CN116165471B - 一种信号过载监测系统、监测方法及可编程增益放大器 - Google Patents

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CN116165471B CN202310422588.9A CN202310422588A CN116165471B CN 116165471 B CN116165471 B CN 116165471B CN 202310422588 A CN202310422588 A CN 202310422588A CN 116165471 B CN116165471 B CN 116165471B
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Abstract

本申请涉及可编程增益放大器领域，为了提高监控范围，提供一种信号过载监测系统、监测方法及可编程增益放大器，该信号过载监测系统包括：高阈值生成单元，用于生成一高阈值信号；低阈值生成单元，用于生成一低阈值信号；获取单元，用于获取所述可编程增益放大器内部的节点信号；比较信号产生单元，用于根据所述节点信号产生一比较信号；第一比较单元，当所述比较信号高于所述高阈值信号时，输出一高警报信号；第二比较单元，当所述比较信号低于所述低阈值信号时，输出一低警报信号。本申请通过将信号监测点从PGA的输出端改动至PGA的内部节点，通过比较内部阈值和比较信号的大小，可以提高信号监测范围。

Description

一种信号过载监测系统、监测方法及可编程增益放大器
技术领域
本申请涉及可编程增益放大器领域，特别是涉及一种信号过载监测系统、监测方法及可编程增益放大器。
背景技术
PGA（可编程增益放大器）常用于各种传感器的信号放大与预处理，上述传感器包括但不限于电流传感器、压力传感器、磁场传感器等，为避免信号（电流、压力、磁场等）过高对系统造成破坏，通常需要产生报警信号。
如图1所示，PGA的输出电压VOUT=VREF±VSW，其中，VREF为输入信号VIN=0时的参考电压值；VSW为输入信号VIN经过G1、G2和G3三级放大后的输出值。假设输出最大摆幅为VSWmax，为了达到最大信噪比，VREF±VSWmax会靠近VDD或GND。
针对上述中的相关技术，发明人认为，如果直接对输出电压VOUT进行监测，可监测的最高电压值不会超过VDD，最低电压值不会低于GND，因此，监控范围较窄。
发明内容
为了提高监控范围，本申请提供一种信号过载监测系统、监测方法及可编程增益放大器。
第一方面，本申请提供一种信号过载监测系统，采用如下的技术方案：
一种信号过载监测系统，应用于可编程增益放大器，包括：
高阈值生成单元，用于生成一高阈值信号VRP；
低阈值生成单元，用于生成一低阈值信号VRN；
获取单元，用于获取所述可编程增益放大器内部的节点信号；
比较信号产生单元，用于根据所述节点信号产生一比较信号Vaux；
第一比较单元，用于比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP；
第二比较单元，用于比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。
可选的，所述可编程增益放大器包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器。
可选的，所述节点信号为所述第一级放大器电路的双端输出信号V1。
可选的，所述比较信号Vaux=V1*G2+VREF，所述高阈值信号VRP=VREF+N*VSWmax/G3，所述低阈值信号VRN=VREF-N*VSWmax/G3，其中，G2为所述第二级放大器电路的放大系数，VREF为所述可编程增益放大器的输入信号VIN=0时的参考电压值，G3为所述第三级放大器电路的放大系数，VSWmax为所述输入信号VIN经过三级放大后输出值的最大摆幅，1<N≤G3。
可选的，其中，G2*G3>N/2。
第二方面，本申请还提供一种信号过载监测方法，采用如下的技术方案：
一种信号过载监测方法，应用于可编程增益放大器，包括：
生成一高阈值信号VRP；
生成一低阈值信号VRN；
获取所述可编程增益放大器内部的节点信号；
根据所述节点信号产生一比较信号Vaux；
比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP；
比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。
可选的，所述可编程增益放大器包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器。
