CN113311879B - 电压信号输出模块及检测电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电压信号输出模块。电压信号输出模块包括第一Sallen‑Key滤波器、第二Sallen‑Key滤波器、正电源稳压模块、负电源稳压模块和外接电平稳压模块，传感器的脉冲宽度调制PWM信号输出端与第一Sallen‑Key滤波器的输入端电连接，第二Sallen‑Key滤波器的输入端与第一Sallen‑Key滤波器的输出端电连接，正电源稳压模块用于向两个Sallen‑Key滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压，负电源稳压模块用于向两个Sallen‑Key滤波器提供经过噪声过滤的负工作电压，外接电平稳压模块用于向第二Sallen‑Key滤波器提供经过噪声过滤的外接工作电压。本发明提供的滤波模块通过包括两个Sallen‑Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器，能够有效控制噪声等信号干扰问题，使处理后的传感器信号噪声更小。本发明还提供一种检测电源。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种电压信号输出模块及检测电源。
背景技术
随着移动智能终端、网络通信、云计算、物联网、大数据等重要领域的应用与发展，作为支撑大规模集成电路领域的核心部件，气体质量流量控制器拥有了更大的发展空间。作为一种精密测量仪器，气体质量流量控制器在半导体行业、化工行业、环保行业等多个领域起着重要作用。而气体质量流量控制器的气体流量控制精度与传感器有着极为密切的关系。传感器的质量直接决定了气体质量流量控制器的控制精度。对于质量流量控制器的核心部件传感器而言其电压输入输出都是小电压，通常情况下电压范围为0～5V，电压分辨率为0.1mv。但在某些场合下，例如在模拟电桥电路的差分电压这样的电压输出为毫伏级且分辨率为0.01mv的情况下，传感器的原电压范围为0～5V，电压分辨率为0.1mv的信号指标则明显不再适用。
如图1所示，现有技术中用于处理质量流量控制器传感器信号的电路结构，其采用RC滤波器对传感器信号进行滤波，然后通过运算放大器对滤波后的信号进行放大。传感器输出的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号(即PWMF1信号)通过R56、C34和R57、R86、C35构成的二级RC滤波器，通过该二级滤波器对PWM信号进行过滤整流，过滤整流后的信号再通过运算放大器U7A的管脚3接入运算放大器进行信号放大，得到放大后的输出信号Flow Out。
然而，现有技术中的传感器滤波模块仍存在噪声密度过大、精度过低的问题。
发明内容
本发明旨在提供一种质量流量控制器中的传感器和质量流量控制器，该传感器输出的信号噪声小、精度高。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种质量流量控制器中的传感器，包括滤波模块，所述滤波模块包括：第一Sallen-Key滤波器、第二Sallen-Key滤波器、正电源稳压模块、负电源稳压模块和外接电平稳压模块，所述传感器的脉冲宽度调制PWM信号输出端与所述第一Sallen-Key滤波器的输入端电连接，所述第二Sallen-Key滤波器的输入端与所述第一Sallen-Key滤波器的输出端电连接，所述正电源稳压模块用于向所述第一Sallen-Key滤波器和所述第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压，所述负电源稳压模块用于向所述第一Sallen-Key滤波器和所述第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的负工作电压，所述外接电平稳压模块用于向所述第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的外接工作电压。
可选地，所述第一Sallen-Key滤波器包括第一运算放大器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端形成为所述第一Sallen-Key滤波器的输入端，所述第一电阻的第二端通过所述第二电阻与所述第一运算放大器的同相输入端电连接并通过所述第二电容与所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第一电容接地，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端短接，所述正电源稳压模块的输出端与所述第一运算放大器的正电压输入端电连接，所述负电源稳压模块的输出端与所述第一运算放大器的负电压输入端电连接。
