應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及傳感器檢測領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(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(zhuǎn)換單元，所述信號接收單元，用于接收所述傳感器的輸出信號并隔離直流分量后輸出；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，用于濾除高頻干擾信號后以差分信號輸出；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，用于接收的差分信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。本發(fā)明整體信號流全部采用全差分方式，在信號傳輸路徑上任何一部分受到噪聲干擾都可以得到有效的抑制，而且能夠增加對外部噪聲的抗擾度，從而將動(dòng)態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波。
【專利說明】
應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及傳感器檢測領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器是一種廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域的精密傳感設(shè)備，例如在航空器領(lǐng)域中，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(lǐng)先時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警信號的健康管理設(shè)備。
[0003]目前，在一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)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(shù)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。
[0004]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(dāng)復(fù)雜，中介軸承的振動(dòng)信號除了要經(jīng)過油膜阻尼外，還要經(jīng)過長距離的機(jī)殼傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑐鞲衅鞯妮敵鲂盘栆惨?jīng)過長距離多路徑的傳輸才能到達(dá)采集接收器，傳輸過程中伴隨著非常強(qiáng)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(diǎn)。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(shù)中普遍采用單端處理技術(shù)對傳感器輸出的信號進(jìn)行處理，由于單端處理技術(shù)不能抑制接地噪聲，運(yùn)算放大器中累積的噪聲會(huì)降低信噪比(SNR)性能，從而影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)。即使采用雙運(yùn)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(shè)計(jì)變復(fù)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明克服了上述缺點(diǎn)，提供了一種能夠有效抑制噪聲干擾的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:一種應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，所述傳感器具有兩個(gè)輸出端，分別為信號輸出端和基準(zhǔn)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(zhuǎn)換單元，
[0007]所述信號接收單元，用于接收所述傳感器兩個(gè)輸出端傳來的信號，并隔離直流分量后輸出交流信號；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]所述模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。
[0011]所述信號接收單元可包括一個(gè)對地電阻，用于將所述傳感器的基準(zhǔn)輸出端和信號輸出端輸出的信號同時(shí)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(zhǔn)輸出端。
[0012]所述信號接收單元還可包括一個(gè)耦合電容，所述耦合電容串聯(lián)在所述傳感器的一個(gè)輸出端與所述可編程增益單元的一個(gè)輸入端之間的通路上。
[0013]所述耦合電容可以有兩個(gè)，分別串聯(lián)在所述傳感器的兩個(gè)輸出端與所述可編程增益單元的兩個(gè)輸入端之間的兩條通路上。
[0014]所述可編程增益單元可采用儀表放大器。
[0015]所述抗混疊濾波單元可采用由兩個(gè)2階多重反饋濾波電路構(gòu)成的巴特沃斯低通濾波器。
[0016]本發(fā)明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(jìn)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。采用本發(fā)明提供的全差分調(diào)理電路，能夠增加對外部噪聲的抗擾度，從而將動(dòng)態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的原理框圖；
[0018]圖2為本發(fā)明中加速度傳感器及信號接收單元的電路原理圖；
[0019]圖3為本發(fā)明中可編程增益單元的電路原理圖；
[0020]圖4為本發(fā)明中抗混疊濾波單元中第一個(gè)2階多重反饋濾波器的電路原理圖；
[0021]圖5為本發(fā)明中所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明要求保護(hù)的一種全差分信號調(diào)理電路，可以應(yīng)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(lì)傳感器的輸出信號，比如說RTD溫度傳感器。如圖1中所示，為本發(fā)明的原理框圖，所述加速度傳感器具有兩個(gè)輸出端，分別為信號輸出端和基準(zhǔn)輸出端，本發(fā)明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(zhuǎn)換單元。
[0023]所述信號接收單元，用于接收所述加速度傳感器兩個(gè)輸出端傳來的信號，并隔離直流分量后輸出交流信號；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]所述模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。
[0027]圖2為本發(fā)明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Jl以ICP傳感器為例，其具有兩個(gè)輸出端，分別為信號輸出端和基準(zhǔn)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Jl的基準(zhǔn)輸出端，由于所述加速度傳感器Jl需要4mA的激勵(lì)電流源，激勵(lì)電流經(jīng)過電阻R18形成共模電壓信號。
