專利名稱：高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于工業(yè)儀器儀表設(shè)計領(lǐng)域，具體地指一種高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對極微弱直流差或和值信號的放大，具有很高的共模抑制比和極低的噪聲性能。
背景技術(shù)：
在工業(yè)儀器儀表設(shè)計領(lǐng)域，經(jīng)常需要測量兩個微弱電壓的差值或者和值，以求得電壓的導(dǎo)數(shù)或者二階導(dǎo)數(shù)。針對這種需求，常見的有如下兩種處理方式一、模擬處理方式。在此種方式下，根據(jù)兩個信號源的共模電壓是否相同，差模電壓極性的不同有多種實(shí)現(xiàn)方式，(由于求差放大器與其中一個電壓源極性反轉(zhuǎn)時的求和放大器等效，為簡便，下面只就求和放大器進(jìn)行說明。)最具有普遍意義的實(shí)現(xiàn)方式如下兩個信號首先分別由具有高共模抑制比的低噪音儀表放大器進(jìn)行前置放大，去除共模噪聲的影響，把信號放大到足夠的幅度，并進(jìn)行必要的極性轉(zhuǎn)換。接著，放大后的差模信號輸入后級進(jìn)行運(yùn)算處理，該運(yùn)算處理一般可由運(yùn)算放大電路接成差分放大電路實(shí)現(xiàn)。二、數(shù)字處理方式。根據(jù)信號源的共模電壓和差模電壓的極性的不同，該處理方式與模擬處理方式的前端處理方式類似，差別在于后級的處理方式。在該方式下，兩路經(jīng)前置放大后的差模信號由ADC分別進(jìn)行數(shù)字化，然后由MCU進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算操作完成對信號的處理。在如上的兩種常用解決方案中，主要存在如下缺點(diǎn)I.很難對極微弱的直流信號進(jìn)行精確的處理，其原因如下a.不同的前置放大器存在不同直流偏移和漂移，會造成測量值的偏移。雖然可以通過相關(guān)的外圍電路去除，但隨著時間和溫度的推移，其偏移值會發(fā)生變化，需要周期性的進(jìn)行置零操作。b.常規(guī)前置放大器的1/f噪音的影響也會造成測量值的緩慢漂移，此種情況和直流漂移類似。c.前置放大器的增益很難做到精確一致，使得測量值出現(xiàn)非線性誤差。2.較難提供非常高的共模抑制比，使得在高共模噪聲環(huán)境下的應(yīng)用較難實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為克服上述常規(guī)處理方式的缺點(diǎn)，設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對極微弱直流信號差或和值的放大，并且具有很高的共模抑制比和極低的噪聲性能的一種高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)方案本實(shí)用新型的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置包括兩個信號源的信號輸入電路、信號處理單元以及時鐘電路，兩個信號源的信號輸入電路采用兩個電容耦合輸入電路，兩個耦合電容Cl、C2的兩端分別通過由時鐘電路的 CLK控制的第一到第四的模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)SW1、SW2和SW3、SW4連接信號源和信號輸出端；兩個輸出信號VCl與VC2串聯(lián)或反串聯(lián)后連接到信號處理單元；信號處理單元包括依次連接的斬波調(diào)制器、交流放大器、斬波解調(diào)器、積分器、反饋回路。所述的斬波調(diào)制器的控制端與時鐘電路的CLK-N連接，斬波解調(diào)器的控制端與時鐘電路的CLK連接，CLK和CLK-N的極性相反。所述斬波調(diào)制器由第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5實(shí)現(xiàn)，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5 的I腳與輸入信號Vi相連，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的2腳和反饋單元的輸出相連，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的公共端3腳與交流放大器的輸入電容C3相連；第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的開關(guān)位置由時鐘電路的CLK-N控制。所述交流放大器包括依次連接的輸入耦合電容C3、高輸入阻抗低噪聲同相放大器 Ul和輸出耦合電容C4、電阻Rl。所述的斬波解調(diào)器由第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6實(shí)現(xiàn)，第六單刀雙擲模擬開關(guān) SW6的I腳與交流放大器的輸出電容C4相連，第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的2腳與地相連， 第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的3腳與積分器的輸入端連接；第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的開關(guān)位置由時鐘電路的CLK控制。所述的積分器由電阻R2，電容C5及運(yùn)算放大器U2組成，積分器的輸出通過電阻 R3、R4分壓連接到斬波調(diào)制器的輸入端，構(gòu)成反饋回路。本實(shí)用新型的有益效果在于本實(shí)用新型在輸入端采用了飛電容技術(shù)。因?yàn)樗谠春秃罄m(xù)電路之間來回?fù)軇右粋€電容器，讓電容電壓分別充電到與輸入差模電壓相等，使得這個電路完全不顧共模輸入信號以實(shí)現(xiàn)一個高的共模抑制比。本實(shí)用新型的信號計算以串聯(lián)兩個耦合電容Cl和C2的電壓來實(shí)現(xiàn)，其電壓分別與2路差模輸入信號電壓相等，消除了 2路放大電路偏移和增益不一致造成的非線性計算誤差。本實(shí)用新型使用交流耦合斬波放大器對信號進(jìn)行放大，消除了直流漂移和Ι/f噪首的影響，提聞了測量精度。