可选地，所述第二Sallen-Key滤波器包括第二运算放大器、第三电容、第四电容、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第三电阻的第一端形成为所述第二Sallen-Key滤波器的输入端，所述第三电阻的第二端通过所述第四电阻与所述第二运算放大器的同相输入端电连接并通过所述第四电容与所述第二运算放大器的输出端电连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第三电容接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻与所述第二运算放大器的输出端电连接并通过所述第六电阻与所述外接电平稳压模块的输出端电连接，所述正电源稳压模块的输出端与所述第二运算放大器的正电压输入端电连接，所述负电源稳压模块的输出端与所述第二运算放大器的负电压输入端电连接。
可选地，所述正电源稳压模块包括正线性稳压器和与所述正线性稳压器电连接的第一外围电路，初始正电压由所述正线性稳压器的输入端输入，所述正线性稳压器的输出端输出所述正工作电压；
所述第一外围电路包括第九电容、第十电容、第十一电容和第十四电阻，所述第九电容的一端与所述正线性稳压器的输入端、使能端和电源信号输出端电连接，另一端接地；所述第十一电容的一端与所述正线性稳压器的输出端电连接，另一端接地；所述第十四电阻的一端与所述正线性稳压器的电压取样端连接，另一端接地；所述第十电容并联在所述第十四电阻的两端；所述第一外围电路还将所述正线性稳压器的电流门限调节端与接地端电连接并接地。
可选地，所述负电源稳压模块包括负线性稳压器和与所述负线性稳压器电连接的第二外围电路，初始负电压由所述负线性稳压器的电压输入端输入，所述外接工作电压由所述负线性稳压器的使能端输入，所述负线性稳压器的电压输出端输出所述负工作电压；
所述第二外围电路包括第七电容、第八电容、第十五电容、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻，所述第七电容、所述第八电容和所述第十二电阻的第一端与所述负线性稳压器的接地端电连接并接地；所述第七电容的第二端与所述负线性稳压器的电压输入端电连接；所述第八电容的第二端与所述负线性稳压器的电压输出端电连接；所述第十二电阻的第二端与所述负线性稳压器的输出电压调整端以及所述第十一电阻的第一端和所述第十三电阻的第一端电连接，所述第十一电阻的第二端与所述负线性稳压器的电压输出端电连接，所述第十三电阻的第二端通过所述第十五电容与所述负线性稳压器的电压输出端电连接。
可选地，所述外接电平稳压模块包括基准电压源和与所述基准电压源电连接的第三外围电路，初始外接电压由所述基准电压源的电压输入端输入，所述基准电压源的电压输出端输出所述外接工作电压；
所述第三外围电路包括第十二电容、第十三电容和第十四电容，所述第十二电容的第一端、所述第十三电容的第一端均与所述基准电压源的电压输入端电连接，所述第十二电容的第二端与所述第十三电容的第二端电连接并接地，所述第十四电容的一端与所述基准电压源的电压输出端电连接，所述第十四电容的另一端与所述基准电压源的接地端电连接并接地。
可选地，所述正线性稳压器为LT3045正线性稳压器，所述正工作电压为+12V，所述初始正电压为+15V；
所述负线性稳压器为ADP7182负线性稳压器，所述负工作电压为-12V，所述初始负电压为-15V；
所述基准电压源为ADR4533基准电压源，所述外接工作电压为-3.3V，所述初始外接电压的幅值大于3.3V。
可选地，还包括电压跟随模块，所述电压跟随模块包括第三运算放大器和与所述第三运算放大器电连接的第四外围电路，所述正电源稳压模块的输出端与所述第三运算放大器的正电压输入端电连接，所述负电源稳压模块的输出端与所述第三运算放大器的负电压输入端电连接，所述第三运算放大器的同相输入端与所述第二Sallen-Key滤波器的输出端电连接；
所述第四外围电路包括第五电容、第六电容、第九电阻和第十电阻，所述第五电容的一端与所述第三运算放大器的负电压输入端电连接，另一端与所述第三运算放大器的输出端电连接；所述第六电容的一端与所述第三运算放大器的同相输入端电连接，另一端接地；所述第九电阻的第一端与所述第三运算放大器的输出端电连接，所述第九电阻的第二端形成为所述电压跟随模块的输出端；所述第十电阻的一端与所述第三运算放大器的反相输入端电连接，另一端与所述第九电阻的第二端电连接。
