CN1832334B - 谐振式传感器积分式放大电路 - Google Patents

Abstract

谐振式传感器积分式放大电路，主要用于谐振式传感器数字信号处理的前端低频正弦信号的放大、抗混叠滤波和高频噪声抑制，包括前置放大器、多级积分器、零点稳定器和幅度调节器。所述前置放大器进行信号放大和阻抗变换；所述多级积分器进行高频噪声抑制；所述零点稳定器对所述积分器的零点进行周期性的采样、判断和调整，以保持零点的稳定性；所述幅度稳定器对所述电路的输出信号幅度进行周期性的采样、判断和调整，使输出信号幅度保持在规定变化范围内。本发明的特点在于采用积分器抑制高频噪声，避免了通常的低通滤波器的相移不稳定性问题，并能够同时解决谐振式传感器闭环电路的π/2整数倍相移问题。

Description

谐振式传感器积分式放大电路

技术领域

本发明用于谐振式传感器数字信号处理的前端低频正弦信号的放大和噪声滤波。涉及低频正弦信号的放大和噪声滤波，属于电信号放大器领域(IPC H03F)。

背景技术

随着技术的发展，谐振式传感器的信号检测电路和闭环自激系统中越来越多的采用数字信号处理技术。众所周知，数字信号处理的前提是通过模拟-数字变换对模拟信号进行周期采样，这一步骤的成败对整个信号处理过程的成败具有决定性作用。根据香农采样定理，采样率必须高于信号频谱上限的2倍，否则就会发生频谱混叠现象。因此，通常在采样之前都必须进行抗混叠滤波，将频率高于采样频率的一半的分量滤除。此外，在应用许多数字信号处理算法之前，都有必要对所采集的数字信号序列进行进一步的数字滤波处理，抑制来自原始信号和采样量化过程的各种噪声，防止其对处理结果的干扰。

对于谐振式传感器，信号中所包含的时间相关信息(频率、相位、波形过零点等)往往具有重要意义，在放大处理中必须保证这些信息不失真。为保证相位精度，在进行数字滤波时，通常应选择有限冲击响应(FIR)滤波器，而不应选择无限冲击响应(IIR)滤波器。对于较长的数据序列，FIR滤波器的运算量往往非常巨大，而所有的操作最好都在两次采样间隔内，即一个采样周期内完成，否则就需要采用中断技术进行采样，或设法将算法分割为很短的时间片段，这都使软件变得复杂，不仅增加软件开发工作量，而且会在一定程度上影响算法的实时性和运行的可靠性。如果能利用模拟低通滤波器将原始信号中的高频噪声或干扰较彻底的滤除，则数字滤波器只需处理量化过程带来的高频噪声，此噪声频带通常接近采样频率，幅度很有限，较易处理，因此将大大降低数字滤波算法的运算量和软件的复杂性。

但是，模拟滤波器存在的最大问题就是元件参数的漂移。一个简单的多路反馈二阶低通滤波器就有4个决定滤波器频率特性的元件：两个电阻器，两个电容器。一般而言，电阻器的温度稳定性相对较好，某些精密电阻器的温度系数能够达到5×10^-6/℃以下。而温度稳定性最好的NPO(COG)电容器的温度系数也只能保证30×10^-6/℃。元件参数的漂移势必带来滤波器频率特性的漂移。频率为f的信号通过一个3dB截止频率为f_c的一阶低通滤波器的增益为A＝(1+(f/f_c)²)^-1/2，相移为

因此，提高频率特性稳定性的主要办法就是减小f/f_c，即使低通滤波器截止频率f_c远远高于有用信号频率上限f_max，如f_c＞10f_max。但这将大大降低滤波器的噪声抑制能力，许多频率高于f_max而低于f_c的噪声或干扰将得不到抑制，甚至连抗混叠滤波器的基本要求f_c＜2f_max也难以达到。

当然，还有一个解决办法就是采用高阶滤波器，使其在通带内具有尽可能小的相移，并具有尽可能陡的过渡带。但高阶滤波器的电路必然较复杂，而且其稳定性受元件参数的漂移影响更大。并且，高阶滤波器也并没有彻底解决通带的相移问题。

