CN208621082U - 基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，包括：模拟数字转换器、数字模拟转换器、第一比较器、第二比较器、第一电阻、第四电阻、第二电阻、第五电阻、第三电阻。本实用新型提出的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，可以通过DAC和匹配电阻进行共模电压调节，从而提高基于惠斯通电桥传感器的灵敏度，系统响应快。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器信号处理技术领域，涉及一种传感器信号放大及处理电路，尤其涉及一种能提高基于惠斯通电桥的传感器灵敏度的信号放大及处理电路。
背景技术
惠斯通电桥
惠斯通电桥是由四个电阻组成的电桥电路，这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，通过采集可变电阻两端的电压并处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。其电路形式如图1所示。
非平衡电桥是惠斯通电桥的一种，一般通过测量电阻值的微小变化来监控被测信号的细微变化。当输入电压不变而电阻值发生改变时，电桥的输出电压也会相应发生改变，通过监测电桥输出电压并进行一定计算就可以监测被测信号的变化情况，这就是基于惠斯通电桥的非平衡电桥的传感器的基本原理。
典型的信号处理电路及其原理
一般情况下，基于惠斯通电桥的传感器原始信号较为微弱，较为典型的应用方法是使用仪表放大器和反馈电阻搭建负反馈电路对传感器原始信号进行放大，再通过ADC(Analog to Digital Converter，模拟数字转换器)进行模数转换后进行相关解析和处理。图2所示的是一种典型的对基于惠斯通电桥的传感器输出的原始差分信号进行放大和ADC处理的应用电路。传感器输出信号经由仪表放大器放大后的共模电压Vcm_out为0.5Vsensor，ADC输入信号的理想共模电压为0.5Vadc。一般情况下，选择传感器供电电压与ADC参考电压一致即Vsensor＝Vadc，从而可以最大限度的利用ADC整个量程，在确保信号不失真的前提下适当增大信号放大倍数，提高信噪比。
提高系统灵敏度的同时必须调节共模电压
对于这种基于惠斯通电桥的传感器，由于工艺限制，在后级ADC采样电路不变的情况下，可通过适当提高传感器的供电电压的方式来提高信号的灵敏度。但提高供电电压的同时传感器输出信号的共模电压也会相应改变。对于这种微弱的信号，在经过仪表放大器放大后将其共模电压控制在参考电压的中间位置即0.5Vadc尤为重要。当提高传感器输入电压后，其共模电压也会相应升高，在后级ADC参考电压不变的情况，如不合理调节放大后的信号共模电压，在ADC端会出现信号失真的风险；或为了避免信号失真而降低信号放大倍数，而降低系统整体的信噪比。在实际应用中，传感器输出本身也存在一定的共模偏移，再加之工艺等因素的影响，使得校准其信号输出的共模电压尤为重要。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，可提高基于惠斯通电桥传感器的灵敏度；同时，通过DAC和匹配电阻进行共模电压调节。
为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，所述信号放大及处理电路包括：模拟数字转换器ADC、数字模拟转换器DAC(Digital to Analog Converter，数字模拟转换器)、第一比较器、第二比较器、第一电阻R1、第四电阻R4、第二电阻R2、第五电阻R5、第三电阻R3；
所述第一比较器的正极输入端连接惠斯通电桥，第一比较器的负极输入端分别连接第二电阻R2的第一端、第三电阻R3的第一端、第一电阻R1的第一端，第一比较器的输出端分别连接模拟数字转换器ADC、第一电阻R1的第二端；
所述数字模拟转换器DAC分别连接第二电阻R2的第二端、第五电阻R5的第一端；
所述第二比较器的正极输入端连接惠斯通电桥，第二比较器的负极输入端分别连接第五电阻R5的第二端、第三电阻R3的第二端、第四电阻R4的第一端，第二比较器的输出端分别连接模拟数字转换器ADC、第四电阻R4的第二端。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第一电阻R1、第四电阻R4的阻值相同。
作为本实用新型的一种优选方案，所述第二电阻R2、第五电阻R5的阻值相同。
作为本实用新型的一种优选方案，所述传感器为AMR(AnisotropicMagnetoresistance，各向异性磁电阻)磁阻传感器。
作为本实用新型的一种优选方案，所述传感器为GMR(Giant Magnetoresistance，巨磁电阻)磁阻传感器。
作为本实用新型的一种优选方案，所述传感器为TMR(TunnelMagnetoresistance，隧道磁阻)磁阻传感器。
本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，可以通过DAC和匹配电阻进行共模电压调节，通过提高传感器的输入电压提高基于惠斯通电桥传感器的灵敏度(原理是后端ADC不变提高前级传感器的输入电压，再通过DAC和匹配电阻进行共模电压调节)，同时在不改变信号放大和ADC模块的情况下，能校准输出信号的共模电压。当输出信号共模电压较为理想时，可以适当提高系统放大倍数以提高信噪比。本实用新型实现方便，系统响应快；同时，本实用新型适用于任何基于惠斯通电桥的信号处理电路。
附图说明
图1为惠斯通电桥电路的电路示意图。
图2为常用的惠斯通电桥信号放大与ADC处理电路的电路示意图。
图3为本实用新型传感器信号放大及处理电路的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。
实施例一