[0028]如果將加速度傳感器Jl的基準(zhǔn)輸出端直接接地，基準(zhǔn)輸出端的噪聲信號會(huì)被大地吸收，這樣的話由于地信號是OV不變，而信號輸出端有用信號及噪聲信號進(jìn)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(zhǔn)輸出端，使得基準(zhǔn)輸出端輸出的信號與信號輸出端輸出的信號同時(shí)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。
[0029]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Jl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Jl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Jl的兩個(gè)輸出端都設(shè)置耦合電容，即將兩個(gè)耦合電容，分別串聯(lián)在所述加速度傳感器Jl的兩個(gè)輸出端與可編程增益單元的兩個(gè)輸入端之間的兩條通路上(圖中未標(biāo)示)，也能夠更好的去除兩條通路上的直流分量。
[0030]圖3為本發(fā)明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?qū)⑤斎氲慕涣餍盘柗糯蠡蚩s小至所述模數(shù)轉(zhuǎn)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(gòu)成無源RC低通濾波器，將傳感器Jl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1管腳進(jìn)行放大或縮小，由于從傳感器Jl輸出的信號要經(jīng)過長距離的傳輸才能到達(dá)信號接收單元，傳輸路徑上的噪聲信號會(huì)同時(shí)作用在連接傳感器Jl信號輸出端和基準(zhǔn)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(qiáng)的抑制作用(寬頻范圍內(nèi)提供大于IlOdB)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Ι/f噪聲等特性夕卜，還提供了完全差分，軌到軌的輸出。這樣對整個(gè)鏈路的全差分調(diào)理提供了必要條件。
[0031]所述抗混疊濾波單元采用由兩個(gè)2階多重反饋構(gòu)成的巴特沃斯低通濾波器。如圖4中所示，為第一個(gè)2階多重反饋濾波器的電路原理圖，其由全差分運(yùn)算放大器U2及電阻R27?R32反饋電容C23?C25構(gòu)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(gè)2階多重反饋濾波器結(jié)構(gòu)相同(圖中省略)，且順序連接，構(gòu)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。
[0032]所述模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器Ull構(gòu)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(zhuǎn)換器Ull的全差分模擬輸入端，轉(zhuǎn)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(jìn)行更多的信號處理等操作。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器Ull采用外部超高精度的2.5V電壓基準(zhǔn)，為了得到更大的動(dòng)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(yùn)算放大器的共模電壓(OCM)端口統(tǒng)一連接到2.5V的基準(zhǔn)上。
[0033]根據(jù)上述描述可知，本發(fā)明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(jìn)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。采用本發(fā)明提供的全差分調(diào)理電路，能夠增加對外部噪聲的抗擾度，從而將動(dòng)態(tài)范圍加倍，并且減少偶次諧波，如果應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，能夠及時(shí)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(jìn)行及時(shí)的維護(hù)，避免更大故障的發(fā)生，因此能夠顯著降低維修保障費(fèi)用、提高戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功率。
[0034]以上對本發(fā)明所提供的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實(shí)施方式】及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，所述傳感器具有兩個(gè)輸出端，分別為信號輸出端和基準(zhǔn)輸出端，其特征在于: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(zhuǎn)換單元， 所述信號接收單元，用于接收所述傳感器兩個(gè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，其特征在于:所述信號接收單元包括一個(gè)對地電阻，用于將所述傳感器的基準(zhǔn)輸出端和信號輸出端輸出的信號同時(shí)疊加共模電壓，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(zhǔn)輸出端。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，其特征在于:所述信號接收單元還包括一個(gè)耦合電容，所述耦合電容串聯(lián)在所述傳感器的一個(gè)輸出端與所述可編程增益單元的一個(gè)輸入端之間的通路上。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，其特征在于:所述耦合電容有兩個(gè)，分別串聯(lián)在所述傳感器的兩個(gè)輸出端與所述可編程增益單元的兩個(gè)輸入端之間的兩條通路上。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4所述的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，其特征在于:所述可編程增益單元采用儀表放大器。6.根據(jù)權(quán)利要求1?4中所述的應(yīng)用于電流激勵(lì)傳感器的全差分信號調(diào)理電路，其特征在于:所述抗混疊濾波單元采用由兩個(gè)2階多重反饋濾波電路構(gòu)成的巴特沃斯低通濾波器。
【文檔編號】G01K1/00GK106018865SQ201610537460
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】侯建良
【申請人】北京天際翔達(dá)科技有限公司