CN112054799A - 信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

一种信号处理电路包括：信号整流子电路、信号放大滤波子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路。毫伏及以下量级的传感信号从信号整流子电路输入，信号整流子电路的输出信号传输给信号放大滤波子电路，信号放大滤波子电路的输出信号传输给信号隔离放大子电路，信号隔离放大子电路的输出信号传输给信号限幅子电路。

Description

信号处理电路
技术领域
本文涉及信号处理技术领域，尤指一种信号处理电路。
背景技术
在很多实际工程应用项目中，特别是信号采集和测控系统领域，不同种类的低频微弱传感信号的处理问题比较常见。由于前端传感器类型五花八门，后续模数(A/D，Analog/Digital)转换器也不尽相同，因此对应的信号处理电路也各不相同。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本公开提供了一种信号处理电路，用于对毫伏及以下量级的传感信号进行处理。信号处理电路包括：信号整流子电路、信号放大滤波子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路。所述传感信号从所述信号整流子电路输入，所述信号整流子电路的输出信号传输给所述信号放大滤波子电路，所述信号放大滤波子电路的输出信号传输给所述信号隔离放大子电路，所述信号隔离放大子电路的输出信号传输给所述信号限幅子电路。
本公开提供的信号处理电路可以提高对毫伏及以下量级的传感信号的处理精度，且通用性强。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。
图1为一种信号处理电路的示意图；
图2为图1中的整流结构示意图；
图3为图2的整流原理示意图；
图4为本公开至少一实施例的信号处理电路的示意图；
图5为本公开至少一实施例的信号整流子电路的结构示意图；
图6为图5的信号整流子电路的整流波形示意图；
图7为本公开至少一实施例的信号限幅子电路的结构示意图。
具体实施方式
本公开描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本公开所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本公开包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本公开已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本公开中示出或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
在信号采集和测控技术领域，在传感信号进入A/D转换器之前要进行信号处理，通常包括信号放大、滤波、整流、隔离放大以及限幅等操作。经过前述处理的信号被送入A/D转换器转化为数字信号进行后续处理。
图1为一种信号处理电路的示意图。图1所示的信号处理电路用于对低频微弱传感信号(毫伏及以下量级)进行处理后输入到A/D转换器，A/D转换器可以将模拟信号转换为数字信号进行后续处理。图1所示的信号处理电路包括：信号放大子电路、信号滤波整流子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路。信号放大子电路对输入的低频微弱传感信号进行电压放大，信号电压放大到一定幅度(通常达到伏量级)后，依次通过信号滤波和整流子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路进行滤、整流、隔离放大和限幅处理。
图2为图1中的整流结构示意图。图3为图2的整流原理示意图。图1中的整流功能可以采用二极管的单向导电特性来实现。如图2所示，二极管D0的正极接收输入信号ui，二极管D0的负极与电阻RL的第一端连接，电阻RL的第二端接地，输出信号uo从二极管D0的负极输出。如图3所示，二极管D0(例如，硅管)的导通启动电压一般在0.7V左右，这样就会出现以下问题：0.7V以上的电压可以顺利整流出来恢复原有波形，而0.7V以下的电压信号都会被无差别地整流成0V输出。如此一来，会导致整流信号失真严重，无法真实反映传感器的不同输出信号关系。
本公开至少一实施例提供一种信号处理电路，用于对毫伏及以下量级的传感信号进行处理，包括：信号整流子电路、信号放大滤波子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路。传感信号从信号整流子电路输入，信号整流子电路的输出信号传输给信号放大滤波子电路，信号放大滤波子电路的输出信号传输给信号隔离放大子电路，信号隔离放大子电路的输出信号传输给信号限幅子电路。
本公开实施例提供的信号处理电路，通过改善信号处理过程，先进行信号精密整流，再进行信号放大和其它处理，来改善整流信号的失真情况。