显然，低通滤波器的噪声抑制能力与频率特性稳定性构成了一对矛盾。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为解决上述低通滤波器的噪声抑制能力与频率特性稳定性的矛盾，提供一种谐振式传感器积分式放大电路，它以积分器代替了低通滤波器，既达到了很强的高频噪声抑制能力，又具有相当高的频率特性稳定性，尤其是相位稳定性；为解决积分器所固有的直流零点漂移问题，采用了失调电压修正和定期短路技术相结合的方法。

本发明的技术解决方案：谐振式传感器积分式放大电路，其特点在于：由前置放大器、多级积分器、零点稳定器和幅度稳定器组成，前置放大器对输入信号进行阻抗匹配、隔直、放大和滤波后输出端耦合至多级积分器的反相输入端，由多级积分器对前置放大器输出的高频噪声进行抑制后输出信号耦合至幅度稳定器的输入端，幅度稳定器在外部数字信号处理器的控制下，使多级积分器输出正弦信号的幅度保持在规定变化范围内；零点稳定器定期多级积分器输出的模拟信号进行采样和判断，并根据判断结果向多级积分器的同相输入端输出失调电压修正模拟信号，使多级积分器的输出直流失调趋于减小，同时零点稳定器根据来自外部数字处理器的控制指令，定期向多级积分器输出数字脉冲，使多路积分器瞬时短路，从而使多级积分器输出重新归零。

本发明的原理为：积分器的一个众所周知的特性就是其相移固定为π/2，不随电阻器和电容器的具体参数变化，这正是本发明以积分器解决相位稳定性问题的基本依据。但积分器也存在一些必须解决的问题：(1)其波特图斜率为-20dB/dec，即增益与频率成反比，这意味着它对高出f_max不多的噪声或干扰的抑制能力也较有限，例如，若以频率为f_max时的增益为单位，则频率为2f_max的干扰信号的增益为-6dB；(2)对于不同频率有用信号的增益也不同；(3)最大的问题是积分器都会存在的直流零点稳定性问题。

问题(1)是滤波器设计中的共性问题。这里的一个解决办法就是采用多级积分器，但从技术合理性角度，建议最多采用3级；或者与适当的数字滤波算法相配合。此外，并不建议在那些存在相当强的略高于f_max的噪声或干扰的场合采用本发明电路。

对于问题(2)，首先，谐振式传感器的工作频率范围通常有限，例如CMF、振筒传感器和振膜传感器，其谐振频率变化范围通常不超过±10％；其次，幅度信息对谐振式传感器作用不大，通常只要稳定在一定范围内即可，如±10％；并且，必要时可以采用本发明提供的幅度稳定器，以缩小信号幅度的变化范围。

对于问题(3)，本发明采用了失调电压修正和定期短路技术相结合的方法。了解模拟积分器的技术人员都知道，积分器所用运算放大器的输入偏置电流和输入失调电压，由于输入电阻的作用，最终可合成为一个总等效输入偏置电流或总等效输入失调电压；总等效输入偏置电流在积分电容器上长时间积累电荷，就会使积分器输出电压向一个方向持续漂移，形成一个“斜坡”电压，直至运算放大器饱和。为解决漂移和饱和问题，通常的做法是在电容器两端并联一个相当大的电阻或T型电阻网络，以提供直流反馈通路，稳定直流工作点。但此积分器不再是理想积分器，实际上是一个截止频率远低于工作频率，因而近似为积分器的一阶低通滤波器。其相移也必然会偏离理想的π/2，更重要的是不再与元件参数无关。电阻器阻值或T型电阻网络等效阻值越大，积分器也越接近理想，但输出端的直流失调或漂移也越严重，二者又构成矛盾。

