CN211266870U - 一种新型积分器及信号处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型积分器，包括积分电感、积分电阻及第二运算放大器；外部信号源通过所述积分电感连接到所述运算放大器的反相输入端；所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻与所述新型积分器的输出端相连。本实用新型利用电感的伏安特性关系，和所述第二运算放大器组成积分器，由于电感不积累电荷，在直流状态下相当于短路，可以在很大程度上消除积分漂移和直流偏移的现象，从而大大降低了积分器因长时间工作导致停工的问题，此外，也避免了现有技术中的RC积分器电容泄漏对积分电路输出电压的影响，提升了输出信号的准确度。本实用新型同时还提供了一种具有上述有益效果的信号处理设备。

Description

一种新型积分器及信号处理设备

技术领域

本实用新型涉及信号处理领域，特别是涉及一种新型积分器及信号处理设备。

背景技术

在信号处理系统的设计过程中经常会碰到信号积分的处理，主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。

积分器是使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路。实现信号的积分有两种形式，即用数字的方法和模拟的方法。数字的方法需要将信号数字化，然后通过进行数字处理。数字的方法基本不受环境的影响，且精度较高。但是却需要较复杂的变换过程，且精度要求越高，硬件开销越大，设计难度成倍提高。模拟的方法则是通过电路来处理，其工作特性依赖于所用器件的温漂和时漂特性。从另一角度来说，积分电路分为无源积分电路和有源积分电路两种，它们各有特点。无源积分电路设计简单，成本低廉，然而性能不足，不能满足现有大多数情况的需要，有源积分电路性能优良，结构稍稍复杂，RC电路为其构成的重要结构。

现有的有源RC积分器，理论上可以实现一定频率范围和一定幅值范围的积分运算，但由于运算放大器固有的失调电流、失调电压、偏置电流及温度漂移等参数的影响，当输入为零时，输出电压不为零，即存在“积分漂移”现象。只要这种失调和温漂存在，不论它多么小，经过足够长的时间后.都将使积分器的输出达到饱和，使其无法正常工作。虽然有一些方法可以减少积分漂移带来的误差，但对于长时间工作的积分器而言，问题比较严重，积分器可能无法正常工作。因此，如何解决积分器长时间工作后因积分漂移导致的输出饱和而停工的现象，是本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种新型积分器及信号处理设备，以解决现有技术中由于积分漂移导致的积分器饱和，无法正常工作的情况。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种新型积分器，包括积分电感、积分电阻及第二运算放大器；

外部信号源通过所述积分电感连接到所述运算放大器的反相输入端；

所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻与所述新型积分器的输出端相连。

可选地，在所述的新型积分器中，所述新型积分器还包括平衡电阻；

所述运算放大器通过所述平衡电阻接入电子系统的公共端。

可选地，在所述的新型积分器中，所述平衡电阻与所述积分电阻阻值相同。

可选地，在所述的新型积分器中，所述新型积分器还包括隔离处理器；所述隔离处理器包括第一运算放大器；

所述隔离处理器为电压跟随器；

所述积分电感设置于所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的反相输入端之间。

可选地，在所述的新型积分器中，所述隔离处理器还包括第一反馈电阻；

所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第一反馈电阻连接至所述第一运算放大器的输出端。

可选地，在所述的新型积分器中，所述新型积分器还包括缓冲处理器；所述缓冲处理器包括第三运算放大器

所述缓冲处理器为电压跟随器；

所述第二运算放大器通过所述缓冲处理器将处理过的信号输出至外部电路。

可选地，在所述的新型积分器中，所述缓冲处理器还包括第三反馈电阻；

所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第三反馈电阻连接至所述第三运算放大器的输出端。

可选地，在所述的新型积分器中，所述第一运算放大器为OP37放大器。

一种信号处理设备，所述信号处理设备包括如上述任一种所述的新型积分器。

本实用新型所提供的新型积分器，包括积分电感、积分电阻及第二运算放大器；外部信号源通过所述积分电感连接到所述运算放大器的反相输入端；所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻与所述新型积分器的输出端相连。本实用新型利用电感的伏安特性关系，和所述第二运算放大器组成积分器，由于所述积分电感不积累电荷，在直流状态下相当于短路，可以在很大程度上消除积分漂移和直流偏移的现象，从而大大降低了积分器因长时间工作导致停工的问题，此外，也避免了现有技术中的RC积分器电容泄漏对积分电路输出电压的影响，提升了输出信号的准确度，同时也增加了器件的使用寿命及工作可靠性。本实用新型同时还提供了一种具有上述有益效果的信号处理设备。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的新型积分器的一种具体实施方式的电路示意图；