可选地，还包括分压偏置模块，所述分压偏置模块包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的第一端形成为所述分压偏置模块的输入端且与所述第二Sallen-Key滤波器的输出端电连接，所述第一分压电阻的第二端形成为所述分压偏置模块的输出端且通过所述第二分压电阻接地，所述分压偏置模块的输出端与第三运算放大器的同相输入端电连接。
作为本发明的第二个方面，提供一种质量流量控制器，所述质量流量控制器包括前面所述的传感器。
在本发明提供的传感器和质量流量控制器中，通过两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器替换了现有技术中的RC二阶滤波器，二阶低通的Sallen-Key滤波器具有高输入阻抗、增益容易被配置的优点，且Sallen-Key滤波器中的运放被配置为电压跟随模式，由两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器能够对质量流量控制器中传感器输出的PWM信号进行整流滤波，有效控制噪声等信号干扰问题，使处理后的传感器信号噪声更小。并且，本申请中通过正电源稳压模块、负电源稳压模块和外接电平稳压模块分别向对应的滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压、负工作电压以及外接工作电压，从而进一步提高了两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器输出信号的稳定性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中一种用于处理质量流量控制器传感器信号的电路结构示意图；
图2是图1中滤波模块输出信号的性能指标电源抑制比PSRR；
图3是图1中滤波模块输出信号的噪声密度曲线示意图；
图4是本发明实施例提供的滤波模块中的部分电路结构示意图；
图5是图4中滤波模块的等效电路示意图；
图6是本发明实施例提供的滤波模块中的部分电路结构示意图；
图7是本发明实施例提供的滤波模块中的部分电路结构示意图；
图8是本发明实施例提供的滤波模块中的部分电路结构示意图；
图9是图4中电路结构的幅频特性曲线示意图；
图10是图4中电路结构的噪声密度仿真曲线示意图；
图11是本发明实施例提供的滤波模块中的部分电路结构示意图；
图12是本发明实施例提供的滤波模块中的部分电路结构示意图；
图13是本发明实施例提供的滤波模块中接入电压跟随模块前后的幅频特性曲线对比示意图；
图14是本发明实施例提供的滤波模块中接入电压跟随模块前后的噪声密度仿真曲线示意图；
图15是本发明实施例提供的滤波模块的输入信号与输出信号之间关系的曲线图；
图16是本发明实施例提供的滤波模块中正线性稳压器的内部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图2、图3所示为现有技术中传感器滤波模块输出信号的性能指标电源抑制比PSRR和噪声密度曲线示意图。根据CPU的PWM输出频率305.204Hz，基于量化噪声的要求，最小纹波需小于1/2LSB，传感器的原电压范围除以电压分辨率5V/0.1mV＝50000，接近2^16(即65536)，即LSB＝1/65536，)此时滤波模块对输出频率305.204Hz的电源抑制比PSRR需为20*log(1/2*1/65536)＝-102dB，根据图1电路结构进行电路仿真的仿真结果如图2(幅频特性仿真)、图3(噪声密度仿真)所示。从图2幅频特性仿真可以看出，电源抑制比PSRR-102dB对应于407Hz的输出频率，显然是不能满足≤305.204Hz的信号输出需求。并且，由图3所示噪声密度仿真结果可以看出其低频的噪声密度最大已经达到85.69uV/Hz1/2，无法满足噪声密度需小于0.01mV/Hz1/2的实际需求。
为解决上述技术问题，作为本发明的一个方面，提供一种质量流量控制器中的传感器，包括滤波模块，如图4所示，该滤波模块包括：第一Sallen-Key滤波器和第二Sallen-Key滤波器，传感器的脉冲宽度调制PWM信号输出端与第一Sallen-Key滤波器的输入端电连接，第二Sallen-Key滤波器的输入端与第一Sallen-Key滤波器的输出端电连接。该滤波模块还包括正电源稳压模块(如图6所示)、负电源稳压模块(如图7所示)和外接电平稳压模块(如图8所示)，正电源稳压模块用于向第一Sallen-Key滤波器和第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压，负电源稳压模块用于向第一Sallen-Key滤波器和第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的负工作电压，外接电平稳压模块用于向第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的外接工作电压。
