CN204007964U - 一种传感器的信号调理电路和传感器的信号调理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种传感器的信号调理电路和传感器的信号调理系统，所述电路包括短路保护电路，用于对传感器信号调理电路进行短路保护，电流采样电路，用于将传感器输出的电流信号转换为电压信号，差分放大电路，用于将电流采样电路两端的差分电压信号的幅值进行放大，电平转换电路用于将放大后的差分电压信号转化为数字电压信号并输出。本实用新型降低了对运算放大器性能的要求，同时扩展了电源电压输入范围，满足传感器的信号调理的精度、实时性的同时，达到性能和成本的最优化，具有低成本、结构简单、高稳定性和高可靠性的特点。

Description

一种传感器的信号调理电路和传感器的信号调理系统

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种传感器的信号调理电路和传感器的信号调理系统。

背景技术

随着汽车电子控制装置的广泛应用和汽车配置的不断提高，作为信息输入单元的汽车传感器也逐步发展完善，汽车传感器的信号类型逐渐增多，对传感器输出级或者控制器输入级的信号调理电路要求也不断提高。

目前，常用的汽车方向盘力矩传感器为电流占空比型传感器，现有的汽车方向盘力矩传感器的信号调理电路主要是在传感器供电线上串联采样电阻获得与电流对应的模拟电压，再通过差分放大电路把采样电阻两端的微小模拟电压放大到后级电路可以接受的范围，最后通过比较电路将模拟电压转换为数字电压，最终输出给汽车控制器进行运算处理。现有的汽车方向盘力矩传感器的信号调理电路中采用传感器高压供电端串联采样电阻的方案，可以避免在汽车电池正极短路到汽车方向盘力矩传感器低压供电端时产生的过功率问题，但由于采样电阻两端的电压接近汽车方向盘力矩传感器供电的电压，要求差分放大电路的运算放大器有较高的共模输入电压，这样会提高电路成本；同时在汽车方向盘力矩传感器的信号调理电路系统输入电压降低时，仍然无法满足差分放大电路运算放大器的输入压差要求，最终体现为汽车方向盘力矩传感器的信号调理电路在低系统电压输入时无法正常工作。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种传感器的信号调理电路和传感器的信号调理系统，以降低电路成本，同时扩展电源电压的输入范围，满足传感器的信号调理的精度和实时性的同时，提高传感器的信号调理系统的稳定性和可靠性。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种传感器的信号调理电路，所述电路包括短路保护电路、电流采样电路、差分放大电路和电平转换电路，其中，

所述短路保护电路的输入端与传感器的输出端连接，所述短路保护电路的第一输出端与电流采样电路的第一端连接，所述短路保护电路的第二输出端与差分放大电路的第一输入端连接，所述短路保护电路用于对所述传感器的信号调理电路进行短路保护；

所述电流采样电路的第二端与地连接，所述电流采样电路用于将所述传感器输出的电流信号转换为电压信号；

所述差分放大电路的第二输入端与所述电流采样电路的第二端连接，所述差分放大电路的输出端与所述电平转换电路的输入端连接，所述差分放大电路用于将所述电流采样电路两端的差分电压信号的幅值进行放大；

所述电平转换电路用于将幅值放大后的差分电压信号转换为数字电压信号并输出。

进一步地，所述传感器为力矩传感器。

进一步地，所述力矩传感器为汽车方向盘的力矩传感器。

第二方面，本实用新型提供了一种传感器的信号调理系统，包括电池、系统电源、传感器供电电源电路、传感器、传感器的信号调理电路和控制器，其中，所述传感器的信号调理电路包括短路保护电路、电流采样电路、差分放大电路、电平转换电路和控制器，

所述电池的输出端与所述系统电源的输入端连接，所述电池用于为所述传感器的信号调理系统提供第一电源电压；

所述系统电源的输出端与所述传感器供电电源电路的输入端以及与所述短路保护电路的第一输入端、差分放大电路的第三输入端、电平转换电路的第二输入端和控制器的第二输入端连接，所述系统电源用于将所述第一电源电压输出到所述传感器供电电源电路，还用于将所述第一电源电压转换为与所述短路保护电路、差分放大电路、电平转换电路和控制器相匹配的第二电源电压；