图2为本实用新型提供的新型积分器的另一种具体实施方式的电路示意图；

图3为本实用新型提供的新型积分器的又一种具体实施方式的电路示意图。

具体实施方式

首先详述现有的有源RC积分器的缺点，在理想情况下，有源RC积分器的输入输出信号是一对严格成比例的积分信号。然而在实际应用中，信号源、运算放大器、电容等均非理想元件。由于存在失调电压、失调电流等等因素的影响，输入信号必然含有直流分量。这些直流分量在电容上不断累积，无论这个直流分量有多小，经过足够时间的积累，最后都会使运算放大器饱和，无法工作。抑制积分漂移的办法有这样几种：加大积分电容、选用失调和温漂小的运算放大器、使正反两相输入端电阻相等、并联电阻等等。这些方法对于长期工作的运放放大器而言，效果都不理想。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种新型积分器，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括积分电感L1、积分电阻R1及第二运算放大器U2；

外部信号源通过所述积分电感L1连接到所述运算放大器的反相输入端；

所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻R1与所述新型积分器的输出端相连。

作为一种优选实施方式，所述新型积分器还包括平衡电阻R3；所述运算放大器通过所述平衡电阻R3接入电子系统的公共端。更进一步地，所述平衡电阻R3与所述积分电阻R1阻值相同。

本实用新型提供的所述新型积分器，为现有的有源RC积分器基础上的一种改进，以罗氏线圈作为外部信号源举例，罗氏线圈是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈。其输出信号是电流对时间的微分。通过一个对输出的电压信号进行积分的电路，就可以真实还原输入电流。该线圈具有电流可实时测量、响应速度快、不会饱和的特点，适用交流尤其是脉冲大电流的测量。

电位器R6和电阻R7、R8组成调零电路，当输入信号为零时，可以调节R6使得输出信号接近为零，下文中的R2与R4、R5这一组及R9与R10、R11这一组的作用与之相同，均为调零。VCC和VEE是运算放大器工作所需的正负双电源。

所述第一运算放大器U1为OP37放大器。OP37是一款低噪声、精密、高速运算放大器，压摆率为17V/μs，增益带宽积提高到63MHz。OP37不仅具有OP07的低失调电压和漂移特性，而且速度更高、噪声更低。失调电压低至25μV，最大漂移为0.6μV/℃，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。极低噪声(10Hz时en＝3.5nV/√Hz)、低1/f噪声转折频率(2.7Hz)以及高增益(180万)，能够使低电平信号得到精确的高增益放大。利用偏置电流消除电路，OP37可实现±10nA的低输入偏置电流和7nA的失调电流。在整个军用温度范围内，此电路通常可以将I_B和I_OS分别保持在±20nA和15nA。输出级具有良好的负载驱动能力。当然，OP37可用OP07、OP27等型号的运算放大器代替，此类运放是失调电压小和失调电流小的高精度运放，但后者带宽要窄一些，带来的积分误差要大一些。

所述积分电感L1为1毫亨，积分电阻R1为100欧姆，当然，为了保证积分效果，积分常数应适当增大。积分电感L1适当取较大值，如10毫亨，积分电阻R1适当取较小值，如50欧姆，也可根据实际情况做相应调整。

本实用新型所提供的新型积分器，包括积分电感L1、积分电阻R1及第二运算放大器U2；外部信号源通过所述积分电感L1连接到所述运算放大器的反相输入端；所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻R1与所述新型积分器的输出端相连。本实用新型利用电感的伏安特性关系，和所述第二运算放大器U2组成积分器，由于所述积分电感L1不积累电荷，在直流状态下相当于短路，可以在很大程度上消除积分漂移和直流偏移的现象，从而大大降低了积分器因长时间工作导致停工的问题，此外，也避免了现有技术中的RC积分器电容泄漏对积分电路输出电压的影响，提升了输出信号的准确度，同时也增加了器件的使用寿命及工作可靠性。

在具体实施方式一的基础上，进一步对所述外部信号源发送的待处理信号做预处理，得到具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，包括积分电感L1、积分电阻R1及第二运算放大器U2；

外部信号源通过所述积分电感L1连接到所述运算放大器的反相输入端；

所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻R1与所述新型积分器的输出端相连；

所述新型积分器还包括隔离处理器100；所述隔离处理器100包括第一运算放大器U1；

所述隔离处理器100为电压跟随器；

所述积分电感L1设置于所述第一运算放大器U1的输出端与所述第二运算放大器U2的反相输入端之间。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式为所述新型积分器增设了所述隔离处理器100，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

本具体实施方式中为所述新型积分器增设了所述隔离处理器100，所述隔离处理器100用于隔离前级电路，减少感性负载对于前级电路带来的波形畸变，减少了前级电路的波动对所述新型积分器的影响，保证了信号处理的准确性。

