相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2016年4月21日提交的日本專利申請(qǐng)?zhí)?016-085016的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過引用并入本文。

本發(fā)明涉及一種包括儀表前置放大器(instrumentationpreamplifer)和ad轉(zhuǎn)換器的模擬前端電路，并且更特別地，涉及一種用于降低偏移分量、溫度漂移、低頻噪聲等的技術(shù)。

背景技術(shù)：

在模擬前端電路中，通過檢測(cè)溫度獲得的非常小的模擬信號(hào)例如被放大并被ad轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)。在該操作中，具有高放大因數(shù)的儀表前置放大器和ad轉(zhuǎn)換器中發(fā)生的偏移分量、溫度漂移、低頻噪聲等(以下被稱為“偏移分量等”)對(duì)于整個(gè)電路的性能具有很大影響。

鑒于上述，例如，采用圖3中示出的模擬前端電路20a，其配備有用于減少這樣的偏移分量等的配置(參考關(guān)于ad7190、ad7192、ad7193、ad7194和ad7195的斬波，”marymccarthy，an-1131，應(yīng)用筆記，第1頁(yè)，共4頁(yè)，模擬裝置)。模擬前端電路20a配備有：開關(guān)sw11和sw12，其中的每個(gè)在從傳感器1輸入的輸入電壓vinp和vinn之間切換；差分儀表前置放大器21a，其對(duì)經(jīng)由開關(guān)sw11和sw12輸入的電壓vinp和vinn之間的差執(zhí)行差分放大；ad轉(zhuǎn)換器22，用于將差分儀表前置放大器21a的差分輸出信號(hào)voutp和voutn之間的差轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；開關(guān)電路23，其使ad轉(zhuǎn)換器22的輸出數(shù)據(jù)原樣或反相其極性后通過；以及數(shù)據(jù)計(jì)算器24，其用于連續(xù)地計(jì)算從開關(guān)電路23輸出的兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均數(shù)據(jù)。

差分儀表前置放大器21a由運(yùn)算放大器op11和op12以及增益設(shè)定電阻器r11、r12和r13(r12＝r13)組成，并輸出電壓voutp和voutn。開關(guān)電路23由開關(guān)sw13和數(shù)據(jù)反相器23a組成。

斬波信號(hào)chop是“0”和“1”以規(guī)定的周期重復(fù)地且交替地發(fā)生的信號(hào)。分別地，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”和“1”時(shí)，開關(guān)sw11、sw12和sw13中的每個(gè)開關(guān)選擇輸入端子“0”和“1”。

在圖3中，符號(hào)vos11、vos12以及vos13分別表示在運(yùn)算放大器op11的非反相輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等、在運(yùn)算放大器op12的非反相輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等以及在ad轉(zhuǎn)換器22的數(shù)據(jù)輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等。

在模擬前端電路20a中，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，開關(guān)電路23的輸出電壓vochop＝0由下式給出：

另一方面，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，開關(guān)電路23的輸出電壓vochop＝1由下式給出：

因此，數(shù)據(jù)計(jì)算器24的輸出out、即開關(guān)電路23的兩個(gè)連續(xù)輸出電壓vochop＝0和vochop＝1的平均值由下式給出：

在等式(3)中，消除了偏移分量等vos11、vos12和vos13。

然而，在上面參考圖3描述的模擬前端電路20a中，其采用差分儀表前置放大器21a，差分儀表前置放大器21a的輸出電壓voutp和voutn必然地以相反的方向(差分地)變化。因此，在輸入信號(hào)vinp和vinn的偏置點(diǎn)被設(shè)置在接近gnd的低電位處的情況下，輸出電壓voutp和voutn立即飽和。

圖5c示出了圖3中示出的模擬前端電路20a的差分儀表前置放大器21a的示例性輸入電壓vinp和vinn以及輸出電壓voutp和voutn，其中輸入電壓vinp和vinn分別為2v和1v。當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，輸入電壓vinp和vinn分別原樣通過開關(guān)sw11和sw12，并且因此輸出電壓voutp和voutn以及放大因數(shù)gain由下式給出：