在一些示例性实施方式中，信号整流子电路包括：第一运算放大器、第二运算放大器、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻。第一电阻的第一端与第三电阻的第一端连接，第一电阻的第二端与第一运算放大器的反相输入端连接，第三电阻的第二端与第二运算放大器的反相输入端连接；第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的第一端与第一运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的第二端与第一运算放大器的输出端连接；第四电阻的第一端与第二运算放大器的同相输入端连接，第四电阻的第二端接地；二极管的负极与第二运算放大器的反相输入端连接，二极管的正极与第二运算放大器的输出端连接。传感信号从第一电阻的第一端输入，信号整流子电路的输出信号从第一运算放大器的输出端输出。本示例性实施方式通过采用实现精密整流功能的信号整流子电路，可以提高信号处理精度。
在一些示例性实施方式中，第一电阻和第二电阻的阻值相同。
在一些示例性实施方式中，信号限幅子电路可以包括：多路并联的限幅单元。每个限幅单元包括：第一开关和稳压二极管，每个限幅单元的第一开关的第二端与稳压二极管的负极连接，稳压二极管的正极接地。多个限幅单元的第一开关的第一端相互连接。
在一些示例性实施方式中，信号限幅子电路包括五路并联的限幅单元。然而，本实施例对此并不限定。
本公开实施例提供一种针对低频微弱传感信号处理的通用电路设计，包括全波精密整流、有源滤波、信号放大、隔离及限幅等处理，经此处理后可以直接输入到A/D转换电路转换成数字信号进行后续处理。本实施例提供的信号处理电路可以提高对低频微弱传感信号处理的通用性和处理精度，并降低研发成本，缩短研发周期。
图4为本公开至少一实施例的信号处理电路的示意图。如图4所示，本示例性实施例的信号处理电路包括：信号整流子电路、信号放大滤波子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路。毫伏及以下量级的传感信号从信号整流子电路输入，信号整流子电路的输出信号传输给信号放大滤波子电路，信号放大滤波子电路的输出信号传输给信号隔离放大子电路，信号隔离放大子电路的输出信号传输给信号限幅子电路。换言之，信号整流子电路的输出端与信号放大滤波子电路的输入端连接，信号放大滤波子电路的输出端与信号隔离放大子电路的输入端连接，信号隔离放大子电路的输出端与信号限幅子电路的输入端连接。信号限幅子电路的输出端可以与A/D转换电路的输入端连接，即信号限幅子电路的输出信号传输给A/D转换电路。
图5为本公开至少一实施例的信号整流子电路的结构示意图。如图5所示，信号整流子电路包括：第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、二极管D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。第一电阻R1的第一端与第三电阻R3的第一端连接，第一电阻R1的第二端与第一运算放大器A1的反相输入端N1连接，第三电阻R3的第二端与第二运算放大器A2的反相输入端N2连接。第一运算放大器A1的同相输入端P1与第二运算放大器A2的反相输入端N2连接，第二电阻R2的第一端与第一运算放大器A1的反相输入端N1连接，第二电阻R2的第二端与第一运算放大器A1的输出端连接。第四电阻R4的第一端与第二运算放大器A2的同相输入端P2连接，第四电阻R4的第二端接地。二极管D的负极与第二运算放大器A2的反相输入端N2连接，二极管D的正极与第二运算放大器A2的输出端uo1连接。传感信号ui从第一电阻R1的第一端输入，输出信号uo从第一运算放大器A1的输出端输出。第一电阻R1的阻值与第二电阻R2的阻值相同。
图6为图5的信号整流子电路的整流波形示意图。图5所示的信号整流子电路还可以称为“求绝对值”电路。其中，当传感信号ui>0时，uo＝ui；当传感信号ui<0时，uo＝-ui。
在一些示例性实施方式中，假定第二运算放大器A2的开环差模增益为50万倍，二极管D的导通启动电压为0.7V，则uP-uN＝0.7/(5×105)＝1.4uV。即，只要差模输入电压大于1.4uV，即可启动二极管D的导通，因此，上述信号整流子电路可以实现对极微弱信号的精密整流，并且几乎没有失真。
在一些示例性实施方式中，由于传感信号经过了信号整流子电路(“求绝对值”电路)的处理，变成了直流信号，因此，信号处理电路的输出信号可以适用于由单一正电源供电的A/D转换电路，或者，由正负双电源供电的A/D转换电路。即，本实施例的信号处理电路对后续连接的A/D转换电路的电源供电极性没有硬性要求。
在一些示例性实施方式中，信号放大滤波子电路可以采用一阶或二阶有源滤波放大电路，信号隔离放大子电路可以采用通用光耦隔离放大电路。然而，本实施例对此并不限定。