所述传感器供电电源电路的输出端与所述传感器的输入端连接，所述传感器供电电源电路用于将所述第一电源电压转换为与所述传感器相匹配的电压；

所述传感器的输出端与所述短路保护电路的第二输入端连接，所述传感器用于感受被测量信息，将所述被测量信息转化为电流信号；

所述短路保护电路的第一输出端与所述电流采样电路的第一端连接，所述短路保护电路的第二输出端与所述差分放大电路的第一输入端连接，所述短路保护电路用于对所述传感器的信号调理系统进行短路保护；

所述电流采样电路的第二端与地连接，所述电流采样电路用于将所述传感器输出的电流信号转换为电压信号；

所述差分放大电路的第二输入端与所述电流采样电路的第二端连接，所述差分放大电路的输出端与所述电平转换电路的第一输入端连接，所述差分放大电路用于将所述电流采样电路两端的差分电压信号的幅值进行放大；

所述电平转换电路的输出端与控制器的第一输入端连接，用于将幅值放大后的差分电压信号转换为数字电压信号并输出；

所述控制器用于对接收到的数字电压信号进行运算处理。

进一步地，所述传感器为力矩传感器。

进一步地，所述力矩传感器为汽车方向盘的力矩传感器。

本实用新型实施例提供的传感器的信号调理电路和传感器的信号调理系统，通过短路保护电路对传感器的信号调理电路进行短路保护，通过电流采样电路将传感器输出的电流信号转换为电压信号，通过差分放大电路将差分电压信号放大为电平转换电路需要的电压信号，通过电平转换电路实时地输出数字电压信号，由此，降低对运算放大器性能的要求，同时扩展了电源电压输入范围，满足传感器的信号调理系统的精度、实时性的同时，达到性能和成本的最优化，具有低成本、系统结构简单、高稳定性和高可靠性的特点。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本实用新型的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本实用新型的上述及其他特征和优点，附图中：

图1是本实用新型实施例一提供的一种传感器的信号调理电路的结构图；

图2是本实用新型实施例一提供的一种传感器的信号调理电路的原理图；

图3是本实用新型实施例二提供的一种传感器的信号调理系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的一种传感器的信号调理电路的结构图，如图1所示，该传感器的信号调理电路可用于对汽车方向盘力矩传感器输出的信号进行调理，所述传感器的信号调理电路包括：短路保护电路11、电流采样电路12、差分放大电路13和电平转换电路14。

短路保护电路11的输入端与传感器的输出端连接，短路保护电路11的第一输出端与电流采样电路12的第一端连接，短路保护电路11的第二输出端与差分放大电路13的第一输入端连接，短路保护电路11用于对所述传感器的信号调理电路进行短路保护。

汽车传感器是汽车整车或局部控制系统的输入装置，它把诸如车速、发动机运行工况、方向盘转矩转角、各种介质流量温度等汽车运行中产生的信息，转化为电讯号传输给汽车控制器，辅助完成车速控制、动力分配和舒适性等各种功能，汽车传感器作为输入单元，其输入的信号种类也从最初单一的电压、电流和频率等模拟信号扩展为占空比和总线信息等数字信号，拓扑结构也从信号和电源通过线束独立传输，发展为信号集成到电源线上的调制传输，在传输过程中，当传输信号的线束由于时间较长变老化时，位于线束外面的绝缘层容易剥落而造成电路短路，发生过功率问题，采用短路保护电路能够避免传感器的信号调理电路短路。

电流采样电路12的第二端与地连接，电流采样电路12用于将所述传感器输出的电流信号转换为电压信号。

通过电流采样电路12获得与传感器输入的电流信号对应的电压信号，优选的，所述传感器可以为力矩传感器，更优选的，所述传感器为汽车方向盘力矩传感器，所述传感器输出的电流信号可以为电流占空比型信号，所述电流占空比型信号为电流随时间周期变化为最小值或最大值，最大值对应整个周期的比例作为占空比，并与方向盘的力矩呈线性关系，汽车方向盘力矩传感器属于无信号线的传感器，将电流占空比型信号集成到电源线上调制传输，可以节省信号线；同时电流占空比型信号具有较强的抗干扰性能，在汽车电磁兼容环境抗扰能力要求较高的应用中具有优势。由电流占空比型传感器的信号特征，决定了对信号调理电路的需求，需要其在保证电路基本功能的同时，满足汽车应用的电压范围、调理精度、成本和端口保护等多个性能参数。