其中在放大因數(shù)gain為10的情況下，r12/r11從等式(6)被計(jì)算為4.5。因此，輸出電壓voutp和voutn被計(jì)算為：

voutp＝2+4.5x1＝6.5(v)

voutn＝1+4.5x(-1)＝-3.5(v)。

另一方面，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，輸入電壓vinp和vinn由開關(guān)sw11和sw12反相，并且因此輸出電壓voutp和voutn由下式給出：

從而：

voutp＝1+4.5x(-1)＝-3.5(v)

voutn＝2+4.5x1＝6.5(v)。

如上面描述的，在圖3中示出的模擬前端電路20a中，理論上，輸出電壓voutp和voutn可以變?yōu)樨?fù)的。因此，在單個(gè)電源被用于運(yùn)算放大器op11和op12的情況下，負(fù)側(cè)被飽和為0v。因此，為了處理其中只有從傳感器1輸出的信號(hào)vinp在正側(cè)變化而從傳感器1輸出的電壓vinn被固定的單端式信號(hào)，需要預(yù)先設(shè)置電壓vinp和vinn的高偏置點(diǎn)，其導(dǎo)致輸出電壓voutp的信號(hào)范圍變窄的問題。

變寬信號(hào)范圍的一個(gè)措施是圖4中示出的模擬前端電路20b，其采用使用了單個(gè)運(yùn)算放大器op11的非反相儀表前置放大器21b。圖5d示出了圖4中示出的模擬前端電路20b的差分儀表前置放大器21b的示例性輸入電壓vinp和vinn以及輸出電壓voutp和voutn。

當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，

voutn＝vinn…(10)

在放大因數(shù)gain為10的情況下，r12/r11從等式(11)被計(jì)算為9。因此，輸出電壓voutp和voutn被計(jì)算為：

voutp＝2+9×1＝11(v)

voutn＝1(v)。

另一方面，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，輸出電壓voutp和voutn由下式給出：

voutn＝vinp.…(13)

從而，

voutp＝1+9x(-1)＝-8(v)

voutn＝2(v)。

在這種情況下，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，輸出電壓voutp和voutn都不飽和，并且因此可以獲得寬的信號(hào)范圍。然而，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，輸出電壓voutp變?yōu)樨?fù)的，這引起了與圖3中示出的模擬前端電路20a相同的問題。

本發(fā)明的一個(gè)目的是解決上述問題，并且從而提供一種模擬前端電路，其能夠通過斬波操作來消除偏移分量等，并且還能夠在處理具有寬信號(hào)范圍的單端式信號(hào)的情況下防止儀表前置放大器的輸出電壓飽和。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供以下方面1-5。

1.一種模擬前端電路，包括：

儀表前置放大器，其接收第一輸入電壓和第二輸入電壓并輸出第一輸出電壓和第二輸出電壓；

開關(guān)單元，其通過根據(jù)斬波信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換交替地切換儀表前置放大器的第一輸出電壓和第二輸出電壓來輸出它們；

ad轉(zhuǎn)換器，其將從開關(guān)單元輸出的第一輸出電壓和第二輸出電壓之間的模擬電壓差轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；以及

數(shù)據(jù)計(jì)算器，其在每次發(fā)生斬波信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)從ad轉(zhuǎn)換器輸出的兩個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)執(zhí)行平均處理，

其中，

當(dāng)斬波信號(hào)具有第一邏輯值時(shí)，儀表前置放大器執(zhí)行計(jì)算

voutp＝vinp+gx(vinp-vinn)

voutn＝vinn，并且

當(dāng)斬波信號(hào)具有第二邏輯值時(shí)，儀表前置放大器執(zhí)行計(jì)算

voutp＝vinp+gx(vinn-vinp)x(-1)

voutn＝vinn，

其中

vinp是第一輸入電壓，

vinn是第二輸入電壓，

voutp是第一輸出電壓，

voutn是第二輸出電壓，并且

g是儀表前置放大器的增益。

2.方面1所述的模擬前端電路，

其中所述儀表前置放大器包括：

第一開關(guān)，其具有第二輸入端子以及接收第一輸入電壓的第一輸入端子；

第二開關(guān)，其具有第一輸入端子以及接收第一輸入電壓的第二輸入端子；

第一運(yùn)算放大器，其具有與第一開關(guān)的輸出端子連接的非反相輸入端子以及與第二開關(guān)的輸出端子連接的反相輸入端子；

第三開關(guān)，其具有與第一運(yùn)算放大器的輸出端子連接的第一輸入端子以及與第一運(yùn)算放大器的輸出端子經(jīng)由反相電路連接的第二輸入端子；