如图5所示为该滤波模块中两个Sallen-Key滤波器的等效电路示意图，本发明提供的传感器的滤波模块中，通过两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器替换了现有技术中的RC二阶滤波器，二阶低通的Sallen-Key滤波器具有高输入阻抗、增益容易被配置的优点，且Sallen-Key滤波器中的运放被配置为电压跟随模式，由两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器能够对质量流量控制器中传感器输出的PWM信号进行整流滤波，有效控制噪声等信号干扰问题，使处理后的传感器信号噪声更小，满足对传感器信号提出的更高要求(如，对输出频率305.204Hz的电源抑制比PSRR为-102dB、噪声密度小于0.01mV/Hz1/2等要求)。
并且，本申请中通过正电源稳压模块、负电源稳压模块和外接电平稳压模块分别向对应的滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压、负工作电压以及外接工作电压，从而进一步提高了两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器输出信号的稳定性。
本发明实施例对第一Sallen-Key滤波器和第二Sallen-Key滤波器的电路结构不做具体限定，例如，可选地，如图4所示，第一Sallen-Key滤波器可以包括第一运算放大器A、第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的第一端形成为第一Sallen-Key滤波器的输入端，第一电阻R1的第二端通过第二电阻R2与第一运算放大器A的同相输入端(第三管脚)电连接并通过第二电容C2与第一运算放大器A的输出端(第一管脚)电连接，第一运算放大器A的同相输入端通过第一电容C1接地，第一运算放大器A的反相输入端(第二管脚)与第一运算放大器A的输出端短接。正电源稳压模块的输出端与第一运算放大器A的正电压输入端(第四管脚)电连接，负电源稳压模块的输出端与第一运算放大器的负电压输入端(第八管脚)电连接。
第二Sallen-Key滤波器可以包括第二运算放大器B、第三电容C3、第四电容C4、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，第三电阻R3的第一端形成为第二Sallen-Key滤波器的输入端，第三电阻R3的第二端通过第四电阻R4与第二运算放大器B的同相输入端(第五管脚)电连接并通过第四电容C4与第二运算放大器B的输出端(第七管脚)电连接，第二运算放大器B的同相输入端通过第三电容C3接地，第二运算放大器B的反相输入端(第六管脚)通过第五电阻R5与第二运算放大器B的输出端电连接并通过第六电阻R6与外接电平稳压模块的输出端电连接。正电源稳压模块的输出端与第二运算放大器B的正电压输入端(第四管脚)电连接，负电源稳压模块的输出端与第二运算放大器B的负电压输入端(第八管脚)电连接。
本发明实施例对第一Sallen-Key滤波器和第二Sallen-Key滤波器中的运算放大器的正电源端、负电源端所接电平的大小不做具体限定，例如，可选地，该正工作电压为+12V电平，该负工作电压为-12V电平。
本发明实施例对正电源稳压模块的结构不作具体限定，例如，作为本发明的一种优选实施方式，如图6所示，该正电源稳压模块包括正线性稳压器和与正线性稳压器连接的第一外围电路，初始正电压由正线性稳压器的输入端IN(相互短接的第一管脚与第二管脚)输入，正线性稳压器的输出端OUT/OUTS(相互短接的第九管脚和第十管脚)输出正工作电压。