在本实施例中，由于电流采样电路12的电压接近地电压，因此对差分放大电路13中运算放大器的共模输入要求较低，从而降低了传感器信号调理电路的成本，同时较低的信号输入电压也可以适应宽范围的运放供电，扩展了电源电压输入范围，可应用于不同汽车电池电压的情况下。

差分放大电路13的第二输入端与电流采样电路12的第二端连接，差分放大电路13的输出端与电平转换电路14的输入端连接，差分放大电路13用于将电流采样电路12两端的差分电压信号的幅值进行放大。

差分放大电路13将电流采样电路12两端的差分电压信号放大为幅值足够的电压信号输出到电平转换电路14。

由于电流采样电路12两端的差分电压信号比较微弱，经过差分放大电路13中的运算放大器处理后将采样电路12两端微弱的差分电压信号的幅值进行放大后输出到电平转换电路14进行处理，此外，差分放大电路13还能够抑制由外界条件的变化带给传感器的信号调理电路的影响，如温度噪声等，从而提高传感器的信号调理精度。

电平转换电路14用于将所述放大后的差分电压信号转换为数字电压信号并输出。

电平转换电路14的功能是将差分放大电路13输入的放大后的差分电压信号与一个参考电压进行比较，当放大后的差分电压信号值大于参考电压值时，按照需求输出高电平或低电平，当放大后的差分电压信号值小于参考电压值时，按照需求输出低电平或高电平，由此，将模拟电压信号转换为能够被控制器进行运算处理的数字电压信号。

在本实施例中，由于采样电路12的电压接近地电压，因此对差分放大电路13中运算放大器的共模输入要求较低，从而降低了传感器信号调理电路的成本，扩展了电源电压的输入范围，再配合短路保护电路，满足传感器的信号调理系统的精度、实时性的同时，达到性能和成本的最优化，具有低成本、系统结构简单、高稳定性和高可靠性的特点。

具体地，图2是本实用新型实施例一提供的一种传感器信号调理电路的原理图，如图2所示，短路保护电路11可包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一NPN型三极管Q1和第二NPN型三极管Q2，电流采样电路12可包括第五电阻R5，差分放大电路13可包括第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第一运算放大器U1，电平转换电路14可包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第一电容C1和第二运算放大器U2。

在短路保护电路11中，其输入端与传感器接插件的地连接，当所述传感器的信号调理电路正常工作时，短路保护电路11的输入端为低电平，第一NPN型三极管Q1断开，第二NPN型三极管Q2导通，当所述传感器的信号调理电路短路时，短路保护电路11的输入端变为高电平，第一NPN型三极管Q1导通，由于第一NPN型三极管Q1的发射极接地，使得第二NPN型三极管Q2的基极也处于低电平，因此第二NPN型三极管处于截止状态，使得传感器的信号调理电路断开与传感器的连接，从而保护传感器的信号调理电路避免发生过功率的问题，电流采样电路12将传感器输出的电流信号转换为相对应的电压信号，将电流采样电路12中第五电阻R5两端的电压信号分别经过第六电阻R6和第七电阻R7后输入到第一运算放大器U1的正输入端和负输入端，经过第一运算放大器U1后将第五电阻R5两端的差分电压信号的幅值放大为幅值足够的电压信号输出到电平转换电路14，在差分放大电路13中，第一运算放大器U1的正输入端和输出端之间连接有第九电阻R9，形成一负反馈形态，在第一运算放大器U1的负输入端和地之间连接有第八电阻R8，保证差分放大电路运行稳定，差分放大电路13将放大后的差分电压信号输出到电平转换电路14中第二运算放大器U2的负输入端，该放大后的差分电压信号与第二运算放大器U2的正输入端中的第十电阻R10和第十一电阻R11产生的参考电压值相比较，从而将模拟电压信号转化为数字电压信号，在电平转换电路14中，第二运算放大器U2的正输入端和输出端之间连接有第十二电阻R12，能够输出的数字电压信号的稳定性，经过第十三电阻R13和第一电容C1滤波处理后输出数字电压信号。

