本實用新型涉及傳感器檢測領域，特別是一種應用于電流激勵傳感器的全差分信號調(diào)理電路。

背景技術：

傳感器是一種廣泛應用于各種控制領域的精密傳感設備，例如在航空器領域中，由于航空發(fā)動機中介主軸承故障突出，影響飛行安全，因此需要一種可靠性、魯棒性高，且在足夠領先時間內(nèi)準確發(fā)出預警信號的健康管理設備。

目前，在一些航空發(fā)動機的軸承故障診斷中，大多利用ICP或IEPE加速度傳感器檢測軸承的振動信號，其中，ICP傳感器(integrated circuits piezoelectric)是指內(nèi)置的壓電傳感器，它采用現(xiàn)代集成電路技術將傳統(tǒng)的電荷放大器置于傳感器中，所有高阻抗電路都密封在傳感器內(nèi)，并以低阻抗電壓方式輸出，輸出電壓幅值與加速度成正比。IEPE傳感器(Integral Electronic Piezoelectric)是指一種自帶電量放大器或電壓放大器的加速度傳感器。

無論以哪種傳感器產(chǎn)生的電量是很小的，因此傳感器產(chǎn)生的電信號很容易受到噪聲干擾，而且信號的傳輸路徑相當復雜，中介軸承的振動信號除了要經(jīng)過油膜阻尼外，還要經(jīng)過長距離的機殼傳輸?shù)絺鞲衅?，傳感器的輸出信號也要?jīng)過長距離多路徑的傳輸才能到達采集接收器，傳輸過程中伴隨著非常強烈的干擾，使得信號質(zhì)量明顯降低，而有用的軸承故障信號往往被淹沒在噪聲等信號里面，成為故障診斷的突出難點。為提高信號的質(zhì)量，需要有效地去除噪聲的干擾，現(xiàn)有的技術中普遍采用單端處理技術對傳感器輸出的信號進行處理，由于單端處理技術不能抑制接地噪聲，運算放大器中累積的噪聲會降低信噪比(SNR)性能，從而影響系統(tǒng)設計。即使采用雙運放搭建的差分信號調(diào)理電路，由于需要更多的阻容器件，使得設計變復雜，且由于外部阻容器件的誤差以及芯片內(nèi)部的誤差，很難做到完全平衡。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型克服了上述缺點，提供了一種能夠有效抑制噪聲干擾的應用于電流激勵傳感器的全差分信號調(diào)理電路。

本實用新型解決其技術問題所采取的技術方案是：一種應用于電流激勵傳感器的全差分信號調(diào)理電路，所述傳感器具有兩個輸出端，分別為信號輸出端和基準輸出端，所述全差分信號調(diào)理電路包括依次連接的信號接收單元、可編程增益單元、抗混疊濾波單元和模數(shù)轉換單元，

所述信號接收單元，用于接收所述傳感器兩個輸出端傳來的信號，并隔離直流分量后輸出交流信號；

所述可編程增益單元，用于將所述信號接收單元輸出的交流信號，經(jīng)放大或縮小后以差分信號輸出；

所述抗混疊濾波單元，用于接收所述可編程增益單元輸出的信號，濾除高頻干擾信號后以差分信號輸出；

所述模數(shù)轉換單元，用于接收所述抗混疊濾波單元輸出的差分信號，并轉換為數(shù)字信號輸出。

所述信號接收單元可包括一個對地電阻，用于將所述傳感器的基準輸出端和信號輸出端輸出的信號同時疊加共模電壓，為可編程增益單元的儀表放大器提供工作條件，所述對地電阻的一端接地，另一端連接在所述傳感器的基準輸出端。

所述信號接收單元還可包括一個耦合電容，所述耦合電容串聯(lián)在所述傳感器的一個輸出端與所述可編程增益單元的一個輸入端之間的通路上。

所述耦合電容可以有兩個，分別串聯(lián)在所述傳感器的兩個輸出端與所述可編程增益單元的兩個輸入端之間的兩條通路上。

所述可編程增益單元可采用儀表放大器。

所述抗混疊濾波單元可采用由兩個2階多重反饋濾波電路構成的巴特沃斯低通濾波器。

本實用新型整體信號流采用全差分方式，即各單元均采用差分輸入，差分輸出的方式對信號進行處理和傳輸，因此在任何一部分受到噪聲干擾都可以得到有效的抑制。采用本實用新型提供的全差分調(diào)理電路，能夠增加對外部噪聲的抗擾度，從而將動態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波。

附圖說明

圖1為本實用新型的原理框圖；

圖2為本實用新型中加速度傳感器及信號接收單元的電路原理圖；

圖3為本實用新型中可編程增益單元的電路原理圖；

圖4為本實用新型中抗混疊濾波單元中第一個2階多重反饋濾波器的電路原理圖；

圖5為本實用新型中所述模數(shù)轉換單元的電路原理圖。

具體實施方式

本實用新型要求保護的一種全差分信號調(diào)理電路，可以應用于調(diào)理ICP或IEPE等加速度傳感器的輸出信號，也可以用于調(diào)理其他需要電流激勵傳感器的輸出信號，比如說RTD溫度傳感器。如圖1中所示，為本實用新型的原理框圖，所述加速度傳感器具有兩個輸出端，分別為信號輸出端和基準輸出端，本實用新型包括依次連接的信號接收單元、可編程增益單元、抗混疊濾波單元和模數(shù)轉換單元。