第一外围电路包括第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11和第十四电阻R14，第九电容C9的一端与正线性稳压器的输入端IN(相互短接的第一管脚与第二管脚)、使能端EN/UV(第三管脚)、电源信号输出端(PG，Power Good，第四管脚)电连接，第九电容C9的另一端接地；第十一电容C11的一端与正线性稳压器的输出端OUT/OUTS(第九管脚和第十管脚)电连接，第十一电容C11的另一端接地；第十四电阻R14的一端与正线性稳压器的电压取样端SET(第七管脚)连接，第十四电阻R14的另一端接地；第十电容C10并联在第十四电阻R14的两端；第一外围电路还将正线性稳压器的电流门限调节端ILIM(第五管脚)与接地端GND(第八管脚)电连接并接地。
本发明实施例对正线性稳压器的型号以及正电源稳压模块输出的工作电压的幅值不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，正线性稳压器可以为LT3045正线性稳压器，正工作电压可以为+12V，初始正电压可以为+15V。
如图16所示为LT3045正线性稳压器的内部结构示意图，其主要包括一个100μA的恒流源和一个运放的负相输入端与输出短构成的电压缓冲器，该LT3045正线性稳压器能够根据第一外围电路中多个电阻的阻值输出与输入电压成一定比例的低噪声电压信号。在本发明实施例中，采用正线性稳压器和第一外围电路组成的低压差线性稳压器(low dropoutregulator，LDO)将初始正电压稳压得到正工作电压，降低了向正工作电压供电的电源噪声，提高了正工作电压的稳定性，进而提高了滤波模块输出信号的稳定性。
本发明实施例对负电源稳压模块的结构不作具体限定，例如，作为本发明的一种优选实施方式，如图7所示，该负电源稳压模块包括负线性稳压器和与负线性稳压器电连接的第二外围电路，初始负电压由负线性稳压器的电压输入端VIN(第二管脚)输入，外接工作电压由负线性稳压器的使能端EN(第三管脚)输入，负线性稳压器的电压输出端VOUT(第五管脚)输出负工作电压。
第二外围电路包括第七电容C7、第八电容C8、第十五电容C15、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13，第七电容C7、第八电容C8和第十二电阻R12的第一端与负线性稳压器的接地端GND(第一管脚)电连接并接地；第七电容C7的第二端与负线性稳压器的电压输入端VIN(第二管脚)电连接；第八电容C8的第二端与负线性稳压器的电压输出端VOUT(第五管脚)电连接；第十二电阻R12的第二端与负线性稳压器的输出电压调整端ADJ(第四管脚)以及第十一电阻R11的第一端和第十三电阻R13的第一端电连接，第十一电阻R11的第二端与负线性稳压器的电压输出端VOUT(第五管脚)电连接，第十三电阻R13的第二端通过第十五电容C15与负线性稳压器的电压输出端VOUT(第五管脚)电连接。
负线性稳压器能够在使能端EN接收到有效的外接工作电压时，通过电压输出端VOUT输出与电压输入端VIN输入的电压值成一定比例的低噪声电压信号，且电压输出端VOUT输出的信号幅值随输出电压调整端ADJ连接的电阻阻值调整而改变。在本发明实施例中，采用负线性稳压器和第二外围电路组成的电路将初始负电压稳压得到负工作电压，同时同样具有超低噪声的特点，能够提供稳定的负工作电压，降低了向负工作电压供电的电源噪声，提高了负工作电压的稳定性，进而提高了滤波模块输出信号的稳定性。
本发明实施例对外接电平稳压模块的结构不作具体限定，例如，作为本发明的一种优选实施方式，如图8所示，该外接电平稳压模块包括基准电压源和第三外围电路，初始外接电压由基准电压源的电压输入端Vin(第二管脚)输入，基准电压源的电压输出端Vout(第六管脚)输出外接工作电压。
第三外围电路包括第十二电容C12、第十三电容C13和第十四电容C14，第十二电容C12的第一端和第十三电容C13的第一端与基准电压源的电压输入端Vin(第二管脚)电连接，第十二电容C12的第二端与第十三电容C13的第二端电连接并接地，第十四电容C14的一端与基准电压源的电压输出端Vout(第六管脚)电连接，第十四电容C14的另一端与基准电压源的接地端GND(第四管脚)电连接并接地。
在本发明实施例中，采用基准电压源和第三外围电路组成的外接电平稳压模块将初始外接电压Vref1稳压得到外接工作电压，基准电压源具有高精度、低功耗、低噪声的优点，通过该电路能够获得稳定的外接工作电压，降低了向负工作电压供电的电源噪声，提高了第二运算放大器B的基准输入信号的稳定性，进而提高了滤波模块输出信号的稳定性。
本发明实施例对负线性稳压器、基准电压源的型号以及各模块输出的工作电压的幅值不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，负线性稳压器可以为ADP7182负线性稳压器，负工作电压为-12V，初始负电压为-15V；