本实用新型实施例提供的传感器的信号调理电路能够将传感器输出的电流信号，实时的转换为适合控制器运算处理的数字电压信号，通过将电流采样电路的一端与短路保护电路连接，将电流采样电路的另一端接地，从而降低对差分放大电路中运算放大器性能的要求，该传感器调理电路可应用于不同的电源电压，扩展了电源电压的输入范围，满足控制系统的精度和实时性的同时，达到性能和成本的最优化，具有成本低、系统结构简单、高稳定性和高可靠性的特点。

实施例二

图3是本实用新型实施例二提供的一种传感器的信号调理系统的结构图，如图3所示，该传感器的信号调理系统包括：电池21、系统电源22、传感器供电电源电路23、传感器24、信号调理电路25和控制器26，其中，所述信号调理电路25包括短路保护电路251、电流采样电路252、差分放大电路253和电平转换电路254。

该传感器的信号调理系统可应用于汽车传感器中进行信号调理，所述电池21可以为汽车电池，电池21的输出端与系统电源22的输入端连接，电池21用于为传感器的信号调理系统提供第一电源电压。通常汽车电池为传感器的信号调理系统提供的第一电源电压可包括12V和24V，所述12V汽车电池可用于小汽车中，所述24V汽车电池可用于卡车中，在本实施例中，所述第一电源电压可以为12V。

所述系统电源22的输出端与传感器供电电源电路23的输入端以及与短路保护电路251的第一输入端、差分放大电路253的第三输入端、电平转换电路254的第二输入端和控制器26的第二输入端连接，系统电源22用于将所述第一电源电压转换为与短路保护电路251、差分放大电路253、电平转换电路254和控制器26相匹配的第二电源电压，还用于将所述第一电源电压输出到传感器供电电源电路23。

在汽车传感器的信号调理系统中，汽车方向盘的力矩传感器与传感器的信号调理系统中的逻辑电路(短路保护电路251、差分放大电路253和电平转换电路254)以及控制器26所需要的工作电压不同，因此，通过系统电源22将汽车电池提供的12V电压转换为短路保护电路251、差分放大电路253和电平转换电路254以及控制器26相匹配的第二电源电压，该第二电源电压的大小可以为5V，同时通过系统电源22将第一电源电压(12V)输出到传感器供电电源电路23。

所述传感器供电电源电路23的输出端与传感器24的输入端连接，传感器供电电源电路23用于将所述第一电源电压转换为与传感器相匹配的电压。

优选的，所述传感器为力矩传感器，更为优选的，所述力矩传感器为汽车方向盘的力矩传感器，所述传感器供电电源电路23将第一电源电压(12V)转换为与传感器24匹配的电压(5.6V)。

所述传感器24的输出端与短路保护电路251的第二输入端连接，传感器24用于感受被测量信号，将所述被测量信息转化为电流信号，所述被测量信息可以是汽车车速、发动机运行工况、方向盘转矩转角、各种介质流量温度等汽车运行中产生的信息。由于传感器24采集到的信息往往比较微弱或波形不当或信号形式不合适，因此需要对传感器输出的信号进行调理。

信号调理电路25连接于传感器24的输出端和控制器26的输入端之间，用于将传感器24输出的电流信号转换为适合控制器26进行运算处理的数字信号。具体地，所述信号调理电路25包括：短路保护电路251、电流采样电路252、差分放大电路253和电平转换电路254。

所述短路保护电路251的第一输出端与电流采样电路252的第一端连接，短路保护电路251的第二输出端与差分放大电路253的第一输入端连接，短路保护电路251用于对所述传感器的信号调理系统进行短路保护。

电流采样电路252的第二端与地连接，电流采样电路252用于将传感器24输出的电流信号转换为电压信号。

在本实施例中，由于电流采样电路252的电压接近地电压，因此对差分放大电路253中运算放大器的共模输入要求较低，从而降低了传感器信号调理电路25的成本，同时较低的信号输入电压也可以适应宽范围的运放供电，扩展了电源电压输入范围，可适用于不同电源型号的车型。

差分放大电路253的第二输入端与电流采样电路252的第二端连接，差分放大电路253的输出端与电平转换电路254的第一输入端连接，所述差分放大电路用于将电流采样电路两端的差分电压信号的幅值进行放大。