本实用新型揭示了一种通过增加一路DAC调节仪表放大器输出信号共模电压的信号放大及处理电路。如采用图2电路，为提高系统信号灵敏度而使得传感器输入电压Vsensor大于ADC参考电压Vadc时，会出现ADC输入信号的共模电压Vcm_out大于理想的0.5Vadc的情况，在系统增益不变的情况下会出现ADC采样信号失真。通过图3所示电路，增加1路DAC和2个匹配电阻，可有效调节经由仪表放大器放大输出信号的共模电压Vcm_out，使其达到理想的0.5Vadc。
请参阅图3，本实用新型揭示了一种基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，所述信号放大及处理电路包括：模拟数字转换器ADC、数字模拟转换器DAC、第一比较器、第二比较器、第一电阻R1、第四电阻R4、第二电阻R2、第五电阻R5、第三电阻R3。
所述第一比较器的正极输入端连接惠斯通电桥，第一比较器的负极输入端分别连接第二电阻R2的第一端、第三电阻R3的第一端、第一电阻R1的第一端，第一比较器的输出端分别连接模拟数字转换器ADC、第一电阻R1的第二端。
所述数字模拟转换器DAC分别连接第二电阻R2的第二端、第五电阻R5的第一端。
所述第二比较器的正极输入端连接惠斯通电桥，第二比较器的负极输入端分别连接第五电阻R5的第二端、第三电阻R3的第二端、第四电阻R4的第一端，第二比较器的输出端分别连接模拟数字转换器ADC、第四电阻R4的第二端。
如图3所示，系统的增益为：
Gain＝R1*(2*R2+R3)/R2/R3。
DAC与输入共模电压Vcm_in及输出共模电压Vcm_out的关系为：
DAC＝Vcm_in-(Vcm_out-Vcm_in)*R2/R1。
例如：在一个基于惠斯通电桥的传感器供电为5V，ADC参考电压为3.3V的理想情况下，R1＝4Kohm，R2＝1Kohm，R3＝220ohm。传感器原始信号的共模电压Vcm_in为0.5Vsensor即2.5V，若要使得输出信号共模电压Vcm_out为理想的0.5Vadc即1.65V，则根据公式可计算出DAC输出值为2.7125V。
实际应用中各电压值并不会都为理想值，可以根据实测的电压值，根据计算公式计算出需要的DAC输出电压值，通过DAC进行调节，使输出共模电压匹配。
本实用新型所使用的传感器是一种包含两组惠斯通电桥的基于AMR技术的磁传感器。本文所阐述的方法，除了适用于AMR、GMR、TMR等磁阻传感器外，几乎适用于其他任何基于惠斯通电桥的传感器信号放大和处理电路，且实现简单。即本实用新型不特指磁传感器，对于所有基于惠斯通电桥的传感器具有普适性。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第一电阻R1、第四电阻R4的阻值可以相同(当然也可以不同)。同时，所述第二电阻R2、第五电阻R5的阻值可以相同(当然也可以不同)。优选地，选用电阻精度至少为1％，否则较难实现匹配。
本实用新型能够通过提高磁传感器的输入电压提高其灵敏度，同时在不改变信号放大和ADC模块的情况下，校准输出信号的共模电压。当输出信号共模电压较为理想时，可以适当提高系统放大倍数以提高信噪比。
综上所述，本实用新型提出的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，可以通过DAC和匹配电阻进行共模电压调节，通过提高传感器的输入电压提高基于惠斯通电桥传感器的灵敏度(原理是后端ADC不变提高前级传感器的输入电压，再通过DAC和匹配电阻进行共模电压调节)，同时在不改变信号放大和ADC模块的情况下，能校准输出信号的共模电压。当输出信号共模电压较为理想时，可以适当提高系统放大倍数以提高信噪比。本实用新型实现方便，系统响应快；同时，本实用新型适用于任何基于惠斯通电桥的信号处理电路。
这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (6)
1.一种基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，其特征在于，所述信号放大及处理电路包括：模拟数字转换器ADC、数字模拟转换器DAC、第一比较器、第二比较器、第一电阻R1、第四电阻R4、第二电阻R2、第五电阻R5、第三电阻R3；
所述第一比较器的正极输入端连接惠斯通电桥，第一比较器的负极输入端分别连接第二电阻R2的第一端、第三电阻R3的第一端、第一电阻R1的第一端，第一比较器的输出端分别连接模拟数字转换器ADC、第一电阻R1的第二端；
所述数字模拟转换器DAC分别连接第二电阻R2的第二端、第五电阻R5的第一端；
所述第二比较器的正极输入端连接惠斯通电桥，第二比较器的负极输入端分别连接第五电阻R5的第二端、第三电阻R3的第二端、第四电阻R4的第一端，第二比较器的输出端分别连接模拟数字转换器ADC、第四电阻R4的第二端。
2.根据权利要求1所述的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，其特征在于：
所述第一电阻R1、第四电阻R4的阻值相同。
3.根据权利要求1所述的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，其特征在于：
所述第二电阻R2、第五电阻R5的阻值相同。
4.根据权利要求1所述的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，其特征在于：
所述传感器为AMR磁阻传感器。
5.根据权利要求1所述的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，其特征在于：
所述传感器为GMR磁阻传感器。
6.根据权利要求1所述的基于惠斯通电桥的传感器信号放大及处理电路，其特征在于：
所述传感器为TMR磁阻传感器。
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