CN114598322A - 一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法，涉及信号测量技术领域，包括控制模拟信号切换开关将两个信号分别输入可编程增益放大器的同相输入端和反相输入端，信号经可编程增益放大器、模拟信号缓冲器后至模拟数字转换器进行模数转换后输出到结果计算电路，同时控制模拟信号切换开关的切换两个信号，再次经可编程增益放大器、模拟信号缓冲器、模拟数字转换器后由结果计算电路将两次输出结果相减再除以2，输出消除直流失调电压的量化结果。本发明在不增加电路规模、不增加功耗的情况下，采用模拟数字转换器对信号进行切换多次量化并通过数字运算来消除直流失调电压，有利于芯片的高度集成化。

Description

一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法
技术领域
本发明涉及信号测量技术领域，具体的说，是一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法。
背景技术
随着物联网的高速发展，设备和传感器与互联网之间的连接对芯片性能提出了更高的要求，要求芯片能更精确、更快速地处理一些传感器产生的电压、电流等信号，这些信号中可能还包含温度信息、湿度信息以及环境亮度信息等。在这些处理电路中，通常需要将信号进行放大处理，以便信号能被后续的模拟数字转换器量化、识别。在使用放大器时，由于目前芯片制造工艺的原因，导致内部尺寸相同的MOS管存在一定差异从而产生直流失调电压的现象，影响到信号的正确量化，导致不能从电压信号从提取出正确的信息；使用模拟数字转换器对片外一些包含温度、湿度等低频电压信号进行量化时，直流失调电压会带来巨大的影响，甚至产生错误的结果。
目前消除直流失调电压的方法，大多通过加入斩波技术进行消除，但是这种方法通常需要大面积的滤波电阻电容电路，这在芯片小型化、高集成度的趋势下是不容易被接受的，并且斩波技术还需要引人一个新的时钟频率，从而增加了电路的规模和电路的功耗，这同样在芯片低功耗下的趋势下是不被接受的，并且该时钟频率可能对系统带来串扰从而影响到其他模块的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法，用于解决现有技术消除直流失调电压的方法中存在不利于芯片小型化、高集成度，以及新引入的时钟频率增加电路功耗、带来串扰的问题。
一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法，基于信号处理装置实现，所述信号处理装置包括依次连接的模拟信号切换开关、可编程增益放大器、模拟信号缓冲器、模拟数字转换器和结果计算电路，所述模拟数字转换器的输出端连接所述模拟信号切换开关的控制端，方法包括：
步骤S100、控制模拟信号切换开关的第一组开关闭合、第二组开关断开，将第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的同相输入端和反相输入端，可编程增益放大器对输入的信号放大后输出至模拟信号缓冲器，模拟信号缓冲器输出信号至模拟数字转换器；
步骤S200、模拟数字转换器对输入的信号进行模数转换后输出到结果计算电路，同时输出控制信号至模拟信号切换开关的控制端，切换第一组开关、第二组开关的状态，将第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的反相输入端和同相输入端，可编程增益放大器对输入的信号放大后输出至模拟信号缓冲器，模拟信号缓冲器输出信号至模拟数字转换器；
步骤S300、模拟数字转换器对输入的信号进行模数转换后输出到结果计算电路，结果计算电路将模拟数字转换器的两次输出结果相减再除以2，输出消除直流失调电压的量化结果；同时，模拟数字转换器输出控制信号至模拟信号切换开关，返回步骤S100。