可选的，所述节点信号为所述第一级放大器电路的双端输出信号V1。
可选的，所述比较信号Vaux=V1*G2+VREF，所述高阈值信号VRP=VREF+N*VSWmax/G3，所述低阈值信号VRN=VREF-N*VSWmax/G3，其中，G2为所述第二级放大器电路的放大系数，VREF为所述可编程增益放大器的输入信号VIN=0时的参考电压值，G3为所述第三级放大器电路的放大系数，VSWmax为所述输入信号VIN经过三级放大后输出值的最大摆幅，1<N≤G3。
可选的，其中，G2*G3>N/2。
第三方面，本申请还提供一种可编程增益放大器，采用如下的技术方案：
一种可编程增益放大器，包括：依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器；
还包括上述的信号过载监测系统。
综上所述，本申请通过将信号监测点从PGA的输出端改动至PGA的内部节点，通过比较内部阈值和比较信号的大小，信号监测范围可以提升至最大摆幅的N倍。
附图说明
图1为可编程增益放大器的原理框图。
图2为本申请信号过载监测系统的原理框图。
图3为本申请一实施例中比较信号产生单元电路图。
图4为本申请信号过载监测方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，PGA包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器；其中，G1为第一级放大器电路的放大系数，G2为第二级放大器电路的放大系数，G3为第三级放大器电路的放大系数。
PGA的输出电压VOUT为：VOUT=VREF±VSW，其中，VREF为可编程增益放大器的输入信号VIN=0时的参考电压值；VSW为输入信号VIN经过G1、G2和G3三级放大后的输出值，即VSW=VIN*G1*G2*G3。由于第三级放大器电路为单端输出的放大器，因此PGA的输出电压VOUT只能是正数值，即VOUT的范围为[GND,VDD]，假设输入信号VIN经过G1、G2和G3三级放大后的输出值VSW的最大摆幅为VSWmax，为了达到最大信噪比，VREF±VSWmax会靠近VDD或GND，如果直接对输出电压VOUT进行监测，可监测的最高电压值不会超过VDD（即VREF+VSWmax），最低电压值不会低于GND（即VREF-VSWmax）。
可以理解的是，上述最大摆幅对应的输出电压VOUT会使电路达到饱和输出状态，但并不是电路的最大承受范围，可以使得电路发生不可逆损坏的输出电压VOUT对应的摆幅（下称烧毁摆幅）会高于上述最大摆幅。电路达到饱和输出状态后依然可以正常工作，因此，为了减少电路发生不可逆损坏的可能，需要提供一个在最大摆幅到烧毁摆幅之间会报警的信号。例如，当PGA应用于电流传感器时，假设最大摆幅对应的电流输出是100A，但是，实际可能造成电路烧毁的烧毁摆幅对应的电流输出大小是200A，因此，需要提供一个电流在100A到200A之间就会报警的信号，来减少电流传感器烧毁的问题。
假设烧毁摆幅为N*VSWmax(其中N>1)，如果想要监测VREF±N*VSWmax的输出范围,由于输出电压VOUT超过VDD或小于GND时，电路达到饱和，实际输出电压VOUT不会再发生变化，因此监测节点不能放在输出VOUT节点。
下面结合说明书附图对本申请信号过载监测系统的实施例作详细描述，但该实施例不应理解为对本申请的限制。
如图2所示，本申请实施例提供一种信号过载监测系统，应用于可编程增益放大器，包括：高阈值生成单元、低阈值生成单元、获取单元、比较信号产生单元、第一比较单元和第二比较单元。
具体来说，如图1所示，所述可编程增益放大器包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，其中，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，且放大系数为G1，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，且放大系数为G2，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器，且放大系数为G3，所述第一级放大器电路的双端输出信号为V1，所述第二级放大器电路的单端输出信号为V2。
如图2所示，所述获取单元用于获取所述第一级放大器电路的双端输出信号V1（可编程增益放大器内部的节点信号的具体实施例）；所述比较信号产生单元包括一输入端和一输出端，所述输入端连接所述获取单元，所述比较信号产生单元用于根据从所述获取单元接收到的所述双端输出信号V1产生一比较信号Vaux并通过输出端发送到所述第一比较单元的正相输入端和所述第二比较单元的反相输入端。可以理解的是，在本申请其他实施例中，可以不设置所述获取单元，由所述比较信号产生单元直接获取/接收所述第一级放大器电路的双端输出信号V1，即所述获取单元可以由两条导线替代。
