CN209878144U - 高性能的红外热电堆传感器的读出电路 - Google Patents
高性能的红外热电堆传感器的读出电路 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种高性能的红外热电堆传感器的读出电路，所述读出电路包括仪表放大器CSIA、增益可调电路VGM、缓冲器Buffer和Sigma‑Delta模数转换器IADC；所述仪表放大器CSIA的输入端连接红外热电堆传感器的输出端；所述仪表放大器CSIA的输出端与缓冲器Buffer的输入端相连；所述增益可调电路VGM的一端与仪表放大器CSIA的输入端相连，另一端与仪表放大器CSIA的输出端相连；所述缓冲器Buffer的输出端与Sigma‑Delta模数转换器IADC的输入端相连。本实用新型能够有效抑制共模信号的干扰，提高共模抑制比，并采用自归零技术以消除电路的误差，从而使得读出电路的输出具有更高的信噪比和有效位数。
Description
技术领域
本实用新型涉及红外热电堆传感器以及低频信号测量传感器领域，具体涉及一种高性能的红外热电堆传感器的读出电路。
背景技术
近年来，互联网+、大数据和人工智能(AI)爆发式的研究热潮对物联网领域产生了巨大的影响，得对各类传感器的需求也越来越大。其中，红外热电堆传感器由于拥有较高的测温精度且不受中间媒介的影响被广泛应用于非接触式温度测量的解决方案中，如医疗器械，工业热预警系统等领域。
研究表明，任何温度高于绝对零度的物体都会时刻产生红外辐射，并且温度越高，产生的红外能越多。根据塞贝克效应理论，红外热电堆传感器被应用于测量物体的红外辐射，其内部集成的热电偶单元能将所吸收的红外能转换为电压信号输出。另外，由于热电堆传感器在吸收被测物体热辐射的同时也会对环境温度变化做出响应，导致杂散和干扰信号增加。因此，传感器内部一般集成了热敏电阻用于补偿环境温度对被测物体温度的干扰。红外热电堆传感器直接感应热辐射，为非接触温度测量提供完美的解决方案并且在整个温度测量范围内能达到±1℃的精度，对于比较窄的温度测量范围，其精度甚至可以达到±0.1℃。
一般来说，红外热电堆传感器输出的电压信号Vin较为微弱，只有毫伏量级，当被测物体的温度变化1℃时，红外热电堆输出的电压信号在微伏级别。针对如此微弱的电压信号，传感器读出电路1/f噪声和失调电压为电路主要误差来源，这些误差若没有进行一定的处理或消除，将会跟随传感器输出的电压信号被放大，从而掩盖了有用的电压信号，进而降低读出电路的精度和稳定性。因此，需要高精度的读出电路来线性放大红外热电堆传感器输出的微弱电压信号同时消除误差。传统的红外热电堆传感器的读出电路由三运放构成的仪表放大器(IA)和模数转换器(ADC)构成，但是该结构虽然具有较好的线性度和较高的输入阻抗，但需要用到三个运算放大器，消耗较大的功耗并且其共模抑制比(CMRR)较低。
发明内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种高性能的红外热电堆传感器的读出电路，能够有效消除误差的影响，从而实现高精度。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种高性能的红外热电堆传感器的读出电路，所述读出电路包括仪表放大器CSIA、增益可调电路VGM、缓冲器Buffer和Sigma-Delta模数转换器IADC；所述仪表放大器CSIA的输入端连接红外热电堆传感器的输出端；所述仪表放大器CSIA的输出端与缓冲器Buffer的输入端相连；所述增益可调电路VGM的一端与仪表放大器CSIA的输入端相连，另一端与仪表放大器CSIA的输出端相连；所述缓冲器Buffer的输出端与模数转换器IADC的输入端相连。
进一步的，所述仪表放大器CSIA为斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA，采用双通路结构，包括低增益高频通路HPF和高增益低频通路LPF。
进一步的，所述低增益高频通路HPF中斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端VI_N和VI_P与跨导运算放大器OTA1的输入端相连，跨导运算放大器OTA1的输出端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端VO_IAN和VO_IAP相连。
进一步的，所述高增益低频通路LPF中斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端VI_N和VI_P与斩波器CH1的输入端相连，斩波器CH1的输出端与跨导运算放大器OTA2的输入端相连，跨导运算放大器OTA2的输出端与斩波器CH2的输入端相连，斩波器CH2的输出端于陷波滤波器SC-notch的输入端相连，陷波滤波器SC-notch的输出端与跨导运算放大器OTA3的输入端相连，跨导运算放大器OTA3的输出端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端VO_IAN和VO_IAP相连。