更进一步地，所述隔离处理器100还包括第一反馈电阻R12；所述第一运算放大器U1的反相输入端通过所述第一反馈电阻R12连接至所述第一运算放大器U1的输出端，当信号源内阻较大时，增加此反馈电阻，可以减少输出失调电压，提高精度。

图2中的IO1为所述前级电路与所述新型积分器的信号接口。

在具体实施方式二的基础上，进一步对积分后的信号做处理，得到具体实施方式三，其结构示意图如图3所示，包括积分电感L1、积分电阻R1及第二运算放大器U2；

外部信号源通过所述积分电感L1连接到所述运算放大器的反相输入端；

所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻R1与所述新型积分器的输出端相连；

所述新型积分器还包括隔离处理器100；所述隔离处理器100包括第一运算放大器U1；

所述隔离处理器100为电压跟随器；

所述积分电感L1设置于所述第一运算放大器U1的输出端与所述第二运算放大器U2的反相输入端之间；

所述新型积分器还包括缓冲处理器200；所述缓冲处理器200包括第三运算放大器U3

所述缓冲处理器200为电压跟随器；

所述第二运算放大器通过所述缓冲处理器200将处理过的信号输出至外部电路。

本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式为所述新型积分器增设了所述缓冲处理器200，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。

本具体实施方式中为所述新型积分器增设了所述缓冲处理器200，所述缓冲处理器200用于实现阻抗匹配，同时减少了积分电路的负担，减少了后级电路的波动对所述新型积分器的影响，保证了信号处理的准确性。

更进一步地，所述缓冲处理器200还包括第三反馈电阻R13；所述第三运算放大器U3的反相输入端通过所述第三反馈电阻R13连接至所述第三运算放大器U3的输出端，当信号源内阻较大时，增加此反馈电阻，可以减少输出失调电压，提高精度。

图3中的IO2为所述后级电路与所述新型积分器的信号接口。

本实用新型同时还提供了一种具有上述有益效果的信号处理设备，所述信号处理设备包括如上述任一种所述的新型积分器。本实用新型所提供的新型积分器，包括积分电感L1、积分电阻R1及第二运算放大器U2；外部信号源通过所述积分电感L1连接到所述运算放大器的反相输入端；所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻R1与所述新型积分器的输出端相连。本实用新型利用电感的伏安特性关系，和所述第二运算放大器U2组成积分器，由于所述积分电感L1不积累电荷，在直流状态下相当于短路，可以在很大程度上消除积分漂移和直流偏移的现象，从而大大降低了积分器因长时间工作导致停工的问题，此外，也避免了现有技术中的RC积分器电容泄漏对积分电路输出电压的影响，提升了输出信号的准确度，同时也增加了器件的使用寿命及工作可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本实用新型所提供的新型积分器及信号处理设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种新型积分器，其特征在于，包括积分电感、积分电阻及第二运算放大器；

外部信号源通过所述积分电感连接到所述运算放大器的反相输入端；

所述新型积分器的反相输入端通过所述积分电阻与所述新型积分器的输出端相连。

2.如权利要求1所述的新型积分器，其特征在于，所述新型积分器还包括平衡电阻；

所述运算放大器通过所述平衡电阻接入电子系统的公共端。

3.如权利要求2所述的新型积分器，其特征在于，所述平衡电阻与所述积分电阻阻值相同。

4.如权利要求1所述的新型积分器，其特征在于，所述新型积分器还包括隔离处理器；所述隔离处理器包括第一运算放大器；

所述隔离处理器为电压跟随器；

所述积分电感设置于所述第一运算放大器的输出端与所述第二运算放大器的反相输入端之间。

5.如权利要求4所述的新型积分器，其特征在于，所述隔离处理器还包括第一反馈电阻；

所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第一反馈电阻连接至所述第一运算放大器的输出端。

6.如权利要求1所述的新型积分器，其特征在于，所述新型积分器还包括缓冲处理器；所述缓冲处理器包括第三运算放大器

所述缓冲处理器为电压跟随器；

所述第二运算放大器通过所述缓冲处理器将处理过的信号输出至外部电路。

7.如权利要求6所述的新型积分器，其特征在于，所述缓冲处理器还包括第三反馈电阻；

所述第三运算放大器的反相输入端通过所述第三反馈电阻连接至所述第三运算放大器的输出端。

8.如权利要求4所述的新型积分器，其特征在于，所述第一运算放大器为OP37放大器。

9.一种信号处理设备，其特征在于，所述信号处理设备包括如权利要求1至8任一项所述的新型积分器。

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