第一電阻器，其具有與第一開關(guān)的第二輸入端子和第二開關(guān)的第一輸入端子連接的一端以及接收第二輸入電壓的另一端；以及

第二電阻器，其被連接在第三開關(guān)的輸出端子與第一開關(guān)的第二輸入端子和第二開關(guān)的第一輸入端子的連接點(diǎn)之間，

其中，當(dāng)斬波信號(hào)具有第一邏輯值時(shí)，在第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)中的每個(gè)中選擇第一輸入端子，

其中，當(dāng)斬波信號(hào)具有第二邏輯值時(shí)，在第一開關(guān)、第二開關(guān)和第三開關(guān)中的每個(gè)中選擇第二輸入端子，并且

其中，第一輸出電壓從第三開關(guān)的輸出端子被輸出，并且第一輸入電壓被輸出為第二輸出電壓。

方面1所述的模擬前端電路，

其中所述儀表前置放大器包括：

第一開關(guān)，其具有第二輸入端子以及接收第一輸入電壓的第一輸入端子；

第二開關(guān)，其具有第一輸入端子以及接收第一輸入電壓的第二輸入端子；

第一運(yùn)算放大器，其具有與第一開關(guān)的輸出端子連接的非反相輸入端子以及與第二開關(guān)的輸出端子連接的反相輸入端子；

第三開關(guān)，其具有與第一運(yùn)算放大器的輸出端子連接的第一輸入端子以及與第一運(yùn)算放大器的輸出端子經(jīng)由第一反相電路連接的第二輸入端子；

第七開關(guān)，其具有第一輸入端子以及接收第二輸入電壓的第二輸入端子；

第八開關(guān)，其具有第二輸入端子以及接收第二輸入電壓的第一輸入端子；

第二運(yùn)算放大器，其具有與第七開關(guān)的輸出端子連接的反相輸入端子以及與第八開關(guān)的輸出端子連接的非反相輸入端子；

第九開關(guān)，其具有與第二運(yùn)算放大器的輸出端子連接的第一輸入端子以及與第二運(yùn)算放大器的輸出端子經(jīng)由第二反相電路連接的第二輸入端子；

第一電阻器，其被連接在第一開關(guān)的第二輸入端子和第二開關(guān)的第一輸入端子的連接點(diǎn)與第七開關(guān)的第一輸入端子和第八開關(guān)的第二輸入端子的連接點(diǎn)之間；以及

第二電阻器，其被連接在第三開關(guān)的輸出端子與第一開關(guān)的第二輸入端子和第二開關(guān)的第一輸入端子的連接點(diǎn)之間，

其中，第九開關(guān)的輸出端子被連接到第七開關(guān)的第一輸入端子和第八開關(guān)的第二輸入端子，

其中，當(dāng)斬波信號(hào)具有第一邏輯值時(shí)，在第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)和第九開關(guān)中的每個(gè)中選擇第一輸入端子，

其中，當(dāng)斬波信號(hào)具有第二邏輯值時(shí)，在第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)、第七開關(guān)、第八開關(guān)和第九開關(guān)中的每個(gè)中選擇第二輸入端子，并且其中第一輸出電壓從第三開關(guān)的輸出端子被輸出，第二輸出電壓從第九開關(guān)的輸出端子被輸出。

4.根據(jù)方面1至3中任一項(xiàng)所述的模擬前端電路，還包括：

第六開關(guān)，其被連接在ad轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)計(jì)算器之間，并且具有與ad轉(zhuǎn)換器的輸出端子連接的第一輸入端子以及與ad轉(zhuǎn)換器的輸出端子經(jīng)由數(shù)據(jù)反相器連接的第二輸入端子，

其中，當(dāng)所述斬波信號(hào)具有所述第一邏輯值時(shí)，在所述第六開關(guān)中選擇所述第一輸入端子，

其中，當(dāng)所述斬波信號(hào)具有所述第二邏輯值時(shí)，在所述第六開關(guān)中選擇所述第二輸入端子

其中數(shù)據(jù)計(jì)算器對(duì)從第六開關(guān)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行加法處理作為平均處理。