解决直流失调和漂移问题另一类常用技术为基于模拟开关和存储电容的斩波稳零(Chopper-stabilized)或自动归零(Auto-zeroing)放大器技术。本发明则采用了以可控开关定期对积分电容器进行短路放电的办法实现积分器归零，解决问题(3)。与需要多个模拟开关和存储电容器的斩波稳零或自动归零技术相比，本发明的归零电路只需一个与积分电容器并联的模拟开关，电路结构简单，且最大限度的降低了模拟开关漏电流的影响；而且归零过程不是周期重复的，而是由应用本发明电路的系统的数字部分主动控制，在正常信号处理的间歇进行，这就避免了数字控制信号耦合和模拟开关电荷注入效应(Charge injection)带来的开关噪声的影响，更不存在斩波噪声的问题。既然本发明是为数字信号处理的需求而设计的，实现数字系统控制下的电路归零也是很容易的。为尽量避免对正常信号处理的干扰，可控开关动作周期可以很长，两次放电归零之间的“斜坡”电压就可能积累得很高，为此，需要对运算放大器的同相端施加一个很小的模拟电压，使其在输入电阻上产生适当的电流，以补偿积分电路的总等效输入失调电压。

在上述措施的基础上，为进一步保证积分器相移的精度与稳定性，运算放大器的选择也必须遵循一定的原则。所用运算放大器必须是单位增益稳定的。非单位增益稳定运算放大器即使采用补偿措施达到稳定，也容易产生较大噪声。在此前提下，所用运算放大器在工作频率下的带宽应尽量提高，方能使实际积分器相移尽量接近理想的π/2。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明采用模拟积分器进行高频噪声抑制，与通常使用的模拟低通滤波器相比，模拟积分器的相移固定为π/2，不受具体无源元件参数影响，在高频噪声抑制能力相同的前提下具有相当高的频率特性稳定性，尤其是相位稳定性；

(2)对于谐振式传感器应用场合，本发明电路可以同时解决谐振式传感器闭环电路的π/2整数倍相移问题，代替专门的移相电路，并具有更好的相位精度和稳定性；

(3)本发明采用数字系统主动控制的积分器归零技术，与通常采用的电阻直流反馈技术相比，该技术能够实现真正的积分器，而不是以低通滤波器近似的积分器，从而真正实现π/2相移，避免无源元件参数的影响；

(4)本发明由数字系统控制一个与积分电容器并联的模拟开关，在正常信号处理的间歇进行积分器归零，与通常的采用固定时钟控制的斩波稳零或自动归零技术相比，电路结构简单，并避免了数字耦合噪声和斩波噪声问题。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明一个实施例的电原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明由前置放大器1、多级积分器2、零点稳定器3和幅度稳定器4组成，前置放大器1对输入信号进行阻抗匹配、隔直、放大和滤波后输出端耦合至多级积分器2的一个输入端，由多级积分器2对前置放大器1输出的高频噪声进行抑制后输出信号耦合至幅度稳定器4的输入端，幅度稳定器4在外部数字信号处理器的控制下，使输出正弦信号的幅度保持在规定变化范围内；零点稳定器3定期对多级积分器2输出的模拟信号进行采样和判断，并根据判断结果向多级积分器2的另一输入端输出失调电压修正模拟信号，使多级积分器2的输出直流失调趋于减小，同时零点稳定器3根据来自外部数字处理器的控制指令，定期向多级积分器2输出数字脉冲，使多路积分器2瞬时短路，从而使多级积分器2输出重新归零。

如图2所示，多级积分器2由多级结构相同的反相积分电路串接在一起，每级反相积分电路由运算放大器21，与运算放大器21反相输入端连接的电阻器22，连接运算放大器21输出端与反相输入端的电容器23及并联于电容器23两端且受控于零点稳定器3输出的通断可控开关24组成，零点稳定器3采集每级反相积分电路的运算放大器21的输出端信号，同时输出失调电压修正模拟信号至每级反相积分器运算放大器21的同向输入端，零点稳定器3根据外部数字信号处理器的指令，输出数字脉冲，使可控开关24瞬时短路。本发明的实施例图2中采用两级积分器组成，通常可采用2～4级。积分器的级数取决于噪声和干扰的强弱，还取决于具体应用场合的信号特点。例如，对于相移为±π/2的谐振式传感器，应采用奇数级积分器，而对于相移为π的谐振式传感器，则应采用偶数级积分器。

图2中，在每级反相积分电路的运算放大器21的同相输入端接有由电阻器31和32构成一个分压电路，对零点稳定器3输出的失调修正电压进行高倍数的分压，因为总等效输入失调电压通常是个很小的值，其中分压比：K＝1+R₃₂/R₃₁。