在本申请实施例中，从第一级放大器电路的输出节点分出监测支路（即双端输出信号V1）,由于双端输出信号V1为差分输出节点，所以该节点电压可以为负值，且其输出摆幅相当于单端输出摆幅的一半，因此进一步提升了监测范围。可以理解的是，在其他实施例中，也可以获取可编程增益放大器内部的其他节点信号，只要该其他节点的电压也可以为负值即可。
可以理解的是，所述高阈值生成单元用于生成一高阈值信号VRP，所述低阈值生成单元用于生成一低阈值信号VRN，并将所述高阈值信号VRP发送到所述第一比较单元的反相输入端，将所述低阈值信号VRN发送到所述第二比较单元的正相输入端。
所述第一比较单元用于比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP。可以理解的是，在本申请实施例中，所述高警报信号COMPP可以为高电平，当所述比较信号Vaux不高于所述高阈值信号VRP时，所述第一比较单元输出低电平。
所述第二比较单元用于比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。可以理解的是，在本申请实施例中，所述低警报信号COMPN可以为高电平，当所述比较信号Vaux不低于所述低阈值信号VRN时，所述第二比较单元输出低电平。可以理解的是，所述第一比较单元和第二比较单元可以是静态比较器、动态比较器等能实现比较功能的电路。
具体来说，假设所需监测的烧毁摆幅设计为N*VSWmax（N>1），则，当VOUT>VREF+N*VSWmax时，需要电路产生报警信号，或者当VOUT<VREF-N*VSWmax时，也需要电路产生报警信号。
其中，对于VOUT>VREF+N*VSWmax有：
因为VOUT=VIN*G1*G2*G3+VREF；
⇒VIN*G1*G2*G3+VREF>VREF+N*VSWmax；
又因为V1=VIN*G1；
⇒V1*G2*G3+VREF>VREF+N*VSWmax；
⇒V1*G2*G3>N*VSWmax；
⇒V1*G2>N*VSWmax/G3；
⇒V1*G2+VREF>VREF+N*VSWmax/G3。
同理，对于VOUT<VREF-N*VSWmax可推得：
V1*G2+VREF<VREF-N*VSWmax/G3。
其中，因为VREF、N、VSWmax、G2和G3均为常数，因此，VREF+N*VSWmax/G3和VREF-N*VSWmax/G3也均为常数，而双端输出信号V1为变量，所以V1*G2+VREF是随双端输出信号V1变化的变量。
在本申请一实施例中，设置所述比较信号Vaux=V1*G2+VREF，所述高阈值信号VRP=VREF+N*VSWmax/G3，所述低阈值信号VRN=VREF-N*VSWmax/G3，其中，1<N≤G3。可以理解的是，由于所述高阈值信号VRP和低阈值信号VRN为常数，因此，可以视实际情况，根据实际电路参数数值，提前计算好所述高阈值信号VRP和低阈值信号VRN的具体数值，并由所述高阈值生成单元和低阈值生成单元产生即可，其中，高阈值生成单元和低阈值生成单元可以是由分压电阻电路构成或由多个已知电压连接加法器构成；而所述比较信号Vaux则可以由所述比较信号产生单元根据接收到的所述第一级放大器电路的双端输出信号V1进行产生，在本领域，所述比较信号产生单元可以采用放大器或加法器等多种实现方式，只要能实现Vaux=V1*G2+VREF的单变量线性输出即可，例如，如图3所示，所述比较信号产生单元由放大器构成，双端输出信号V1分别串联一电阻后连接所述放大器两输入端，参考电压值VREF串联一电阻后连接所述放大器正相输入端，所述放大器输出端串联一电阻后反馈到反向输入端。可以理解的是，在比较信号Vaux=V1*G2+VREF中，之所以用VREF而不是VREF/G3，原因在于VREF是电路中原本就有的，而VREF/G3还需要额外电路去实现，会增加电路的复杂性，而将除以G3的计算放入VRP=VREF+N*VSWmax/G3和VRN=VREF-N*VSWmax/G3中，则是因为VREF、N、VSWmax和G3均为常数，VRP和VRN的数值可以提前计算好，不会增加电路的复杂性。
因此，通过监测比较信号Vaux，并且比较高阈值信号VRP和比较信号Vaux的大小，以及比较低阈值信号VRN和比较信号Vaux的大小，可以判断实际的输出摆幅VSW是否超过设计的烧毁摆幅N*VSWmax范围(-N*VSWmax,N*VSWmax)。