进一步的，所述Sigma-Delta模数转换器IADC为增量式Sigma-Delta模数转换器IADC，具体为，输入信号VIN与增益块b1和增益块a1的输入端相连，增益块b1的输出端与增益块b2的输出端通过加法器ADD1相加，加法器ADD1的输出端与第一个积分器Int1的输入端相连，第一个积分器Int1的输出端与增益块c和增益块a2的输入端相连，增益块c的输出端与第二个积分器Int2的输入端相连，第二个积分器Int2的输出端与增益块a3的输入端相连，增益块a3的输出端，同时增益块a1和增益块a2的输出端通过加法器ADD2相加，加法器ADD2的输出端与量化器Quantizer的输入端相连，量化器Quantizer的输出端与数字抽取滤波器Decimation Filter的输入端，同时与增益块b2的输入端相连；数字抽取滤波器DecimationFilter的输出端与降采样模块M的输入端相连，降采样模块M的输出端得到数字信号Dout。
进一步的，所述第一积分器Int1和第二积分器Int2均采用自归零技术积分器。
进一步的，所述采用自归零技术积分器具体为:输入信号VIN接到开关S1d的一端，开关S1d的另一端接到采样电容Cs的一端，同时接到开关S2d的一端，开关S2d的另一端接到共模电压VCM上，采样电容Cs的另一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，跨导运算放大器OTA的反相输入端接到地电位;开关S1的一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，另一端接到跨导运算放大器OTA的输出端，开关S2的一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，另一端接到积分电容Cint的一端，积分电容Cint的另一端接到跨导运算放大器OTA的输出端。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：
本实用新型红外热电堆传感器的读出电路，读出电路的前端为斩波-稳定结构的仪表放大器，采用双通路结构有效地消除电路的失调电压及1/f噪声的影响。读出电路的后端为增量式Sigma-Delta模数转换器，利用自归零技术来抑制失调电压及1/f噪声。通过对各个模块的精心设计，有效消除整体电路的误差，从而提高读出电路精度。
附图说明
图1是本实用新型红外热电堆传感器读出电路的系统框图；
图2是本实用新型斩波-稳定结构的仪表放大器的电路示意图；
图3是本实用新型增量式Sigma-Delta模数转换器的电路示意图；
图4是本实用新型采用自归零技术积分器的电路示意图；
图中：1-红外热电堆传感器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。
请参照图1，本实用新型提供一种高性能的红外热电堆传感器的读出电路，所述读出电路包括斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA、增益可调电路VGM、缓冲器Buffer和高精度的增量式Sigma-Delta模数转换器IADC；所述斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端连接红外热电堆传感器的输出端；所述斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端与缓冲器Buffer的输入端相连；所述增益可调电路VGM的一端与斩波-稳定结构的斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端相连，另一端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端相连；所述缓冲器Buffer的输出端与高精度的增量式Sigma-Delta模数转换器IADC的输入端相连。
本实施例中，红外热电堆传感器1将所吸收被测物体的热辐射转化成电压信号VTP，电压信号VTP以差分的形式输入到斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA；同时斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA加入了增益可调电路VGM，使得斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的闭环增益可调，增益可调电路VGM以50倍为步长从50倍到300倍共设计了6档的闭环增益值，如此可以针对不同量级的输入信号采用不同的增益档位，有利于提高读出电路的灵敏度。斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA后面加入缓冲器Buffer进行阻抗匹配防止前后端电路相互干扰，从而降低读出电路的性能。读出电路的后端是一个高精度的增量式Sigma-Delta模数转换器IADC，该增量式Sigma-Delta模数转换器IADC具备较高的信噪比和有效位数(大于16bit)，并且采用自归零技术，使得增量式Sigma-Delta模数转换器IADC具备更小的失调电压和误差。