圖I為本實(shí)用新型的電路原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型電路作進(jìn)一步的詳細(xì)描述圖I為本實(shí)用新型的電路原理框圖本實(shí)用新型的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置包括兩個信號源的信號輸入電路I、信號處理單元3以及時鐘電路2。其兩個信號源的信號輸入電路采用兩個電容耦合輸入電路，兩個耦合電容Cl、C2的兩端分別通過由時鐘電路2)CLK控制的第一到第四模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)SW1、SW2和SW3、SW4連接信號源和信號輸出端；兩個輸出信號VCl與 VC2串聯(lián)或反串聯(lián)后連接到信號處理單元；信號處理單元包括依次連接的斬波調(diào)制器3. I、 交流放大器3. 2、斬波解調(diào)器3. 3、積分器3. 4、反饋回路3. 5。所述的斬波調(diào)制器3. I的控制端與時鐘電路2的CLK-N連接，斬波解調(diào)器3. 3的控制端與時鐘電路2的CLK連接，CLK和CLK-N的極性相反。[0026]所述斬波調(diào)制器3. I由第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5實(shí)現(xiàn)，第五單刀雙擲模擬開關(guān) SW5的I腳與輸入信號Vi相連，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的2腳和反饋單元的輸出Vfb 相連，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的公共端3腳與交流放大器3. 2的輸入電容C3相連；第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的開關(guān)位置由時鐘電路2的CLK-N控制。當(dāng)時鐘CLK-N為高電平時，模擬開關(guān)的公共端3腳和I腳導(dǎo)通，當(dāng)時鐘CLK-N為低電平時，模擬開關(guān)的公共端3腳和2腳導(dǎo)通。所述交流放大器3. 2包括依次連接的輸入耦合電容C3、高輸入阻抗低噪聲同相放大器Ul和輸出耦合電容C4、電阻Rl。所述的斬波解調(diào)器3. 3由第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6實(shí)現(xiàn)，第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的I腳與交流放大器3. 2的輸出電容C4相連，第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的2腳與地相連；第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的開關(guān)位置由時鐘電路2的CLK控制。當(dāng)時鐘CLK為高電平時，模擬開關(guān)的公共端3腳和I腳導(dǎo)通，當(dāng)時鐘CLK為低電平時，模擬開關(guān)的公共端 3腳和2腳導(dǎo)通。所述積分器3. 4由電阻R2，電容C5及運(yùn)算放大器U2組成。所述積分器3. 4的輸出通過電阻R3、R4分壓，分壓輸出Vfb連接到斬波調(diào)制器3. I 的一個輸入端，構(gòu)成反饋回路3. 5。所述時鐘電路2可由常規(guī)的時鐘發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)，其輸出時鐘信號CLK和CLKN的極性相反。(當(dāng)時鐘電路2只有一個時鐘信號CLK時，通過交換第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的第I腳和第2腳的位置，并且SW5控制端接入CLK，可以達(dá)到相同的電路效果。)工作原理當(dāng)CLK為高電平時，此時電容耦合輸入電路I中的模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)SW1、SW2、SW3和 SW4的公共端3分別和I腳導(dǎo)通。信號源Vl和V2通過模擬開關(guān)分別向耦合電容Cl和C2 充電。設(shè)信號源內(nèi)阻串聯(lián)模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻與電容C1、C2構(gòu)成的時間常數(shù)與時鐘周期相比足夠小，則在CLK高電平持續(xù)末尾，電容Cl與C2兩端電壓與信號源Vl和V2的差模電壓分別相等。當(dāng)CLK為低電平時，此時電容耦合輸入電路I中的模擬開關(guān)SWl、Sff2, SW3和SW4 的公共端3分別和2腳導(dǎo)通。電容Cl與C2兩端的電壓VCl和VC2相加得到Vi。同時，當(dāng)CLK為低電平時，CLKN為高電平。此時，斬波調(diào)制器3. I的第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的公共端3和I腳相連，電壓Vi呈現(xiàn)給交流放大器3. 2的輸入端。當(dāng)CLK-N 為低電平時，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的公共端3和2腳相連，使得來自于反饋回路3. 