CN115357083B - 一种相频一致性模拟电路优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相频一致性模拟电路优化方法，模拟电路包括线性稳压电路模块、信号调理模块及滤波器；由线性稳压电源进行线性稳压，为信号调理模块和滤波器提供工作电源，信号调理模块为压力传感器芯体提供激励电流；压力传感器芯体输出信号通过信号调理模块进行放大、温度误差补偿放大和温度补偿，最后经过滤波器将压力传感器的输出信号进行滤波，通过调节滤波器的容值，完成电阻和电容匹配，使压力传感器的频率满足带宽要求。本发明幅频及相频特性能够满足带宽要求。

Description

一种相频一致性模拟电路优化方法
技术领域
本发明涉及压力传感器用模拟电路技术领域，具体涉及一种相频一致性模拟电路优化方法。
背景技术
一般压力传感器的频响指标要求仅为0～300Hz(±3dB)，且无相频一致性要求。传统的压力传感器信号调理电路应用RC滤波电路来实现传感器频响要求。而有一种特殊动态压力传感器的频响指标要求0～190Hz带内不平度要求不大于±0.3dB,190Hz(含190Hz)～200Hz的带内不平度要求不大于±0.5dB，幅值下降到-3dB点时的频率为240Hz±10Hz，带外衰减不小于-40dB/oct，且要求各频率点的相移差不大于下表1所示数值，因此传统的压力传感器信号调理电路无法满足这种特殊压力动态传感器的幅频及相频特性。
表1相频要求
序号 频率(Hz) 相移差(°) 备注
1 5 0.9
2 10 1.8
3 20 3.6
4 30 5.4
5 40 7.2
6 50 9
7 60 10.8
8 90 16.2
9 120 21.6
10 150 27
11 180 32.4
12 220 39.6
13 240 43.2
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种相频一致性模拟电路优化方法，幅频及相频特性能够满足带宽要求。
本发明采用的技术方案如下：
一种相频一致性模拟电路优化方法，模拟电路包括线性稳压电路模块、信号调理模块及滤波器；
由线性稳压电源进行线性稳压，为信号调理模块和滤波器提供工作电源，信号调理模块为压力传感器芯体提供激励电流；压力传感器芯体输出信号通过信号调理模块进行放大、温度误差补偿放大和温度补偿，最后经过滤波器将压力传感器的输出信号进行滤波，通过调节滤波器的容值，完成电阻和电容匹配，使压力传感器的频率满足带宽要求。
进一步地，所述滤波器为巴特沃斯型滤波器。
进一步地，所述滤波器为八阶滤波器。
进一步地，减小第七阶、第八阶滤波器放大器信号输入端的容值，使得通带外延；
增大第七阶、第八阶滤波器信号输出端的容值，使得带外衰减频率增大；增大第五阶、第六阶滤波器信号输入端的容值，使得带外衰减频率降低。
进一步地，调节滤波器的容值之前，根据滤波器阶数与损耗功率的对应关系、滤波器截止频率的计算公式、损耗功率的计算公式解算出滤波器的初始容值。
有益效果：
1、本发明通过调节滤波器的电容值来获取更好的幅频、相频特性，能够带宽要求，即频响指标要求0～190Hz带内不平度要求不大于±0.3dB,190Hz(含190Hz)～200Hz的带内不平度要求不大于±0.5dB，幅值下降到-3dB点时的频率为240Hz±10Hz，带外衰减不小于-40dB/oct，且各频率点的相移差不大于表1所示数值的要求。
2、本发明采用巴特沃斯型滤波器，它最大的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，内有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。巴特沃斯滤波器的振幅对角频率单调下降，并且也是唯一无论阶数，振幅对角频率曲线都保持同样形状的滤波器。通过对其电容值进行调节，可以满足特殊压力传感器的使用要求。
附图说明
图1为本发明线性稳压电路模块电路图。
图2为本发明信号调理模块电路图。
图3为本发明滤波器电路图。
图4为本发明调节容值后的幅频和相频仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种相频一致性模拟电路优化方法，如图1-3所示，该模拟电路包括线性稳压电路模块、信号调理模块及滤波器。