本实施例中，斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的电路示意图如图2所示，斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA采用了双通路结构：即低增益高频通路HPF和高增益低频通路LPF。低增益高频通路HPF中斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端VI_N和VI_P与跨导运算放大器OTA1的输入端相连，跨导运算放大器OTA1的输出端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端VO_IAN和VO_IAP相连。高增益低频通路LPF中斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端VI_N和VI_P与斩波器CH1的输入端相连，斩波器CH1的输出端与跨导运算放大器OTA2的输入端相连，跨导运算放大器OTA2的输出端与斩波器CH2的输入端相连，斩波器CH2的输出端于陷波滤波器SC-notch的输入端相连，陷波滤波器SC-notch的输出端与跨导运算放大器OTA3的输入端相连，跨导运算放大器OTA3的输出端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端VO_IAN和VO_IAP相连。
在斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA中，低增益高频通路HPF由跨导运算放大器OTA1组成，高增益低频通路LPF由跨导运算放大器OTA2、陷波滤波器SC-notch和跨导运算放大器OTA3组成。高增益低频通路LPF中的跨导运算放大器OTA2采用斩波-稳定结构，通过两个斩波器CH1，CH2将跨导运算放大器OTA2的失调电压VOS2和1/f噪声调制到斩波频率fch处，但与此同时会产生一定幅度的纹波。斩波器CH2后面接入一个陷波滤波器SC-notch对前级产生的纹波进行滤除以减小整体电路的纹波大小。所以，电路的失调电压、1/f噪声和增益精度由高增益低频通路LPF决定。但是由于陷波滤波器SC-notch引入了额外的极点，导致高增益低频通路LPF不稳定。因此，低增益高频通路HPF需要提供足够的相位裕度以保证整个斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的稳定性。
在本实施例中，增量式Sigma-Delta模数转换器IADC的电路示意图如图3所示。增量式Sigma-Delta模数转换器IADC的输入信号VIN与增益块b1和增益块a1的输入端相连，增益块b1的输出端与增益块b2的输出端通过加法器ADD1相加，加法器ADD1的输出端与第一个积分器Int1的输入端相连，第一个积分器Int1的输出端与增益块c和增益块a2的输入端相连，增益块c的输出端与第二个积分器Int2的输入端相连，第二个积分器Int2的输出端与增益块a3的输入端相连，增益块a3的输出端，同时增益块a1和增益块a2的输出端通过加法器ADD2相加，加法器ADD2的输出端与量化器Quantizer的输入端相连，量化器Quantizer的输出端与数字抽取滤波器Decimation Filter的输入端，同时与增益块b2的输入端相连。数字抽取滤波器Decimation Filter的输出端与降采样模块M的输入端相连，降采样模块M的输出端得到数字信号Dout。
增量式Sigma-Delta模数转换器IADC采用二阶积分器链前馈结构(CIFF)，工作在离散模式，当增量式Sigma-Delta模数转换器IADC完成一次转换后，电路复位信号Reset有效，对增量式Sigma-Delta模数转换器IADC进行复位，使得电路进入休眠状态以节约功耗。为了改善传统Sigma-Delta模数转换器结构失调电压较大的缺点，增量式Sigma-Delta模数转换器IADC的积分器采用自归零技术。
在本实施例中，采用自归零技术积分器的电路示意图如图4所示。积分器的输入信号VIN接到开关S1d的一端，开关S1d的另一端接到采样电容Cs的一端，同时接到开关S2d的一端，开关S2d的另一端接到共模电压VCM上，采样电容Cs的另一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，跨导运算放大器OTA的反相输入端接到地电位。开关S1的一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，另一端接到跨导运算放大器OTA的输出端，开关S2的一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，另一端接到积分电容Cint的一端，积分电容Cint的另一端接到跨导运算放大器OTA的输出端。