5.根據(jù)方面1至3中任一項(xiàng)所述的模擬前端電路，

其中數(shù)據(jù)計(jì)算器對(duì)從ad轉(zhuǎn)換器接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行減法處理作為平均處理。

上述方面1-5提供的優(yōu)點(diǎn)是，通過斬波器操作可以消除偏移分量等，并且在處理具有寬信號(hào)范圍的單端式信號(hào)的情況下儀表前置放大器的輸出電壓不飽和。此外，方面3提供了防止ad轉(zhuǎn)換器的偏置電壓受其輸入側(cè)的阻抗的影響的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是根據(jù)第一實(shí)施例的模擬前端電路的電路圖。

圖2是根據(jù)第二實(shí)施例的模擬前端電路的電路圖。

圖3是第一比較示例的模擬前端電路的電路圖。

圖4是第二比較示例的模擬前端電路的電路圖。

圖5a是示出了圖1中示出的模擬前端電路的儀表前置放大器的輸入/輸出狀態(tài)的表。圖5b是示出了圖2中示出的模擬前端電路的儀表前置放大器的輸入/輸出狀態(tài)的表。圖5c是示出了圖3中示出的模擬前端電路的儀表前置放大器的輸入/輸出狀態(tài)的表。圖5d是示出了圖4中示出的模擬前端電路的儀表前置放大器的輸入/輸出狀態(tài)的表。

具體實(shí)施方式

<實(shí)施例1>

圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施例的模擬前端電路10a。模擬前端電路10a配備有：非反相儀表前置放大器11a，其放大從傳感器1輸入的輸入電壓vinp和vinn之間的差并輸出輸出電壓voutp和voutn；開關(guān)sw4和sw5(開關(guān)單元)，其中的每個(gè)在輸出電壓voutp和voutn之間切換；ad轉(zhuǎn)換器22(ad轉(zhuǎn)換器)，其用于將從開關(guān)sw4和sw5輸出的輸出電壓voutp和voutn之間的差轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；開關(guān)電路13，其使ad轉(zhuǎn)換器12的輸出數(shù)據(jù)原樣通過或在反相其極性之后通過；以及數(shù)據(jù)計(jì)算器14(數(shù)據(jù)計(jì)算器)，其用于連續(xù)地計(jì)算從開關(guān)電路13輸出的兩個(gè)數(shù)據(jù)的平均數(shù)據(jù)。

非反相儀表前置放大器11a由以下各項(xiàng)組成：開關(guān)sw1和sw2，其中的每個(gè)在輸入電壓vinp和vinn之間切換；運(yùn)算放大器op1，其用于放大通過開關(guān)sw1和sw2的輸入電壓vinp和vinn之間的差；增益設(shè)置電阻器r1和r2；以及開關(guān)電路11a，其具有反相電路11a1和開關(guān)sw3并且使運(yùn)算放大器op1的輸出電壓原樣通過或者在反相其極性之后通過。

開關(guān)電路13具有使輸入數(shù)據(jù)原樣通過或者輸出如被數(shù)據(jù)反相器13a極性反相的輸入數(shù)據(jù)的開關(guān)sw6。

斬波信號(hào)chop是“0”和“1”以規(guī)定的周期重復(fù)地且交替地發(fā)生的信號(hào)。當(dāng)斬波信號(hào)chop分別為“0”和“1”時(shí)，開關(guān)sw1-sw6中的每個(gè)選擇輸入端子“0”和“1”。

在圖1中，符號(hào)vos1和vos3分別表示在運(yùn)算放大器op1的非反相輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等以及在ad轉(zhuǎn)換器12的數(shù)據(jù)輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等。

在模擬前端電路10a中，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，開關(guān)電路13的輸出電壓vochop＝0由下式給出：

另一方面，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，開關(guān)電路13的輸出電壓vochop＝1由下式給出：

因此，數(shù)據(jù)計(jì)算器14的輸出out、即開關(guān)電路13的兩個(gè)連續(xù)輸出電壓vochop＝0和vochop＝1的平均值由下式給出：

