CN112737517A - 适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路 - Google Patents

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CN112737517A CN202011549140.6A CN202011549140A CN112737517A CN 112737517 A CN112737517 A CN 112737517A CN 202011549140 A CN202011549140 A CN 202011549140A CN 112737517 A CN112737517 A CN 112737517A
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张庆
陶自强
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Abstract

本发明提出了一种适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，包括：交流差分放大电路和带通滤波电路，其中，所述交流差分放大电路的输入端接入电池响应的交流电压信号，用于对接入的交流电压信号进行放大；所述带通滤波电路的输入端与所述交流差分放大电路的输出端连接，用于对放大后的交流电压信号进行滤除干扰信号处理；所述带通滤波电路的输出端与电池内阻测试器连接，以将滤除干扰后的放大交流电压信号传输给所述电池内阻测试器进行计算应用。本发明针对微弱的小信号，放大功能具有较高的精度，并且提供良好的滤波性能，从而保证了电路工作的稳定性。

Description

适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路
技术领域
本发明涉及电池内阻测量技术领域，特别涉及一种适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路。
背景技术
实现电池内阻在线测量的常用方法为交流注入法，也就是通过信号源给电池注入一个交流电流信号，测量出电池两端产生的交流电压信号和输入的电流，就可计算出电池的内阻。由于电池内阻为毫伏级，因此注入交流信号产生的电压信号为微弱小信号。对于各种微弱的被测量，一般都是通过放大器放大其幅值以反映被测量的大小。但是，由于被测量的信号很微弱，放大电路及测量电路的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，包括：交流差分放大电路和带通滤波电路，其中，所述交流差分放大电路的输入端接入电池响应的交流电压信号，用于对接入的交流电压信号进行放大；所述带通滤波电路的输入端与所述交流差分放大电路的输出端连接，用于对放大后的交流电压信号进行滤除干扰信号处理；所述带通滤波电路的输出端与电池内阻测试器连接，以将滤除干扰后的放大交流电压信号传输给所述电池内阻测试器进行计算应用。
进一步，所述交流差分放大电路包括：集成运算放大器和放大倍数选择电路，其中，所述交流差分放大电路的负向输入端通过电阻和电容与交流电压信号的正极信号连接，所述交流差分放大电路的正向输入端通过电阻和电容与交流电压信号的负极信号连接，所述集成运算放大器的外部增益电阻连接端与所述放大倍数选择电路连接，所述集成运算放大器的输出端与所述带通滤波电路的输入端连接。
进一步，所述放大倍数选择电路，通过开关切换选择不同的接入电阻以设置对应的放大倍数。
进一步，所述放大倍数选择电路采用差分多通道数字控制模拟开关，利用模拟开关实现外部增益电阻的选通。
进一步，所述带通滤波电路采用多重反馈型2阶带通滤波器。
进一步，所述多重反馈型2阶带通滤波器包括：前级的多重反馈型2阶低通滤波电路和电压跟随电路、后级的多重反馈型2阶高通滤波电路和电压跟随电路；前级和后级级联构成所述多重反馈型2阶带通滤波器。
进一步，所述前级的多重反馈型2阶低通滤波电路和电压跟随电路，包括：第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的负向输入端通过电阻接所述交流差分放大电路的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端通过电阻接地；所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的正向输入端连接，所述第二运算放大器的负向输入端和输出端短接。
进一步，所述后级的多重反馈型2阶高通滤波电路和电压跟随电路，包括：第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的负向输入端通过电阻和电容与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的正向输入端通过电阻接地，所述第四运算放大器的正向输入端与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第四运算放大器的负向输入端与输出端短接，所述第四运算放大器的输出端与所述电池内阻测试器连接。