通过高精度线性稳压电源LT1461DHS8-5进行线性稳压，为信号调理模块MAX1452AAE+和滤波器提供稳定及干净的5VDC工作电源，信号调理模块MAX1452AAE+为压力传感器芯体提供激励电流。压力传感器芯体输出信号通过信号调理模块MAX1452AAE+进行放大及温度补偿，最后经过滤波器将压力传感器的输出信号进行滤波。
VIN+为外部正电源输入端，外部电源范围为+15VDC±0.5VDC，外部正电源通过C6、R6和R7组成的一阶滤波电路与线性稳压电源连接。
滤波器采用八阶巴特沃斯型滤波器，该滤波器为单电源供电，供电电压为+5V。本实施例中，滤波器所有电阻值(R1～R8)均采用100kΩ,通过表2和下面公式
式中，ω0为截止频率，m、n为常数，R为电阻值，C为电容值，Q为损耗功率。
表2巴特沃斯型滤波器阶数与损耗功率的对应关系表
可解算出C1+C2＝6.21nF,C3+C4＝6.82nF,C5+C6＝5.29nF,C7+C8＝7.66nF，C9+C10＝3.54nF,C11+C12＝11.66nF，C13+C14＝1.24nF,C15+C16＝32.63nF。
解算出的电容值不是标准容值，在工程应用中需将容值匹配为标准容值，同时设计了双工位，来保证容值匹配度；其次，该电路仿真过程中，需调节电容值来获取更好的幅频、相频特性。调节方法如下：调整第七阶、第八阶滤波器放大器信号输入端C13+C14容值，使其容值减小，则通带外延；增大第七阶、第八阶滤波器放大器信号输出端C13+C14的容值，使得通带提前截止；
调整第七阶、第八阶滤波器信号输出端C15+C16容值，使其容值增大，则带外衰减频率增大；减小第七阶、第八阶滤波器信号输出端C15+C16容值，则带外衰减频率减小；
调整第五阶、第六阶滤波器信号输入端C9+C10容值，使其容值增大，则带外衰减频率降低；减小第五阶、第六阶滤波器信号输入端C9+C10容值，则带外衰减频率增大。
调节完成，最终得到以下容值及幅频相频，如表3、图4所示。该模拟电路在工程实际应用中满足了频响指标要求0～190Hz带内不平度要求不大于±0.3dB,190Hz(含190Hz)～200Hz的带内不平度要求不大于±0.5dB，幅值下降到-3dB点时的频率为240Hz±10Hz，带外衰减不小于-40dB/oct，且各频率点的相移差不大于表1所示数值的要求。
表3
工位 容值 工位 容值
C1 4.7nF C2 1.5nF
C3 6.8nF C4 /
C5 4.7nF C6 560pF
C7 6.8nF C8 680pF
C9 3.3nF C10 220pF
C11 10nF C12 1.5nF
C13 1.0nF C14 220pF
C15 27nF C16 5.6nF
通过仿真及测试，将5块电路板的频率及相位调节在要求的指标内，最后将5只压力传感器组装完成，再用动态压力源对传感器的频响及相位进行测试，测试结果见表4和表5。由此可以看出，该模拟电路的优化方法能够满足特殊压力传感器的幅频及相频要求。
表4 5只传感器频率及相移测试结果
表5 5只传感器相移差
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种相频一致性模拟电路优化方法，其特征在于，模拟电路包括线性稳压电路模块、信号调理模块及滤波器；
由线性稳压电源进行线性稳压，为信号调理模块和滤波器提供工作电源，信号调理模块为压力传感器芯体提供激励电流；压力传感器芯体输出信号通过信号调理模块进行放大、温度误差补偿放大和温度补偿，最后经过滤波器将压力传感器的输出信号进行滤波，通过调节滤波器的容值，完成电阻和电容匹配，使压力传感器的频率满足带宽要求；
所述滤波器为巴特沃斯型滤波器；所述滤波器为八阶滤波器；
减小第七阶、第八阶滤波器放大器信号输入端的容值，使得通带外延；增大第七阶、第八阶滤波器信号输出端的容值，使得带外衰减频率增大；增大第五阶、第六阶滤波器信号输入端的容值，使得带外衰减频率降低。
2.如权利要求1所述的相频一致性模拟电路优化方法，其特征在于，调节滤波器的容值之前，根据滤波器阶数与损耗功率的对应关系、滤波器截止频率的计算公式、损耗功率的计算公式解算出滤波器的初始容值。
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