当第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的同相输入端和反相输入端时，模拟信号缓冲器输出信号U1为：U1=A*（UIN++Vos1-UIN-）+Vos2，其中，A为可编程增益放大器的增益，UIN+为第一信号，UIN-为第二信号，Vos1为可编程增益放大器产生的直流失调电压，Vos2为模拟信号缓冲器产生的直流失调电压；当第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的反相输入端和同相输入端时，模拟信号缓冲器输出信号U2为：U2=A*(UIN-+Vos1-UIN+)+Vos2；模拟数字转换器将信号U1和U2模数转换后输入结果计算电路，结果计算电路对两次输入的数据计算，得到消除直流失调电压的量化结果U：U=(U1-U2)/2=A*(UIN+-UIN-)。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明在不增加电路规模、不增加功耗的情况下，采用模拟数字转换器对信号进行切换多次量化并通过简单运算消除直流失调电压，非常有利于芯片的高度集成化。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为模拟信号切换开关的电路原理图；
图3为可编程放大器的结构图；
其中，1-模拟信号切换开关；2-可编程增益放大器；3-模拟信号缓冲器；4-模拟数字转换器；5-结果计算电路。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
结合图1所示，一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法，基于信号处理装置实现，所述信号处理装置包括依次连接的模拟信号切换开关1、可编程增益放大器2、模拟信号缓冲器3、模拟数字转换器4和结果计算电路5，所述模拟数字转换器4的输出端连接所述模拟信号切换开关1的控制端，模拟信号切换开关1用于切换输入信号，可编程增益放大器2用于放大芯片外部待测量的电压信号，模拟信号缓冲器3用于驱动模拟数字转换器4，以及为模拟数字转换器4和可编程增益放大器2提供隔离作用，隔离电路的回踢噪声，模拟数字转换器4用于将模拟信号转换成数字信号，供芯片MCU调用测量信号，模拟数字转换器4每次转换完成产生一个量化结果时产生的一个脉冲指示信号，该脉冲指示信号用于输出控制信号控制模拟信号切换开关1进行切换操作，结果计算电路5用于对模拟数字转换器4的两次输出结果进行运算操作，输出消除直流失调电压的量化结果，方法包括：
步骤S100、控制模拟信号切换开关1的第一组开关闭合、第二组开关断开，将第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器2的同相输入端和反相输入端，可编程增益放大器2对输入的信号放大后输出至模拟信号缓冲器3，模拟信号缓冲器3输出信号至模拟数字转换器4；模拟信号缓冲器3输出信号U1为：U1=A*（UIN++Vos1-UIN-）+Vos2，其中，A为可编程增益放大器2的增益，UIN+为第一信号，UIN-为第二信号，Vos1为可编程增益放大器2产生的直流失调电压，Vos2为模拟信号缓冲器3产生的直流失调电压；
步骤S200、模拟数字转换器4对输入的信号进行模数转换后输出到结果计算电路5，同时输出控制信号至模拟信号切换开关1的控制端，切换第一组开关、第二组开关的状态，将第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器2的反相输入端和同相输入端，可编程增益放大器2对输入的信号放大后输出至模拟信号缓冲器3，模拟信号缓冲器3输出信号至模拟数字转换器4，模拟信号缓冲器3输出信号U2为：U2=A*(UIN-+Vos1-UIN+)+Vos2；
步骤S300、模拟数字转换器4对输入的信号进行模数转换后输出到结果计算电路5，结果计算电路5对模拟数字转换器4两次的输出结果进行计算，得到消除直流失调电压的量化结果U：U=(U1-U2)/2=A*(UIN+-UIN-)；同时，模拟数字转换器4输出控制信号至模拟信号切换开关1，返回步骤S100，进行下一个的信号处理。
本发明通过切换输入信号与可编程增益放大器2的同相输入端、反向输入端的对应关系来分别量化两次结果，并通过对两次的结果进行运算从而消除直流失调电压对系统带来的影响，简单、高效地消除低速信号测量电路中各个模块的直流失调电压，且不需要大面积的滤波器电路。由于不需要加入斩波技术，因此也不需要增加额外的时钟频率，没有引入串扰。
模拟信号切换开关1的一种电路结构如图2所示，模拟信号切换开关1电路内部采用的是CMOS互补开关结构，包含4个切换开关，开关S1、开关S2、开关S3和开关S4，其中开关S1和开关S2左侧接到一起然后接到片外的第一信号UIN+，开关S3和开关S4的左侧接到一起接到片外的第二信号UIN-，开关S1和开关S3的右侧接到一起作为模拟信号切换开关1的第一输出端OUT1然后接到可编程增益放大器2的同相输入端，开关S2和开关S4的右侧接到一起作为模拟信号切换开关1的第二输出端OUT2然后接到可编程增益放大器2的反相输入端。