基准电压源可以为ADR4533基准电压源，外接工作电压为-3.3V，初始外接电压的幅值大于3.3V(如，-5V)。
如图9、图10所示为对该四阶Bessel有源滤波器电路进行仿真得到的幅频特性曲线和噪声密度仿真曲线，由幅频特性曲线可以看出，其电源抑制比PSRR为-102dB的点在270Hz的位置，满足≤305.204Hz的需求。由噪声密度仿真结果可以看出其低频最大噪声密度已小于1.6uV/Hz1/2，满足分辨率0.01mv的需求。
为增强该滤波模块的电压输出跟随能力，优选地，该滤波模块还包括电压跟随模块，如图12所示，该电压跟随模块包括第三运算放大器和第四外围电路，正电源稳压模块的输出端与第三运算放大器的正电压输入端(第四管脚)电连接，负电源稳压模块的输出端与第三运算放大器的负电压输入端(第八管脚)电连接，第三运算放大器的同相输入端(第三管脚)与第二Sallen-Key滤波器的输出端电连接。
第四外围电路包括第五电容C5、第六电容C6、第九电阻R9和第十电阻R10，第五电容C5的一端与第三运算放大器的负电压输入端(第二管脚)电连接，另一端与第三运算放大器的输出端电连接；第六电容C6的一端与第三运算放大器的同相输入端(第三管脚)电连接，另一端接地；第九电阻R9的第一端与第三运算放大器的输出端(第一管脚)电连接，第九电阻R9的第二端形成为电压跟随模块的输出端；第十电阻R10的一端与第三运算放大器的反相输入端(第二管脚)电连接，另一端与第九电阻R9的第二端电连接。
在本发明实施例中，四阶Bessel有源滤波器的输出信号由3脚引入第三运算放大器，利用第三运算放大器与第四外围电路的电阻电容构成的电压跟随器实现电压跟随。如图13所示为接入该电压跟随模块前(曲线1)和接入该电压跟随模块后(曲线2)的幅频特性曲线对比示意图，图14为接入该电压跟随模块后的噪声密度仿真曲线。由曲线1与曲线2对比可知，在-102dB位置，曲线1对应频率约为289Hz，而在增加电压跟随模块后，对应频率约289Hz位置的dB值约为-132dB，远优于实际需求。
本发明实施例对第三运算放大器的型号不作具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，第三运算放大器可以为ADA4075运算放大器。
为使该四阶Bessel有源滤波器的输出信号下限达到约-30mV，优选地，该滤波模块还包括分压偏置模块，如图11所示，该分压偏置模块包括第一分压电阻R7和第二分压电阻R8，第一分压电阻的第一端形成为分压偏置模块的输入端且与第二Sallen-Key滤波器的输出端电连接，第一分压电阻的第二端形成为分压偏置模块的输出端且通过第二分压电阻接地，分压偏置模块的输出端与第三运算放大器的同相输入端电连接。
在本发明实施例中，四阶Bessel有源滤波器的输出端(即第二运算放大器B的输出端)后连接有分压偏置模块，其采用第一分压电阻R7、第二分压电阻R8分压的方式，对第二运算放大器B的输出电压分压得到输出电压V1，使输出信号的下限达到约-30mV。
为便于本领域技术人员理解，以下给出图4至图12所示电路之间的连接关系：图6所示正电源稳压模块的输入端接收外部直流电源供给的+15V初始正电压，其输出的+12V正工作电压接入图4所示四阶Bessel有源滤波器中的第一运算放大器A和第二运算放大器B的管脚8(第八管脚)(即作为第一运算放大器A和第二运算放大器B的正工作电压输入)，并接入图12的电压跟随模块中第三运算放大器U2A的管脚8(即作为第三运算放大器U2A的+12V输入)。图7所示负电源稳压模块的-15V初始负电压和初始外接电压Vref1输入同样由外部直流电源供给，其中Vref1为幅值5V的直流电压，负电源稳压模块输出的-12V负工作电压接入图4所示四阶Bessel有源滤波器中的第一运算放大器A和第二运算放大器B的管脚4(即作为第一运算放大器A和第二运算放大器B的负工作电压输入)，并接入图12的电压跟随模块中第三运算放大器U2A的管脚4(即作为第三运算放大器U2A的负工作电压输入)。图8的Vref1同7的Vref1为同一个信号，即5V的直流电压，外接电平稳压模块输出的+3.3V的外接工作电压Vref接入图4所示四阶Bessel有源滤波器中的第六电阻R6，作为第二运算放大器B的基准输入信号。图11的R7第一端接入图4中第二运算放大器B的管脚7(即第二运算放大器B的输出端)，对其输出信号进行分压。图11的R8第二端接地，图11中分压偏置模块的输出信号V1接入图12的电压跟随模块中第三运算放大器U2A的管脚3，作为第三运算放大器U2A的输入信号，图12中电压跟随模块的输出信号Vout即为所需的-10～+100mv输出。
