CN207586703U - 桥式传感器程控调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种桥式传感器程控调理电路，仅需通过FPGA芯片软件程控就可实现整个调理电路的参数设置，包括接口电路所接传感器类型的切换、放大电路增益的调节以及低通滤波器截止频率的调节；两级放大可实现0dB~60dB的增益范围选项，可放大mV级别的微弱信号，截止频率可调范围为0Hz~50KHz；此电路有着非常优秀的交流和直流性能，直流精度优于0.1%。整个程控调理电路所占体积小，操作方便，灵活性高，在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展等微弱信号测量方面尤为适宜。

Description

桥式传感器程控调理电路

技术领域

本实用新型涉及桥式传感器数据采集技术领域，特别涉及一种桥式传感器程控调理电路。

背景技术

桥式传感器是利用电桥平衡原理构成的电测仪器，它不仅可以测电阻，也可以测电容、电感，并可通过这些物理量的测量间接的测量一些非电量，例如温度、压力、载荷、应变、加速度、位移等。在桥式传感器的数据采集系统中，桥式传感器输出的信号一般为0~20mV，信号非常微弱且动态范围大，会伴有非常大的噪声干扰，不适宜直接进行A/D转换，因此桥式传感器信号在在进入A/D之前，会通过调理电路对其信号进行处理。如今，由于应用范围和采集量的逐步扩大，对采集系统精度的要求也越来越高。但是高精度数据采集系统的开发受A/D转换器芯片发展水平的限制。

实用新型内容

为了解决桥式传感器数据采集系统中桥式传感器输出的信号微弱，噪声大，不能直接进行A/D采集的问题，提高数据采集系统的精度，本实用新型提供一种桥式传感器程控调理电路。

本实用新型采用如下的技术方案完成：

一种桥式传感器程控调理电路，包括桥式传感器程控接口电路、一级程控放大电路、二级程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路和FPGA芯片；所述FPGA芯片作为主控芯片，分别与桥式传感器程控接口电路的模拟开关芯片、一级程控放大电路的一级放大芯片、二级程控放大电路的二级放大芯片及程控滤波电路的程控滤波芯片连接，实现整个调理电路的程控，通过FPGA芯片软件程控进行所述桥式传感器程控调理电路的参数设置；所述程控桥式传感器接口电路、一级程控放大电路、二级程控放大电路、程控滤波电路依次连接，所述电压跟随电路连接所述程控滤波电路，所述一级程控放大电路与二级程控放大电路之间连接设置一无源滤波电路。

其中，所述桥式传感器程控接口电路对外输出+5V激励电压用以桥式传感器供电，同时将桥式传感器输出的模拟信号传输到第一程控放大电路；桥式传感器的输出方式包括三线制（半桥式输出）和四线制（全桥式输出），桥式传感器程控接口电路包括一个对这两种类型传感器输出方式进行切换的模拟开关，通过FPGA芯片程控模拟开关的通断来切换桥式传感器类型的输出方式。

其中，桥式传感器程控接口电路中，模拟开关的芯片为ADG1612，包含有四个独立的单掷开关，用以连接多路传感器。

其中，一级程控放大电路所用芯片为PGA281，增益由芯片上五个引脚上的逻辑电平控制，提供了0.125V/V至176V/V范围内的内部增益选项，通过FPGA芯片程控选择增益。

其中，二级程控放大电路核心芯片为AD8253，增益由芯片两个引脚上的逻辑电平控制，提供了1/10/100/1000四个内部增益选项，通过FPGA芯片程控选择增益。

其中，程控滤波电路核心芯片为LTC1063，为五阶巴特沃斯型集成滤波器，输出电压偏移量在±5V供电下典型值为0mV，为单端输入单端输出结构，用以匹配后端单端输入A/D芯片，五阶巴特沃斯型集成滤波器的截止频率通过一个外部时钟控制，截止频率范围为0Hz~50KHz，时钟频率与截止频率之比为100:1，时钟频率通过FPGA芯片程序控制。

其中，电压跟随电路核心芯片为OPA4188，包含四路运放，组成四路电压跟随器，用以减小多路桥式传感器程控调理电路体积。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：仅需通过FPGA芯片软件程控就可实现整个调理电路的参数设置，包括接口电路所接传感器类型的切换、放大电路增益的调节以及低通滤波器截止频率的调节；两级放大可实现0dB~60dB的增益范围选项，可放大mV级别的微弱信号，截止频率可调范围为0Hz~50KHz；此电路有着非常优秀的交流和直流性能，直流精度优于0.1%。整个程控调理电路所占体积小，操作方便，灵活性高，在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展等微弱信号测量方面尤为适宜。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种桥式传感器程控调理电路的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种桥式传感器程控调理电路的IEPE传感器恒流源接口电路图；