5 的反饋電壓Vfb呈現(xiàn)給交流放大器3. 2的輸入端。這樣，當(dāng)CLK-N連續(xù)變化時，一個Vi被斬波后方波信號Vj連接輸入給交流放大器3. 2，實(shí)現(xiàn)了信號的交流調(diào)制。交流調(diào)制后的信號經(jīng)低噪音交流耦合放大器Ul放大后輸入給斬波解調(diào)器3. 3。由于時鐘CLK和CLK-N是相位相反的同步時鐘信號，使得幅度和相位信息可以傳給直流輸出放大器即積分器3. 4。該積分器3. 4把方波信號進(jìn)行積分，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出Vout。Vout在反饋回路被電阻R3和R4分壓，產(chǎn)生反饋信號Vfb，該信號輸入給斬波調(diào)制器3. I作為信號的零參考點(diǎn)。放大器的放大倍數(shù)由電阻R3和R4決定，為1+R3/R4.當(dāng)需要計算2個信號Vl與V2的差值時，輸出電壓VCl與VC2同向串聯(lián)；當(dāng)需要計算2個信號Vl與V2的和值時，VCl與VC2反向串聯(lián)。
權(quán)利要求1.一種高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，包括兩個信號源的信號輸入電路(I)、信號處理單元(3)以及時鐘電路(2)，其特征在于兩個信號源的信號輸入電路采用兩個電容耦合輸入電路，兩個耦合電容Cl、C2的兩端分別通過由時鐘電路(2)的CLK控制的第一到第四模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)SW1、SW2和SW3、SW4連接信號源和信號輸出端；兩個輸出信號VCl與VC2串聯(lián)或反串聯(lián)后連接到信號處理單元；信號處理單元包括依次連接的斬波調(diào)制器(3. I)、交流放大器(3. 2)、斬波解調(diào)器(3. 3)、積分器(3. 4)、反饋回路(3. 5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，其特征在于所述的斬波調(diào)制器(3. I)的控制端與時鐘電路(2)的CLK-N連接，斬波解調(diào)器(3. 3)的控制端與時鐘電路(2)的CLK連接，CLK和CLK-N的極性相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，其特征在于所述斬波調(diào)制器(3. I)由第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5實(shí)現(xiàn)，第五單刀雙擲模擬開關(guān) SW5的I腳與輸入信號Vi相連，第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的2腳和反饋單元的輸出相連， 第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的公共端3腳與交流放大器(3. 2)的輸入電容C3相連；第五單刀雙擲模擬開關(guān)SW5的開關(guān)位置由時鐘電路(2)的CLK-N控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，其特征在于所述交流放大器(3. 2)包括依次連接的輸入耦合電容C3、高輸入阻抗低噪聲同相放大器Ul和輸出耦合電容C4、電阻Rl。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，其特征在于斬波解調(diào)器(3. 3)由第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6實(shí)現(xiàn)，第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的I 腳與交流放大器(3. 2)的輸出電容C4相連，第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的2腳與地相連， 第六單刀雙擲模擬開關(guān)SW6的3腳與積分器(3. 4)的輸入端連接；第六單刀雙擲模擬開關(guān) SW6的開關(guān)位置由時鐘電路⑵的CLK控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，其特征在于所述的積分器(3.4)由電阻R2，電容C5及運(yùn)算放大器U2組成，積分器(3.4)的輸出通過電阻R3、R4分壓連接到斬波調(diào)制器(3. I)的一個輸入端，構(gòu)成反饋回路(3.5)。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種高共模抑制比的極低噪聲直流差或和值放大裝置，包括兩個信號源的信號輸入電路、信號處理單元以及時鐘電路。兩個信號源的信號輸入電路采用兩個電容耦合輸入電路，兩個耦合電容C1、C2的兩端分別通過由時鐘電路的CLK控制的第一到第四的模擬開關(guān)SW1、SW2和SW3、SW4連接信號源和信號輸出端；兩個輸出信號VC1與VC2串聯(lián)或反串聯(lián)后連接到信號處理單元；信號處理單元包括依次連接的斬波調(diào)制器、交流放大器、斬波解調(diào)器、積分器、反饋回路。斬波調(diào)制器的控制端與時鐘電路的CLK-N連接，斬波解調(diào)器的控制端與時鐘電路的CLK連接。所述的積分器的輸出通過電阻R3、R4分壓連接到斬波調(diào)制器的一個輸入端，構(gòu)成反饋回路。
文檔編號H03F1/26GK202353517SQ201120490669
公開日2012年7月25日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者付永前, 王群杰, 程波, 金為武 申請人:武漢海王機(jī)電工程技術(shù)公司