该电路的实际结果输出如图所示15所示，其输入为0～65535中的一个数值，输出为-10～110mv中的一个数值，由图15可知，其输出信号满足输出范围-10～110mv，且输入与输出成线性关系，分辨率为0.01mv，精度符合要求。
作为本发明的第二个方面，还提供一种质量流量控制器，该质量流量控制器包括本发明实施例提供的传感器。
本发明实施例对该传感器用于检测的物理量不做具体限定，例如，该传感器可用于检测质量流量控制器中的流体流速并生成相应的模拟量信号。
在本发明提供的质量流量控制器中，滤波模块通过两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器替换了现有技术中的RC二阶滤波器，二阶低通的Sallen-Key滤波器具有高输入阻抗、增益容易被配置的优点，且Sallen-Key滤波器中的运放被配置为电压跟随模式，由两个Sallen-Key滤波器组成的四阶Bessel有源滤波器能够对质量流量控制器中传感器输出的PWM信号进行整流滤波，有效控制噪声等信号干扰问题，使处理后的传感器信号噪声更小，满足对传感器信号提出的更高要求。
并且，本申请中通过正电源稳压模块、负电源稳压模块和外接电平稳压模块分别向对应的滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压、负工作电压以及外接工作电压，从而进一步提高了质量流量控制器控制流量的稳定性。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种电压信号输出模块，用于模拟质量流量控制器中传感器输出的电压信号，其特征在于，包括：第一Sallen-Key滤波器、第二Sallen-Key滤波器、正电源稳压模块、负电源稳压模块和外接电平稳压模块，所述第一Sallen-Key滤波器和所述第二Sallen-Key滤波器为二阶低通滤波器，所述第一Sallen-Key滤波器的输入端用于接收脉冲宽度调制PWM信号，所述第二Sallen-Key滤波器的输入端与所述第一Sallen-Key滤波器的输出端电连接，所述第二Sallen-Key滤波器的输出端用于输出所述电压信号，以组成四阶Bessel有源滤波器，所述正电源稳压模块用于向所述第一Sallen-Key滤波器和所述第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的正工作电压，所述负电源稳压模块用于向所述第一Sallen-Key滤波器和所述第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的负工作电压，所述外接电平稳压模块用于向所述第二Sallen-Key滤波器提供经过噪声过滤的外接工作电压。
2.根据权利要求1所述的电压信号输出模块，其特征在于，所述第一Sallen-Key滤波器包括第一运算放大器、第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的第一端形成为所述第一Sallen-Key滤波器的输入端，所述第一电阻的第二端通过所述第二电阻与所述第一运算放大器的同相输入端电连接并通过所述第二电容与所述第一运算放大器的输出端电连接，所述第一运算放大器的同相输入端通过所述第一电容接地，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一运算放大器的输出端短接，所述正电源稳压模块的输出端与所述第一运算放大器的正电压输入端电连接，所述负电源稳压模块的输出端与所述第一运算放大器的负电压输入端电连接。
3.根据权利要求1所述的电压信号输出模块，其特征在于，所述第二Sallen-Key滤波器包括第二运算放大器、第三电容、第四电容、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第三电阻的第一端形成为所述第二Sallen-Key滤波器的输入端，所述第三电阻的第二端通过所述第四电阻与所述第二运算放大器的同相输入端电连接并通过所述第四电容与所述第二运算放大器的输出端电连接，所述第二运算放大器的同相输入端通过所述第三电容接地，所述第二运算放大器的反相输入端通过所述第五电阻与所述第二运算放大器的输出端电连接并通过所述第六电阻与所述外接电平稳压模块的输出端电连接，所述正电源稳压模块的输出端与所述第二运算放大器的正电压输入端电连接，所述负电源稳压模块的输出端与所述第二运算放大器的负电压输入端电连接。