根据本发明实施例的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，是针对电池内阻的微弱信号检测电路，综合分析电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计的一种低噪声差分放大滤波电路，并给出电路参数选择方法。与普通单端放大器相比，本发明可以有效抑制输入信号中共模干扰和地线电压的浮动干扰，针对微弱的小信号，本电路的放大功能具有较高的精度，并且提供良好的滤波性能，从而保证了电路工作的稳定性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的电池内阻测量原理图；
图2为根据本发明实施例的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路的结构图；
图3为根据本发明实施例的交流差分放大电路原理图；
图4为根据本发明实施例的放大倍数选择电路原理图；
图5为根据本发明实施例的带通滤波电路原理图；
图6为根据本发明实施例的多重反馈型2阶带通滤波电路原理图；
图7为根据本发明实施例的差分放大电路输入输出波形图；
图8为根据本发明实施例的波形显示参数的界面图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在介绍本发明之前，首先对电池内阻的测量方法进行说明：
电池内阻的交流注入测量方法是公认的有效方法，具有测量精度高、功耗低的特点。测量原理如图1所示，由激励源向电池注入低频交流电流信号I，电池产生响应电压信号，对电池产生的响应交流电压V采样，可计算出电池的内阻。
由于电池的内阻为毫伏级，因此电池上响应交流电压信号为微弱小信号，所以必须要先进行前置放大滤波再输入相关测试器中。本发明提供的交流小信号差分放大滤波电路就是进行前置放大滤波电路的设计，主要由交流差分放大和带通滤波器组成。
如图2所示，本发明实施例的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路100，包括：交流差分放大电路1和带通滤波电路2。
具体的，交流差分放大电路1的输入端接入电池响应的交流电压信号3，用于对接入的交流电压信号进行放大；带通滤波电路2的输入端与交流差分放大电路1的输出端连接，用于对放大后的交流电压信号进行滤除干扰信号处理；带通滤波电路2的输出端与电池内阻测试器4连接，以将滤除干扰后的放大交流电压信号传输给电池内阻测试器4进行计算应用。
如图3所示，交流差分放大电路1包括：集成运算放大器和放大倍数选择电路，其中，交流差分放大电路1的负向输入端通过电阻和电容与交流电压信号的正极信号连接，交流差分放大电路1的正向输入端通过电阻和电容与交流电压信号的负极信号连接，集成运算放大器的外部增益电阻连接端与放大倍数选择电路连接，集成运算放大器的输出端与带通滤波电路2的输入端连接。
在本发明的实施例中，集成运算放大器可以选用集成运放AD620作为主体实现差分放大功能。AD620是一种低成本、高精度仪器放大器，性能稳定，增益可调，增益范围G为1至10000，其放大倍数由1脚和8脚之间的外部增益控制电阻RG决定，增益方程为G＝1+(49.4K/RG)。
在本发明中，RG的阻值由放大倍数选择电路进行选通设置。
具体的，放大倍数选择电路通过开关切换选择不同的接入电阻以设置对应的放大倍数。
如图4所示，放大倍数选择电路采用差分多通道数字控制模拟开关，利用模拟开关实现外部增益电阻的选通。
优选的，放大倍数选择电路可以采用型号为CD4052的差分4通道数字控制模拟开关。电路中利用模拟开关设计了外部增益电阻的选通功能，可实现不同放大倍数的切换，如图4所示，由放大倍数选择电路替代图3中RG电阻，该电路可以为不同范围的微弱信号选择合理的放大倍数，使得信号在最佳采集电压范围内。例如，参考图4，差分4通道数字控制模拟开关可以选择接入R53、R54、R55或R56，通过接入不同阻值的电阻，从而可以实现对放大倍数的设计。
如图5和图6所示，带通滤波电路2采用多重反馈型2阶带通滤波器。
具体的，多重反馈型2阶带通滤波器包括：前级的多重反馈型2阶低通滤波电路和电压跟随电路、后级的多重反馈型2阶高通滤波电路和电压跟随电路；前级和后级级联构成多重反馈型2阶带通滤波器。
在本发明的实施例中，前级的多重反馈型2阶低通滤波电路和电压跟随电路，包括：第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的负向输入端通过电阻接交流差分放大电路1的输出端，第一运算放大器的正向输入端通过电阻接地；第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的正向输入端连接，第二运算放大器的负向输入端和输出端短接。
后级的多重反馈型2阶高通滤波电路和电压跟随电路，包括：第三运算放大器和第四运算放大器，第三运算放大器的负向输入端通过电阻和电容与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的正向输入端通过电阻接地，第四运算放大器的正向输入端与第三运算放大器的输出端连接，第四运算放大器的负向输入端与输出端短接，第四运算放大器的输出端与电池内阻测试器4连接。