开关S1和开关S2由一对非交叠时钟控制，开关S1d和开关S2d的控制时钟是开关S1和开关S2控制时钟的延时时钟。当开关S1和开关S1d闭合时，开关S2和开关S2d断开，此时输入信号VIN被采样到采样电容Cs上，跨导运算放大器OTA接成了单位增益反馈结构，积分器处于自归零状态。当开关S2和开关S2d闭合时，开关S1和开关S1d断开，此时跨导运算放大器OTA构成一个积分器，共模信号VCM与输入信号VIN相加并被积分，积分器处于积分状态。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述读出电路包括仪表放大器CSIA、增益可调电路VGM、缓冲器Buffer和Sigma-Delta模数转换器IADC；所述仪表放大器CSIA的输入端连接红外热电堆传感器的输出端；所述仪表放大器CSIA的输出端与缓冲器Buffer的输入端相连；所述增益可调电路VGM的一端与仪表放大器CSIA的输入端相连，另一端与仪表放大器CSIA的输出端相连；所述缓冲器Buffer的输出端与Sigma-Delta模数转换器IADC的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述仪表放大器CSIA为斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA，采用双通路结构，包括低增益高频通路HPF和高增益低频通路LPF。
3.根据权利要求2所述的高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述低增益高频通路HPF中斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端VI_N和VI_P与跨导运算放大器OTA1的输入端相连，跨导运算放大器OTA1的输出端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端VO_IAN和VO_IAP相连。
4.根据权利要求2所述的高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述高增益低频通路LPF中斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输入端VI_N和VI_P与斩波器CH1的输入端相连，斩波器CH1的输出端与跨导运算放大器OTA2的输入端相连，跨导运算放大器OTA2的输出端与斩波器CH2的输入端相连，斩波器CH2的输出端于陷波滤波器SC-notch的输入端相连，陷波滤波器SC-notch的输出端与跨导运算放大器OTA3的输入端相连，跨导运算放大器OTA3的输出端与斩波-稳定结构的仪表放大器CSIA的输出端VO_IAN和VO_IAP相连。
5.根据权利要求1所述的高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述Sigma-Delta模数转换器IADC为增量式Sigma-Delta模数转换器IADC，具体为，输入信号VIN与增益块b1和增益块a1的输入端相连，增益块b1的输出端与增益块b2的输出端通过加法器ADD1相加，加法器ADD1的输出端与第一个积分器Int1的输入端相连，第一个积分器Int1的输出端与增益块c和增益块a2的输入端相连，增益块c的输出端与第二个积分器Int2的输入端相连，第二个积分器Int2的输出端与增益块a3的输入端相连，增益块a3的输出端，同时增益块a1和增益块a2的输出端通过加法器ADD2相加，加法器ADD2的输出端与量化器Quantizer的输入端相连，量化器Quantizer的输出端与数字抽取滤波器DecimationFilter的输入端，同时与增益块b2的输入端相连；数字抽取滤波器Decimation Filter的输出端与降采样模块M的输入端相连，降采样模块M的输出端得到数字信号Dout。
6.根据权利要求5所述的高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述第一积分器Int1和第二积分器Int2均采用自归零技术积分器。
7.根据权利要求6所述的高性能的红外热电堆传感器的读出电路，其特征在于：所述采用自归零技术积分器具体为:输入信号VIN接到开关S1d的一端，开关S1d的另一端接到采样电容Cs的一端，同时接到开关S2d的一端，开关S2d的另一端接到共模电压VCM上，采样电容Cs的另一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，跨导运算放大器OTA的反相输入端接到地电位;开关S1的一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，另一端接到跨导运算放大器OTA的输出端，开关S2的一端接到跨导运算放大器OTA的同相输入端，另一端接到积分电容Cint的一端，积分电容Cint的另一端接到跨导运算放大器OTA的输出端。
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