图7为本公开至少一实施例的信号限幅子电路的结构示意图。如图7所示，信号限幅子电路可以包括：五路并联的限幅单元。第一路限幅单元包括：第一开关K1和稳压二极管DZ1，第一开关K1的第二端与稳压二极管DZ1的负极连接，稳压二极管DZ1的正极接地。第二路限幅单元包括：第一开关K2和稳压二极管DZ2，第一开关K2的第二端与稳压二极管DZ2的负极连接，稳压二极管DZ2的正极接地。第三路限幅单元包括：第一开关K3和稳压二极管DZ3，第一开关K3的第二端与稳压二极管DZ3的负极连接，稳压二极管DZ3的正极接地。第四路限幅单元包括：第一开关K4和稳压二极管DZ4，第一开关K4的第二端与稳压二极管DZ4的负极连接，稳压二极管DZ4的正极接地。第五路限幅单元包括：第一开关K5和稳压二极管DZ5，第一开关K5的第二端与稳压二极管DZ5的负极连接，稳压二极管DZ5的正极接地。五路限幅单元的第一开关K1至K5的第一端相互连接。然而，本实施例对于并联的限幅单元的数目并不限定。
在一些示例中，限幅单元的数量可以根据常用A/D转换电路的输入信号电压量程设置。通过设置多个并联的限幅单元，可以提供多个稳压值，以适应多种不同的需要。图7中第一开关K1至K5分别连接稳压值不同的稳压二极管，例如，稳压二极管DZ1至DZ5的值可以分别对应CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)芯片的3伏(或3.3V等)、TTL(Transistor-Transistor-Logic，晶体管-晶体管逻辑)电路的5V、以及其它不同电压输入量程的A/D转换电路。在实际应用时，只需要依据A/D转换电路的电压输入量程范围，调整隔离放大器的放大倍数，并接通对应的第一开关Ki即可。
本示例性实施例提供的信号处理电路的通用性较强，处理精度高，对微弱信号整流基本无失真、信号放大失真小，可以适合多种不同种类传感器信号处理需要，可直接与不同电压输入范围的A/D转换电路相连接，并且对A/D转换电路没有电源供电极性要求，单一正电源供电或正负极性供电的A/D转换电路都可以直接连接使用。而且，可以降低研发成本，缩短研发周期。
虽然本公开所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本公开而采用的实施方式，并非用以限定本公开。任何本公开所属领域内的技术人员，在不脱离本公开所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本公开的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种信号处理电路，其特征在于，用于对毫伏及以下量级的传感信号进行处理，所述信号处理电路包括：
信号整流子电路、信号放大滤波子电路、信号隔离放大子电路以及信号限幅子电路；所述传感信号从所述信号整流子电路输入，所述信号整流子电路的输出信号传输给所述信号放大滤波子电路，所述信号放大滤波子电路的输出信号传输给所述信号隔离放大子电路，所述信号隔离放大子电路的输出信号传输给所述信号限幅子电路。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号整流子电路包括：第一运算放大器、第二运算放大器、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；所述第一电阻的第一端与第三电阻的第一端连接，第一电阻的第二端与第一运算放大器的反相输入端连接，第三电阻的第二端与第二运算放大器的反相输入端连接；第一运算放大器的同相输入端与第二运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的第一端与第一运算放大器的反相输入端连接，第二电阻的第二端与第一运算放大器的输出端连接；第四电阻的第一端与第二运算放大器的同相输入端连接，第四电阻的第二端接地；二极管的负极与第二运算放大器的反相输入端连接，二极管的正极与第二运算放大器的输出端连接；所述传感信号从所述第一电阻的第一端输入，所述信号整流子电路的输出信号从所述第一运算放大器的输出端输出。
3.根据权利要求2所述的信号处理电路，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的阻值相同。
4.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号限幅子电路，包括：多路并联的限幅单元；每个限幅单元包括：第一开关和稳压二极管，每个限幅单元的第一开关的第二端与稳压二极管的负极连接，稳压二极管的正极接地；多个限幅单元的第一开关的第一端相互连接。
5.根据权利要求4所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号限幅子电路包括五路并联的限幅单元。
6.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，所述信号处理电路还包括：模数转换电路，所述信号限幅子电路的输出信号传输给所述模数转换电路。
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