图3是本实用新型提供的一种桥式传感器程控调理电路的程控放大电路的电路图；

图4是本实用新型提供的一种桥式传感器程控调理电路的程控滤波电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

图1所示为本实用新型提供的一种桥式传感器程控调理电路，桥式传感器程控调理电路的输出连接一A/D转换器，组成桥式传感器的信号采集系统。包括桥式传感器程控接口电路、一级程控放大电路，二级程控放大电路，程控滤波电路、电压跟随电路和FPGA芯片；所述FPGA芯片作为主控芯片，分别与桥式传感器程控接口电路的模拟开关芯片、一级程控放大电路的一级放大芯片、二级程控放大电路的二级放大芯片及程控滤波电路的程控滤波芯片连接，实现整个调理电路的程控，通过FPGA芯片软件程控进行所述桥式传感器程控调理电路的参数设置；所述程控桥式传感器接口电路、一级程控放大电路、二级程控放大电路、程控滤波电路依次连接，二级程控放大电路和程控滤波电路、以及程控滤波电路和A/D转换器之间均设置电压跟随电路，所述一级程控放大电路与二级程控放大电路之间连接设置一无源滤波电路。

图2是本实用新型的桥式传感器程控接口电路的电路示意图，桥式传感器程控接口电路对外输出+5V激励电压用以桥式传感器供电，同时将桥式传感器输出的模拟信号传输到第一程控放大电路；桥式传感器的输出方式包括三线制（半桥式输出）和四线制（全桥式输出），桥式传感器程控接口电路包括一个对这两种类型传感器输出方式进行切换的模拟开关，通过FPGA芯片程控模拟开关的通断来切换桥式传感器类型的输出方式。所选模拟开关芯片为ADG1612，此器件有四个独立的单掷开关，可以连接多路桥式传感器，在本实施方式中，连接三路桥式传感器。用一路进行说明：FPGA芯片收到指令后向模拟开关ADG1612写值，当SEN0_IN的值为0，即写入IN4的值为0时，S4和D4是断开状态，即SEN0_SIG+与SEN0_P+是断开状态。此时，SEN0_P+输出+5V激励电源给桥式传感器供电供其工作，SEN0_P-用于和桥式传感器共地。桥式传感器输出的模拟差分信号SEN0_SIG+和SEN0_SIG-均以2.5V为偏置电压，并从引脚1、2接入后端程控放大电路中，此时桥式传感器型号为全桥输出。当SEN0_IN的值为1，即写入IN4的值为1时，S4和D4是连通状态，即SEN0_SIG+与SEN0_P+是闭合状态。此时，SEN0_P+输出+5V激励电源给桥式传感器供电供其工作，SEN0_P-通过一个3K欧姆的电阻与传感器的输出信号SIG-连接，桥路变换开关将SEN0_P+嵌 在2.5V，桥式传感器程控接口电路输出的是传感器输出电压SEN0_SIG-与2.5V偏置电压之间的电压差值，此时桥式传感器型号为半桥输出。

图3是本实用新型程控放大电路的电路图，程控放大电路由一级程控放大电路和二级程控放大电路构成，中间由一个无源低通滤波电路连接，桥式传感器输出的模拟信号通过桥式传感器程控接口电路从接插件1、2接口输入到VIN+和VIN-端作为程控放大电路的输入，一级程控放大电路的核心芯片为PGA281，PGA281是高精度单片仪表运放，适合作为桥式传感器毫伏级信号的前置放大，并且此器件为全差分结构，改善了模拟和混合信号系统在电源噪声抑制、共模噪声抑制、动态范围和谐波失真等方面的性能，减少了各个模块之间的耦合效应。它的增益由G4、G3、G2、G1、G0的逻辑电平控制，当FPGA芯片收到改变此增益指令后向缓存模块写值输入到这五个引脚上，从而达到一级放大电路增益的程控。可调增益范围为0dB~40dB，R6、R7、C5、C7、C8组成一个无源低通滤波器，截止频率约为500K，用以滤除一级程控放大电路引入的噪声频率，提高输入信号的信噪比。二级程控放大电路的核心芯片为AD8253，AD8253是一款可编程增益仪表放大器，是差分转单端结构，适合与后端单端滤波电路连接，它的增益由A1、A0的逻辑电平控制，当FPGA芯片收到改变此增益指令后写值输入到这两个引脚上，从而达到二级放大电路增益的程控，可调增益范围为0dB~20dB。