在等式(16)中，消除了偏移分量等vos1和vos3。

圖5a示出了圖1中示出的模擬前端電路10a的非反相儀表前置放大器11a的示例性輸入電壓vinp和vinn以及輸出電壓voutp和voutn，其中輸入電壓vinp和vinn分別為2v和1v。當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，輸入電壓vinp和vinn分別原樣通過開關(guān)sw1和sw2，并且因此輸出電壓voutp和voutn和放大因數(shù)gain由下式給出：

voutn＝vinn…(18)

其中，在放大因數(shù)gain為10的情況下，從等式(19)計(jì)算r2/r1為9。因此，輸出電壓voutp和voutn被計(jì)算為

voutp＝2+9x1＝11(v)

voutn＝1(v)。

另一方面，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，輸出電壓voutp和voutn由下式給出：

voutn＝vinn.…(21)

從而，

voutp＝2+9x(-1)x(-1)＝11(v)

voutn＝1(v)。

如上面描述的，在圖1中示出的模擬前端電路10a中，輸出電壓voutp和voutn不變?yōu)樨?fù)的。也就是說，即使其中輸入電壓vinn被固定并且輸入電壓vinp變化的單端式信號(hào)，輸出電壓voutp和voutn也不飽和并且其信號(hào)范圍在很大程度上變寬。

<實(shí)施例2>

圖2示出了根據(jù)第二實(shí)施例的模擬前端電路10b。模擬前端電路10b與圖1中示出的模擬前端電路10a不同之處在于非反相儀表前置放大器11b。非反相儀表前置放大器11b與圖1中示出的非反相儀表前置放大器11a不同之處在于，作為電壓跟隨器電路被添加了運(yùn)算放大器op2、開關(guān)sw7和sw8以及開關(guān)電路11b，該開關(guān)電路11b具有反相電路11b1和開關(guān)sw9并且使運(yùn)算放大器op2的輸出電壓原樣通過或者在反相其極性之后通過。

開關(guān)sw1和sw2中的每個(gè)在運(yùn)算放大器op1的輸入電壓之間切換，并且開關(guān)sw7和sw8中的每個(gè)在運(yùn)算放大器op2的輸入電壓之間切換。

當(dāng)斬波信號(hào)chop分別為“0”和“1”時(shí)，開關(guān)sw1-sw6中的每個(gè)選擇輸入端子“0”和“1”。在圖2中，符號(hào)vos1、vos2和vos3分別表示在運(yùn)算放大器op1的非反相輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等、在運(yùn)算放大器op2的非反相輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等、在ad轉(zhuǎn)換器12的輸入側(cè)發(fā)生的偏移分量等。

在模擬前端電路10b中，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“0”時(shí)，開關(guān)電路13的輸出電壓vochop＝0由下式給出：

另一方面，當(dāng)斬波信號(hào)chop為“1”時(shí)，開關(guān)電路13的輸出電壓vochop＝1由下式給出：

因此，數(shù)據(jù)計(jì)算器14的輸出out、即開關(guān)電路13的兩個(gè)連續(xù)輸出電壓vochop＝0和vochop＝1的平均值由下式給出：

在等式(24)中，消除了偏移分量等vos1、vos2和vos3。

圖5b示出了圖2中示出的模擬前端電路10b的非反相儀表前置放大器11b的示例性輸入電壓vinp和vinn以及輸出電壓voutp和voutn。由于開關(guān)sw7和sw8、開關(guān)電路11b和運(yùn)算放大器op2用作電壓跟隨器，所以非反相儀表前置放大器11b的輸入電壓vinp和vinn以及輸出電壓voutp和voutn與圖1中示出的非反相儀表前置放大器11b的那些相同。

在圖2中示出的模擬前端電路10b中，由于涉及輸出電壓voutn的阻抗與涉及輸入電壓vinn的阻抗隔離，因此可以防止ad轉(zhuǎn)換器12的偏置電壓受其輸入側(cè)的阻抗的影響的現(xiàn)象。

<其他實(shí)施例>

在圖1和圖2中示出的模擬前端電路10a和10b中，數(shù)據(jù)計(jì)算器14通過將開關(guān)電路13的兩個(gè)連續(xù)輸出數(shù)據(jù)相加來執(zhí)行平均處理。如果數(shù)據(jù)計(jì)算器14被配置以便計(jì)算兩個(gè)連續(xù)輸入數(shù)據(jù)之間的差，則可以省略開關(guān)電路13。