控制绕过任何通道的滤波器，从而使未经滤波的信号在输出端输出，用户可以使用旁路滤波器检查滤波器对输入信号的作用，使用这种模式时，用户可以在不增加通带纹波和相位非线性影响的情况下检查输入信号，在开机和复位时，调理卡模块的所有通道都默认为旁路滤波器模式，用户在需要外部控制截止频率或者需要比滤波器内部提供更高分辨率的应用中，可以使用外部时钟输入来设置调理卡模块中的滤波器截止频率，每个使用外部时钟作为基准的滤波器截止频率为：/>
Figure GDA0004143934000000051
其中，fext为外部时钟输入频率，n是一个整数(2≤n≤216)，当外部时钟输入频率变化时，截止频率将成比例变化，当用户设定截止频率时，控制器会自动选择正确的前置滤波器和后置滤波器，同时，当外部时钟输入频率用于设置滤波器的截止频率时，用户仍然必须设置一个近似的截止频率，以便控制能够确定合适的前置滤波器和后置滤波器，用户可以按照通信协议，通过上位机软件与调理卡模块进行通信，并设置相关参数，同时也为后端的采集设备提供误差参数，用户也可以通过与调理卡模块的通信，查询调理卡模块当前的模式与状态。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种信号放大滤波调理卡，其特征在于：包括信号输入端、信号输出端、输入放大器电路、滤波器电路、buffer模块、数字控制电路和校准电路，所述信号输入端与输入放大器电路连接，所述输入放大器电路与滤波器电路连接，所述滤波器电路和输入放大器电路均与数字控制电路连接，所述滤波器电路与buffer模块连接，所述buffer模块与信号输出端连接；
所述信号输入端用于信号的输入；
所述输入放大器电路用于抑制共模噪声的同时，为输入端的差分信号提供可选增益；
所述滤波器电路用于保证良好的截止频率；
所述buffer模块用于暂时存储用户数据；
所述数字控制电路用于控制放大器增益、滤波器截止频率、旁路滤波器选通、上位机通信；
所述校准电路用于补偿增益误差；
所述输入放大器电路由输入保护模块、校准选择模块和仪表放大模块组成，所述信号输入端与输入保护模块连接，所述输入保护模块与校准选择模块连接，所述校准选择模块与仪表放大模块连接，所述放大器电路的信号输出范围为±5V；
所述滤波器电路由前置滤波、滤波器、后置滤波和旁路滤波组成，所述输入放大器电路的信号输出端与前置滤波连接，所述前置滤波与滤波器连接，所述滤波器与后置滤波连接，所述后置滤波与旁路滤波连接，所述输入放大器电路的信号输出端与旁路滤波连接；
所述数字控制电路由控制器和数字控制总线组成，所述校准选择模块、仪表放大模块和滤波器均与控制器连接，所述控制器通过数字控制总线与信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种信号放大滤波调理卡，其特征在于：所述滤波器为8阶巴特沃斯低通滤波器，且所述滤波器是开关电容和连续时间结构的混合。
3.根据权利要求1所述的一种信号放大滤波调理卡，其特征在于：所述截止频率是通过将100KHZ的基频除以一个整数在滤波器内部进行设定，用户可以设定的滤波器截止频率如下：
Figure FDA0004143933990000021
其中，n为整数且n≥4，同时fc≥10Hz，即：fc＝{25,20,16.7,…,0.01}KHz。
4.根据权利要求1所述的一种信号放大滤波调理卡，其特征在于：所述校准电路设有EEPROM储存阵列，所述EEPROM与控制器连接。
5.根据权利要求1所述的一种信号放大滤波调理卡，其特征在于：所述输入放大器是具有输入保护和校准电路的全差分仪表运算放大器。
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