在本申请实施例中，还可以设置G2*G3>N/2，从而确保第一级放大器电路的双端输出信号V1不会饱和。
本申请通过将信号监测点从PGA的输出端改动至PGA内部的差分输出端，通过比较内部阈值（VRP及VRN）和比较信号Vaux的大小，信号监测范围可以提升至PGA信号最大摆幅的N倍。
下面结合信号过载监测系统对信号过载监测方法的实施例作进一步的详细说明。
如图4所示，本申请实施例提供一种信号过载监测方法，应用于可编程增益放大器，包括：
S1：生成一高阈值信号VRP；
S2：生成一低阈值信号VRN；
S3：获取所述可编程增益放大器内部的节点信号；
S4：根据所述节点信号产生一比较信号Vaux；
S5：比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，并比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，
当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP；
当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。
可以理解的是，步骤S1、S2和S3之间没有时序关系，这三个步骤的前后顺序可以根据实际需要做选择，本申请实施例不做限定。
具体来说，高阈值信号VRP、低阈值信号VRN和比较信号Vaux可以通过信号过载监测系统生成，其中，高阈值信号VRP和低阈值信号VRN为常数，比较信号Vaux为随双端输出信号V1变化的变量，所述信号过载监测系统包括：高阈值生成单元、低阈值生成单元、获取单元、比较信号产生单元、第一比较单元和第二比较单元。
如图1所示，所述可编程增益放大器包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，其中，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，且放大系数为G1，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，且放大系数为G2，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器，且放大系数为G3，所述第一级放大器电路的双端输出信号为V1，所述第二级放大器电路的单端输出信号为V2。
如图2所示，所述获取单元用于获取所述第一级放大器电路的双端输出信号V1（可编程增益放大器内部的节点信号的具体实施例）；所述比较信号产生单元包括一输入端和一输出端，所述输入端连接所述获取单元，所述比较信号产生单元用于根据从所述获取单元接收到的所述双端输出信号V1产生一比较信号Vaux并通过输出端发送到所述第一比较单元的正相输入端和所述第二比较单元的反相输入端。
在本申请实施例中，从第一级放大器电路的输出节点分出监测支路（即双端输出信号V1）,由于双端输出信号V1为差分输出节点，所以该节点电压可以为负值，且其输出摆幅相当于单端输出摆幅的一半，因此进一步提升了监测范围。可以理解的是，在其他实施例中，也可以获取可编程增益放大器内部的其他节点信号，只要该其他节点的电压也可以为负值即可。
可以理解的是，所述高阈值生成单元用于生成一高阈值信号VRP，所述低阈值生成单元用于生成一低阈值信号VRN，并将所述高阈值信号VRP发送到所述第一比较单元的反相输入端，将所述低阈值信号VRN发送到所述第二比较单元的正相输入端。
所述第一比较单元用于比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP。可以理解的是，在本申请实施例中，所述高警报信号COMPP可以为高电平，当所述比较信号Vaux不高于所述高阈值信号VRP时，所述第一比较单元输出低电平。
所述第二比较单元用于比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。可以理解的是，在本申请实施例中，所述低警报信号COMPN可以为高电平，当所述比较信号Vaux不低于所述低阈值信号VRN时，所述第二比较单元输出低电平。
在本申请一实施例中，设置所述比较信号Vaux=V1*G2+VREF，所述高阈值信号VRP=VREF+N*VSWmax/G3，所述低阈值信号VRN=VREF-N*VSWmax/G3，其中，1<N≤G3。
因此，通过监测比较信号Vaux，并且比较高阈值信号VRP和比较信号Vaux的大小，以及比较低阈值信号VRN和比较信号Vaux的大小，可以判断实际的输出摆幅VSW是否超过设计的烧毁摆幅N*VSWmax范围(-N*VSWmax,N*VSWmax)。
在本申请实施例中，还可以设置G2*G3>N/2，从而确保第一级放大器电路的双端输出信号V1不会饱和。