所述信號接收單元，用于接收所述加速度傳感器兩個輸出端傳來的信號，并隔離直流分量后輸出交流信號；

所述可編程增益單元，用于將所述信號接收單元輸出的交流信號，經(jīng)放大或縮小后以差分信號輸出；

所述抗混疊濾波單元，用于接收所述可編程增益單元輸出的信號，濾除高頻干擾信號后以差分信號輸出；

所述模數(shù)轉換單元，用于接收所述抗混疊濾波單元輸出的差分信號，并轉換為數(shù)字信號輸出。

圖2為本實用新型中加速度傳感器及信號接收單元的電路原理圖，所述信號接收單元包括對地電阻R18和耦合電容C19。所述加速度傳感器J1以ICP傳感器為例，其具有兩個輸出端，分別為信號輸出端和基準輸出端，所述對地電阻R18的一端接地，另一端連接在所述加速度傳感器J1的基準輸出端，由于所述加速度傳感器J1需要4mA的激勵電流源，激勵電流經(jīng)過電阻R18形成共模電壓信號。

如果將加速度傳感器J1的基準輸出端直接接地，基準輸出端的噪聲信號會被大地吸收，這樣的話由于地信號是0V不變，而信號輸出端有用信號及噪聲信號進入后面的可編程增益單元后都將被放大，因此，通過電阻R18的一端接地，另一端連接在所述加速度傳感器的基準輸出端，使得基準輸出端輸出的信號與信號輸出端輸出的信號同時疊加了R18乘以4mA的共模電壓信號，為后級儀表放大器處理提供必要條件，此共模電壓最終被可編程增益單元有效抑制。

所述信號接收單元還包括耦合電容C19，所述耦合電容C19串聯(lián)在連接所述加速度傳感器J1的信號輸出端與可編程增益單元的輸入端之間的信號通路上。由于加速度傳感器J1的輸出信號是疊加在直流電壓上的，經(jīng)過所述耦合電容C19去除直流分量，得到需要的交流信號。此外，也可以在所述加速度傳感器J1的兩個輸出端都設置耦合電容，即將兩個耦合電容，分別串聯(lián)在所述加速度傳感器J1的兩個輸出端與可編程增益單元的兩個輸入端之間的兩條通路上(圖中未標示)，也能夠更好的去除兩條通路上的直流分量。

圖3為本實用新型中可編程增益單元的電路原理圖，所述可編程增益單元采用了儀表放大器U7，能夠將輸入的交流信號放大或縮小至所述模數(shù)轉換單元的量程范圍，即將所述信號接收單元輸出的經(jīng)過耦合后的信號輸入所述儀表放大器U7，所述可編程儀表放大器U7的前端通過電阻R1、R2、電容C1、C2構成無源RC低通濾波器，將傳感器J1傳來的兩路信號濾去高頻干擾后，通過可編程儀表放大器U7的增益控制IO管腳進行放大或縮小，由于從傳感器J1輸出的信號要經(jīng)過長距離的傳輸才能到達信號接收單元，傳輸路徑上的噪聲信號會同時作用在連接傳感器J1信號輸出端和基準輸出端的兩根輸出信號線上，由于儀表放大器U7對共模信號有很強的抑制作用(寬頻范圍內(nèi)提供大于110dB)使得噪聲信號對輸出影響降到最低，可編程儀表放大器除了具有放大衰減信號，零漂移，高輸入阻抗，極低1/f噪聲等特性外，還提供了完全差分，軌到軌的輸出。這樣對整個鏈路的全差分調(diào)理提供了必要條件。

所述抗混疊濾波單元采用由兩個2階多重反饋構成的巴特沃斯低通濾波器。如圖4中所示，為第一個2階多重反饋濾波器的電路原理圖，其由全差分運算放大器U2及電阻R27～R32反饋電容C23～C25構成，并根據(jù)需要的截止頻率選擇合適的高精度電阻電容，所述兩個2階多重反饋濾波器結構相同(圖中省略)，且順序連接，構成巴特沃斯低通濾波器，其輸出仍為兩路全差分信號，從而使可能產(chǎn)生混疊的高頻干擾信號得到有效的抑制。

所述模數(shù)轉換單元如圖5中所示，主要由具有全差分模擬輸入端的模數(shù)轉換器U11構成，經(jīng)過所述抗混疊濾波單元輸出的兩路全差分信號，接入到模數(shù)轉換器U11的全差分模擬輸入端，轉換為數(shù)字信號后，以數(shù)字總線SPI的形式輸出，其輸出的數(shù)字信號傳輸?shù)紺PU中，由CPU進行更多的信號處理等操作。由于模數(shù)轉換器U11采用外部超高精度的2.5V電壓基準，為了得到更大的動態(tài)范圍，可以將可編程增益單元及抗混疊濾波單元的全差分運算放大器的共模電壓(OCM)端口統(tǒng)一連接到2.5V的基準上。

根據(jù)上述描述可知，本實用新型整體信號流全部采用全差分方式，即各單元均采用差分輸入，差分輸出的方式對信號進行處理和傳輸，在任何一部分受到噪聲干擾都可以得到有效的抑制。采用本實用新型提供的全差分調(diào)理電路，能夠增加對外部噪聲的抗擾度，從而將動態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波，如果應用于航空發(fā)動機中，能夠及時有效的從噪聲信號中檢測出中介主軸承的故障信號，從而進行及時的維護，避免更大故障的發(fā)生，因此能夠顯著降低維修保障費用、提高戰(zhàn)備完好率和任務成功率。

以上對本實用新型所提供的應用于電流激勵傳感器的全差分信號調(diào)理電路進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本實用新型的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應理解為對本實用新型的限制。