4.根据权利要求1所述的电压信号输出模块，其特征在于，所述正电源稳压模块包括正线性稳压器和与所述正线性稳压器电连接的第一外围电路，初始正电压由所述正线性稳压器的输入端输入，所述正线性稳压器的输出端输出所述正工作电压；
所述第一外围电路包括第九电容、第十电容、第十一电容和第十四电阻，所述第九电容的一端与所述正线性稳压器的输入端、使能端和电源信号输出端电连接，另一端接地；所述第十一电容的一端与所述正线性稳压器的输出端电连接，另一端接地；所述第十四电阻的一端与所述正线性稳压器的电压取样端连接，另一端接地；所述第十电容并联在所述第十四电阻的两端；所述第一外围电路还将所述正线性稳压器的电流门限调节端与接地端电连接并接地。
5.根据权利要求1所述的电压信号输出模块，其特征在于，所述负电源稳压模块包括负线性稳压器和与所述负线性稳压器电连接的第二外围电路，初始负电压由所述负线性稳压器的电压输入端输入，所述外接工作电压由所述负线性稳压器的使能端输入，所述负线性稳压器的电压输出端输出所述负工作电压；
所述第二外围电路包括第七电容、第八电容、第十五电容、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻，所述第七电容、所述第八电容和所述第十二电阻的第一端与所述负线性稳压器的接地端电连接并接地；所述第七电容的第二端与所述负线性稳压器的电压输入端电连接；所述第八电容的第二端与所述负线性稳压器的电压输出端电连接；所述第十二电阻的第二端与所述负线性稳压器的输出电压调整端以及所述第十一电阻的第一端和所述第十三电阻的第一端电连接，所述第十一电阻的第二端与所述负线性稳压器的电压输出端电连接，所述第十三电阻的第二端通过所述第十五电容与所述负线性稳压器的电压输出端电连接。
6.根据权利要求1所述的电压信号输出模块，其特征在于，所述外接电平稳压模块包括基准电压源和与所述基准电压源电连接的第三外围电路，初始外接电压由所述基准电压源的电压输入端输入，所述基准电压源的电压输出端输出所述外接工作电压；
所述第三外围电路包括第十二电容、第十三电容和第十四电容，所述第十二电容的第一端、所述第十三电容的第一端均与所述基准电压源的电压输入端电连接，所述第十二电容的第二端与所述第十三电容的第二端电连接并接地，所述第十四电容的一端与所述基准电压源的电压输出端电连接，所述第十四电容的另一端与所述基准电压源的接地端电连接并接地。
7.根据权利要求4所述的电压信号输出模块，其特征在于，
所述正线性稳压器为LT3045正线性稳压器，所述正工作电压为+12V，所述初始正电压为+15V。
8.根据权利要求5所述的电压信号输出模块，其特征在于，
所述负线性稳压器为ADP7182负线性稳压器，所述负工作电压为-12V，所述初始负电压为-15V。
9.根据权利要求6所述的电压信号输出模块，其特征在于，
所述基准电压源为ADR4533基准电压源，所述外接工作电压为-3.3V，所述初始外接电压的幅值大于3.3V。
10.根据权利要求1至6中任意一项所述的电压信号输出模块，其特征在于，还包括电压跟随模块，所述电压跟随模块包括第三运算放大器和与所述第三运算放大器电连接的第四外围电路，所述正电源稳压模块的输出端与所述第三运算放大器的正电压输入端电连接，所述负电源稳压模块的输出端与所述第三运算放大器的负电压输入端电连接，所述第三运算放大器的同相输入端与所述第二Sallen-Key滤波器的输出端电连接；
所述第四外围电路包括第五电容、第六电容、第九电阻和第十电阻，所述第五电容的一端与所述第三运算放大器的反向输入端电连接，另一端与所述第三运算放大器的输出端电连接；所述第六电容的一端与所述第三运算放大器的同相输入端电连接，另一端接地；所述第九电阻的第一端与所述第三运算放大器的输出端电连接，所述第九电阻的第二端形成为所述电压跟随模块的输出端；所述第十电阻的一端与所述第三运算放大器的反相输入端电连接，另一端与所述第九电阻的第二端电连接。
11.根据权利要求10所述的电压信号输出模块，其特征在于，还包括分压偏置模块，所述分压偏置模块包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻的第一端形成为所述分压偏置模块的输入端且与所述第二Sallen-Key滤波器的输出端电连接，所述第一分压电阻的第二端形成为所述分压偏置模块的输出端且通过所述第二分压电阻接地，所述分压偏置模块的输出端与第三运算放大器的同相输入端电连接。
12.一种检测电源，用于对质量流量控制器进行检测，其特征在于，包括用于输出脉冲宽度调制PWM信号的信号输出模块和如权利要求1至11中任意一项所述的电压信号输出模块。
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