本申请通过将信号监测点从PGA的输出端改动至PGA内部的差分输出端，通过比较内部阈值（VRP及VRN）和比较信号Vaux的大小，信号监测范围可以提升至PGA信号最大摆幅的N倍。
本申请实施例还提供一种可编程增益放大器，包括：依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器；还包括上述的信号过载监测系统，且所述节点信号为所述第一级放大器电路的双端输出信号V1。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为单独的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备或处理器执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，不应理解为对本申请的限制。本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种信号过载监测系统，应用于可编程增益放大器，所述可编程增益放大器达到饱和时，实际输出电压不会再发生变化，其特征在于，包括：
高阈值生成单元，用于生成一高阈值信号VRP；
低阈值生成单元，用于生成一低阈值信号VRN；
获取单元，用于获取所述可编程增益放大器内部的节点信号；
比较信号产生单元，用于根据所述节点信号产生一比较信号Vaux；
第一比较单元，用于比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP；
第二比较单元，用于比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。
2.如权利要求1所述的信号过载监测系统，其特征在于：所述可编程增益放大器包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器。
3.如权利要求2所述的信号过载监测系统，其特征在于：所述节点信号为所述第一级放大器电路的双端输出信号V1。
4.如权利要求3所述的信号过载监测系统，其特征在于：所述比较信号Vaux=V1*G2+VREF，所述高阈值信号VRP=VREF+N*VSWmax/G3，所述低阈值信号VRN=VREF-N*VSWmax/G3，其中，G2为所述第二级放大器电路的放大系数，VREF为所述可编程增益放大器的输入信号VIN=0时的参考电压值，G3为所述第三级放大器电路的放大系数，VSWmax为所述输入信号VIN经过三级放大后输出值的最大摆幅，1<N≤G3。
5.如权利要求4所述的信号过载监测系统，其特征在于：其中，G2*G3>N/2。
6.一种信号过载监测方法，应用于可编程增益放大器，其特征在于，包括：
生成一高阈值信号VRP；
生成一低阈值信号VRN；
获取所述可编程增益放大器内部的节点信号；
根据所述节点信号产生一比较信号Vaux；
比较所述比较信号Vaux和所述高阈值信号VRP，当所述比较信号Vaux高于所述高阈值信号VRP时，输出一高警报信号COMPP；
比较所述比较信号Vaux和所述低阈值信号VRN，当所述比较信号Vaux低于所述低阈值信号VRN时，输出一低警报信号COMPN。
7.如权利要求6所述的信号过载监测方法，其特征在于：所述可编程增益放大器包括依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器。
8.如权利要求7所述的信号过载监测方法，其特征在于：所述节点信号为所述第一级放大器电路的双端输出信号V1。
9.如权利要求8所述的信号过载监测方法，其特征在于：所述比较信号Vaux=V1*G2+VREF，所述高阈值信号VRP=VREF+N*VSWmax/G3，所述低阈值信号VRN=VREF-N*VSWmax/G3，其中，G2为所述第二级放大器电路的放大系数，VREF为所述可编程增益放大器的输入信号VIN=0时的参考电压值，G3为所述第三级放大器电路的放大系数，VSWmax为所述输入信号VIN经过三级放大后输出值的最大摆幅，1<N≤G3。
10.如权利要求9所述的信号过载监测方法，其特征在于：其中，G2*G3>N/2。
11.一种可编程增益放大器，其特征在于，包括：依次串联的第一级放大器电路、第二级放大器电路及第三级放大器电路，所述第一级放大器电路为双端输入双端输出放大器，所述第二级放大器电路为双端输入单端输出放大器，所述第三级放大器电路为单端输入单端输出放大器；
还包括如权利要求1-5任一项所述的信号过载监测系统。
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