零点稳定电路3至少具备与每级反相积分电路运算放大器21输出端相接的采样信号输入端53、一个数字信号处理器控制接口54、与每级反相积分电路运算放大器21同相输入端的分压电路相接的失调电压修正信号输出端56，和与每级反相积分电路中通断可控开关24相接的开关通断信号输出端55。

零点稳定电路3可采用微控制器MCU，或可编程逻辑器件FPGA或CPLD实现，其软件编程流程为：通过采样信号输入端53随时采集每级积分器电路的输出信号，计算当前零点偏移；当数字信号处理器控制接口54接收到来自数字处理器的“归零”指令时，通过失调电压修正信号输出端56输出失调电压修正信号至反相积分电路的运算放大器21的同相输入端，同时在积分器输入波形的过零点的瞬间，通过开关通断信号输出端55输出一个数字脉冲使可控开关24瞬时短路，将总等效输入偏置电流在积分电容器上积累的电荷释放掉，使积分器输出重新“归零”。这种方式可以比直流反馈电阻更有效地消除输出失调，且不影响积分器的传输特性。

幅度稳定器4由幅度控制器26和变增益放大器25组成，变增益放大器25将最后一级反相积分电路的运算放大器21输出的正弦信号放大后送往其输出端，幅度控制器26根据来自外部数字信号处理器的指令，定期对变增益放大器25输入端正弦信号的幅度进行采样和判断，并根据判断结果调整变增益放大器25的放大倍数，使变增益放大器25输出正弦信号的幅度始终处于规定变化范围内。

Claims (4)

1.谐振式传感器积分式放大电路，其特征在于：由前置放大器(1)、多级积分器(2)、零点稳定器(3)和幅度稳定器(4)组成，前置放大器(1)对输入信号进行阻抗匹配、隔直、放大和滤波后输出端耦合至多级积分器(2)的反相输入端，由多级积分器(2)对前置放大器(1)输出的高频噪声进行抑制后输出信号耦合至幅度稳定器(4)的输入端，幅度稳定器(4)在外部数字信号处理器的控制下，使输出正弦信号的幅度保持在规定变化范围内；零点稳定器(3)定期对多级积分器(2)输出的模拟信号进行采样和判断，并根据判断结果向多级积分器(2)的同相输入端输出失调电压修正模拟信号，使多级积分器(2)的输出直流失调趋于减小，同时零点稳定器(3)根据来自外部数字处理器的控制指令，在信号过零点处向多级积分器(2)输出数字脉冲，使多级积分器(2)的积分电容瞬时短路，从而使多级积分器(2)输出重新归零。

2.根据权利要求1所述的谐振式传感器积分式放大电路，其特征在于：所述的多级积分器(2)由多级结构相同的反相积分电路串接在一起，每级反相积分电路由运算放大器(21)，与运算放大器(21)反相输入端连接的电阻器(22)，连接运算放大器(21)输出端与反相输入端的电容器(23)及并联于电容器(23)两端且受控于零点稳定器(3)的通断可控开关(24)组成，零点稳定器(3)采集每级反相积分电路的运算放大器(21)的输出端信号，同时输出失调电压修正模拟信号至每级反相积分电路的运算放大器(21)的同向输入端。

3.根据权利要求1所述的谐振式传感器积分式放大电路，其特征在于：零点稳定器(3)具备与多级积分器(2)输出端相接的采样信号输入端(53)、一个数字信号处理器控制接口(54)、与多级积分器(2)同相输入端相接的失调电压修正信号输出端(56)和与多级积分器(2)通断可控开关相接的通断信号输出端(51)。

4.根据权利要求1所述的谐振式传感器积分式放大电路，其特征在于：所述的幅度稳定器(4)由幅度控制器(26)和变增益放大器(25)组成，变增益放大器(25)将最后一级反相积分电路的运算放大器(21)输出的正弦信号放大后送往输出端，幅度控制器(26)根据来自外部数字信号处理器的指令，定期对变增益放大器(25)输入端正弦信号的幅度进行采样和判断，并根据判断结果调整变增益放大器(25)的放大倍数，使变增益放大器(25)输出正弦信号的幅度始终处于规定变化范围内。

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