参考图5和图6，信号经过放大后，通过带通滤波器滤除高频和低频干扰信号。本发明中的第一至第四运算放大器选用具有精密性能的四通道运算放大器OP497芯片。通过前级的低通滤波电路LPF和后级的的高通滤波电路HPF，级联构成了多重反馈型2阶带通滤波电路2BPF，该电路可检测出0.36～3.6kHz的带通信号，能有效的滤除通频带之外的信号干扰。
对本发明的本发明的交流小信号差分放大滤波电路100进行测试：交流差分放大电路1首先经过multisim进行电子电路仿真测试，测试中选择反馈电阻RG＝500，此时的放大倍数为G＝99.8，电池两端的交流电压信号经过差分放大和滤波电路，输入波形和输出的波形如下图7所示，波形显示参数如图8所示。
综上，采用本发明的交流小信号差分放大滤波电路100，可以通过交流差分放大电路1有效的隔离直流信号和消除了噪声干扰；通过带通滤波电路2有效的滤除信号频率之外的其他干扰信号。
根据本发明实施例的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，是针对电池内阻的微弱信号检测电路，综合分析电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计的一种低噪声差分放大滤波电路，并给出电路参数选择方法。与普通单端放大器相比，本发明可以有效抑制输入信号中共模干扰和地线电压的浮动干扰，针对微弱的小信号，本电路的放大功能具有较高的精度，并且提供良好的滤波性能，从而保证了电路工作的稳定性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，包括：交流差分放大电路和带通滤波电路，其中，
所述交流差分放大电路的输入端接入电池响应的交流电压信号，用于对接入的交流电压信号进行放大；
所述带通滤波电路的输入端与所述交流差分放大电路的输出端连接，用于对放大后的交流电压信号进行滤除干扰信号处理；
所述带通滤波电路的输出端与电池内阻测试器连接，以将滤除干扰后的放大交流电压信号传输给所述电池内阻测试器进行计算应用。
2.如权利要求1所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述交流差分放大电路包括：集成运算放大器和放大倍数选择电路，其中，所述交流差分放大电路的负向输入端通过电阻和电容与交流电压信号的正极信号连接，所述交流差分放大电路的正向输入端通过电阻和电容与交流电压信号的负极信号连接，所述集成运算放大器的外部增益电阻连接端与所述放大倍数选择电路连接，所述集成运算放大器的输出端与所述带通滤波电路的输入端连接。
3.如权利要求2所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述放大倍数选择电路，通过开关切换选择不同的接入电阻以设置对应的放大倍数。
4.如权利要求3所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述放大倍数选择电路采用差分多通道数字控制模拟开关，利用模拟开关实现外部增益电阻的选通。
5.如权利要求1所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述带通滤波电路采用多重反馈型2阶带通滤波器。
6.如权利要求5所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述多重反馈型2阶带通滤波器包括：前级的多重反馈型2阶低通滤波电路和电压跟随电路、后级的多重反馈型2阶高通滤波电路和电压跟随电路；前级和后级级联构成所述多重反馈型2阶带通滤波器。
7.如权利要求6所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述前级的多重反馈型2阶低通滤波电路和电压跟随电路，包括：第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的负向输入端通过电阻接所述交流差分放大电路的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端通过电阻接地；所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的正向输入端连接，所述第二运算放大器的负向输入端和输出端短接。
8.如权利要求7所述的适用于电池内阻测量的交流小信号差分放大滤波电路，其特征在于，所述后级的多重反馈型2阶高通滤波电路和电压跟随电路，包括：第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的负向输入端通过电阻和电容与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的正向输入端通过电阻接地，所述第四运算放大器的正向输入端与所述第三运算放大器的输出端连接，所述第四运算放大器的负向输入端与输出端短接，所述第四运算放大器的输出端与所述电池内阻测试器连接。
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