电平转换电路254的输出端与控制器26的第一输入端连接，用于将幅值放大后的差分电压信号转换为数字电压信号并输出。

控制器26用于对接收到的数字电压信号进行运算处理，根据所述运算处理的结果辅助完成汽车车身控制、动力分配和舒适性等各种功能。

本实用新型实施例提供的传感器的信号调理系统能够将传感器输出的电流信号，实时的转换为适合控制器运算处理的数字电压信号，通过将电流采样电路的一端与短路保护电路连接，将电流采样电路的另一端接地，从而降低对差分放大电路中运算放大器性能的要求，该传感器调理电路可应用于不同的电源电压，扩展了电源电压的输入范围，满足控制系统的精度和实时性的同时，达到性能和成本的最优化，具有成本低、系统结构简单、高稳定性和高可靠性的特点。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种传感器的信号调理电路，其特征在于，所述电路包括短路保护电路、电流采样电路、差分放大电路和电平转换电路，其中，

所述短路保护电路的输入端与传感器的输出端连接，所述短路保护电路的第一输出端与电流采样电路的第一端连接，所述短路保护电路的第二输出端与差分放大电路的第一输入端连接，所述短路保护电路用于对所述传感器的信号调理电路进行短路保护；

所述电流采样电路的第二端与地连接，所述电流采样电路用于将所述传感器输出的电流信号转换为电压信号；

所述差分放大电路的第二输入端与所述电流采样电路的第二端连接，所述差分放大电路的输出端与所述电平转换电路的输入端连接，所述差分放大电路用于将所述电流采样电路两端的差分电压信号的幅值进行放大；

所述电平转换电路用于将幅值放大后的差分电压信号转换为数字电压信号并输出。

2.根据权利要求1所述的传感器的信号调理电路，其特征在于，所述传感器为力矩传感器。

3.根据权利要求2所述的传感器的信号调理电路，其特征在于，所述力矩传感器为汽车方向盘的力矩传感器。

4.一种传感器的信号调理系统，其特征在于，包括电池、系统电源、传感器供电电源电路、传感器、传感器的信号调理电路和控制器，其中，所述传感器的信号调理电路包括短路保护电路、电流采样电路、差分放大电路、电平转换电路和控制器，

所述电池的输出端与所述系统电源的输入端连接，所述电池用于为所述传感器的信号调理系统提供第一电源电压；

所述系统电源的输出端与所述传感器供电电源电路的输入端以及与所述短路保护电路的第一输入端、差分放大电路的第三输入端、电平转换电路的第二输入端和控制器的第二输入端连接，所述系统电源用于将所述第一电源电压输出到所述传感器供电电源电路，还用于将所述第一电源电压转换为与所述短路保护电路、差分放大电路、电平转换电路和控制器相匹配的第二电源电压；

所述传感器供电电源电路的输出端与所述传感器的输入端连接，所述传感器供电电源电路用于将所述第一电源电压转换为与所述传感器相匹配的电压；

所述传感器的输出端与所述短路保护电路的第二输入端连接，所述传感器用于感受被测量信息，将所述被测量信息转化为电流信号；

所述短路保护电路的第一输出端与所述电流采样电路的第一端连接，所述短路保护电路的第二输出端与所述差分放大电路的第一输入端连接，所述短路保护电路用于对所述传感器的信号调理系统进行短路保护；

所述电流采样电路的第二端与地连接，所述电流采样电路用于将所述传感器输出的电流信号转换为电压信号；

所述差分放大电路的第二输入端与所述电流采样电路的第二端连接，所述差分放大电路的输出端与所述电平转换电路的第一输入端连接，所述差分放大电路用于将所述电流采样电路两端的差分电压信号的幅值进行放大；

所述电平转换电路的输出端与控制器的第一输入端连接，用于将幅值放大后的差分电压信号转换为数字电压信号并输出；

所述控制器用于对接收到的数字电压信号进行运算处理。

5.根据权利要求4所述的传感器的信号调理系统，其特征在于，所述传感器为力矩传感器。

6.根据权利要求5所述的传感器的信号调理系统，其特征在于，所述力矩传感器为汽车方向盘的力矩传感器。