模拟信号切换开关1根据模拟数字转换器4的转换完成指示信号cnt1即控制信号实现控制开关S1-S4的闭合或断开，其中，开关S1和开关S4控制信号一致（即同时为高电平或者同时为低电平），开关S2和开关S3控制信号一致，且开关S1和开关S2控制信号必须相反，不能同时为高电平，当模拟数字转换器4转换完成一次，指示信号cnt1跳变一次，开关S1、开关S4、开关S2、开关S3进行一次切换操作，即开关S1和开关S4闭合，则开关S1和开关S3断开；开关S1和开关S4断开，则开关S1和开关S3闭合。
可编程增益放大器2可选的一种电路结构如图3所示，输入端口VIN(正)、VIN(负)分别连接模拟信号切换开关1的第一输出端OUT1以及第二输出端OUT2，经过内部运算放大器OA1、运算放大器OA2和运算放大器OA3对信号处理后由输出端Vout输出至模拟信号缓冲器3的输入端，其中可编程增益放大器2的放大增益可以通过调整可变电阻的阻值实现。可选的，可编程增益放大2也可以采用现有器件如型号为DC1304A的可编程增益放大器。
模拟信号缓冲器3采用现有器件实现，例如将常规的运算放大器的反向输入端与输出端连接，运算放大器的同向输入端连接可编程增益放大器2的输出端，常规的运算放大器的输出端连接模拟数字转换器4的输入端，即可实现本发明中的信号隔离和缓冲。
模拟数字转换器4采用现有器件即可实现，如型号为ads7280的模数转换芯片即可。
结果计算电路5采用能够实现加法、减法、乘法、除法运算的现有芯片即可，例如型号为XC3S50A-4TQG144C的现场可编程逻辑器件。
本发明中的可编程增益放大器2、模拟信号缓冲器3、模拟数字转换器4和结果计算电路5均采用现有技术中的电子器件/芯片即可实现，本发明对电子器件/芯片本身的结构的没有改进，而是利用采用模拟数字转换器对信号进行切换多次量化并通过简单运算消除直流失调电压，非常有利于芯片的高度集成化且不增加电路规模、不增加功耗。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (2)

1.一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法，基于信号处理装置实现，所述信号处理装置包括依次连接的模拟信号切换开关、可编程增益放大器、模拟信号缓冲器、模拟数字转换器和结果计算电路，所述模拟数字转换器的输出端连接所述模拟信号切换开关的控制端，其特征在于，方法包括：
步骤S100、控制模拟信号切换开关的第一组开关闭合、第二组开关断开，将第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的同相输入端和反相输入端，可编程增益放大器对输入的信号放大后输出至模拟信号缓冲器，模拟信号缓冲器输出信号至模拟数字转换器；
步骤S200、模拟数字转换器对输入的信号进行模数转换后输出到结果计算电路，同时输出控制信号至模拟信号切换开关的控制端，切换第一组开关、第二组开关的状态，将第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的反相输入端和同相输入端，可编程增益放大器对输入的信号放大后输出至模拟信号缓冲器，模拟信号缓冲器输出信号至模拟数字转换器；
步骤S300、模拟数字转换器对输入的信号进行模数转换后输出到结果计算电路，结果计算电路将模拟数字转换器的两次输出结果相减再除以2，输出消除直流失调电压的量化结果；同时，模拟数字转换器输出控制信号至模拟信号切换开关，返回步骤S100。
2.根据权利要求1所述的一种用于低速信号测量链路消除直流失调电压的方法，其特征在于，当第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的同相输入端和反相输入端时，模拟信号缓冲器输出信号U1为：U1=A*（UIN++Vos1-UIN-）+Vos2，其中，A为可编程增益放大器的增益，UIN+为第一信号，UIN-为第二信号，Vos1为可编程增益放大器产生的直流失调电压，Vos2为模拟信号缓冲器产生的直流失调电压；当第一信号、第二信号分别输入可编程增益放大器的反相输入端和同相输入端时，模拟信号缓冲器输出信号U2为：U2=A*(UIN-+Vos1-UIN+)+Vos2；模拟数字转换器将信号U1和U2模数转换后输入结果计算电路，结果计算电路对两次输入的数据计算，得到消除直流失调电压的量化结果U：U=(U1-U2)/2=A*(UIN+-UIN-)。
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