图4为程控滤波电路图，程控滤波电路核心芯片为LTC1063，为五阶巴特沃斯型集成滤波器，有着非常出色的直流精度，输出电压偏移量在±5V供电下典型值为0mV，偏移量后期可通过MATLAB软件进行校准，此滤波器的截止频率由LTC1063芯片上一个引脚的输入时钟控制，其输入时钟与滤波电路截止频率之比为100:1，通过改变FPGA芯片输出到此引脚上的时钟频率即可改变此电路截止频率，截止频率为0Hz到50KHz可调。此电路后端是一个增益为0dB的电压跟随电路，跟随电路核心芯片是OPA4188，用来实现与后端A/D采集电路的阻抗匹配，起到缓冲作用，OPA4188是一个多路运放，可以连接多路调理电路。

本实用新型的桥式传感器程控调理电路的工作原理如下：三线制或四线制桥式传感器输出的微弱信号经接插件1、2接口输入到VIN+和VIN-端作为程控调理电路的输入，由用户通过FPGA芯片程序设置调理电路的参数，包括所接传感器类型的接口电路、放大电路增益以及截至频率的设置，经放大电路之后将微弱信号调节到以V为数量级的0V~5V内电压，使加到A/D变换器输入端的信号幅值接近于A/D变化的过载电压，经滤波电路滤除假频信号后留下有用频率信号，此时进入A/D采集电路会大大增加采集系统的精度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：仅需通过FPGA芯片软件程控就可实现整个调理电路的参数设置，包括接口电路所接传感器类型的切换、放大电路增益的调节以及低通滤波器截止频率的调节；两级放大可实现0dB~60dB的增益范围选项，可放大mV级别的微弱信号，截止频率可调范围为0Hz~50KHz；此电路有着非常优秀的交流和直流性能，直流精度优于0.1%。整个程控调理电路所占体积小，操作方便，灵活性高，在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展等微弱信号测量方面尤为适宜。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种桥式传感器程控调理电路，其特征在于：包括桥式传感器程控接口电路、一级程控放大电路、二级程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路和FPGA芯片；所述FPGA芯片作为主控芯片，分别与桥式传感器程控接口电路的模拟开关芯片、一级程控放大电路的一级放大芯片、二级程控放大电路的二级放大芯片及程控滤波电路的程控滤波芯片连接，实现整个调理电路的程控，通过FPGA芯片软件程控进行所述桥式传感器程控调理电路的参数设置；所述程控桥式传感器接口电路、一级程控放大电路、二级程控放大电路、程控滤波电路依次连接，所述电压跟随电路连接所述程控滤波电路，所述一级程控放大电路与二级程控放大电路之间连接设置一无源滤波电路。

2.根据权利要求1所述的桥式传感器程控调理电路，其特征在于：所述桥式传感器程控接口电路对外输出+5V激励电压用以桥式传感器供电，同时将桥式传感器输出的模拟信号传输到第一程控放大电路；桥式传感器的输出方式包括三线制和四线制，桥式传感器程控接口电路包括一个对这两种类型传感器输出方式进行切换的模拟开关，通过FPGA芯片程控模拟开关的通断来切换桥式传感器类型的输出方式；其中，三线制的方式是半桥式输出方式，四线制的方式是全桥式输出方式。

3.根据权利要求2所述的桥式传感器程控调理电路，其特征在于：所述桥式传感器程控接口电路中，模拟开关的芯片为ADG1612，包含有四个独立的单掷开关，用以连接多路传感器。

4.根据权利要求1所述的桥式传感器程控调理电路，其特征在于：所述一级程控放大电路所用芯片为PGA281，它的增益由芯片上五个引脚上的逻辑电平控制，提供了0.125V/V至176V/V范围内的内部增益选项，通过FPGA芯片程控选择增益。

5.根据权利要求1所述的桥式传感器程控调理电路，其特征在于：所述二级程控放大电路核心芯片为AD8253，增益由芯片两个引脚上的逻辑电平控制，提供了1/10/100/1000四个内部增益选项，通过FPGA芯片程控选择增益。

6.根据权利要求1所述的桥式传感器程控调理电路，其特征在于：所述程控滤波电路核心芯片为LTC1063，为五阶巴特沃斯型集成滤波器，输出电压偏移量在±5V供电下典型值为0mV，为单端输入单端输出结构，用以匹配后端单端输入A/D芯片，五阶巴特沃斯型集成滤波器的截止频率通过一个外部时钟控制，截止频率范围为0Hz～50KHz，时钟频率与截止频率之比为100:1，时钟频率通过FPGA芯片程序控制。

7.根据权利要求1所述的桥式传感器程控调理电路，其特征在于：所述电压跟随电路核心芯片为OPA4188，包含四路运放，组成四路电压跟随器，用以减小多路桥式传感器程控调理电路体积。