专利名称：一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，属于空间测量技术领域。
背景技术：
随着航天技术的不断发展，人类的空间探测活动越来越频繁，探测领域也越来越广。但在空间环境及效应的探测中，由于微弱信号幅值很低，通常被强噪声淹没，以及高阻抗微弱信号的测量容易受到测量系统输入阻抗的分压与系统输入偏置电流的影响，微弱信号的探测非常困难，成为空间测量领域的核心问题。实际测量中，从传感器输出的微弱信号幅值小(在十几微伏到几百微伏之间)，常常掩埋在其他噪声信号中，只有在有效抑制噪声的条件下才能增大微弱信号的幅度。同时·信号的阻抗较大，在经过放大之前需要经过各种调理，才能提取出有用信号。因此，需要一种信号调理电路，用于解决空间测量中弱信号难以获取的问题。
发明内容
为了解决空间探测中弱信号测量问题，本发明提供了一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，可实现高阻抗微弱信号的测量。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，所述电路包括信号源、一级放大电路、保护电路、二级放大及整流电路；其中信号源的等效电路包括信号源电压Vs和内阻Rs，一级放大电路包括运算放大器Al、电容Cl、电阻R1、R4、R5，保护电路包括运算放大器A4、电阻R2、R3、电容C2，二级放大及整流电路包括运算放大器A2、A3、电阻R6、R7、二极管D、电容C3 ；所述前置调理电路的连接方式如下其中，信号源一端接地，另一端通过电容Cl后分为两路，一路与运算放大器Al的同相端连接，另一路与电阻Rl的一端连接；运算放大器Al的反相端与运算放大器A4的同相端连接，运算放大器A4的反相端和输出端连接后，依次接电阻R3和电容C2，然后分为两路，一路与电阻Rl的另一端连接，另一路与电阻R2连接后接地；运算放大器Al的输出端分为两路，一路与电阻R4的一端连接后，经过电阻R5后接地；另一路接电阻R6后与运算放大器A2的反相端连接；同时运算放大器Al的反相端与电阻R4的另一端连接；运算放大器A2的同相端接地，运算放大器A2的电源端一端接地，另一端接电压信号；电容C3的一端分别与电阻R6和运算放大器A2的反相端连接，另一端接地；运算放大器A2的输出端与二极管D的阳极连接，二极管D的阴极与运算放大器A3的同相端连接，运算放大器A3的反相端与输出端连接；电阻R7 —端与运算放大器A2的反相端连接，另一端与二极管D的阴极连接；
所述前置调理电路的工作方式如下信号源获取的电压信号经电容Cl后，进入运算放大器Al的同相端，经运算放大器Al的输出端输出后，经电阻R4后分为两路，一路进入运算放大器Al的反向端；另一路进入运算放大器A4的同相端，由运算放大器A4的输出端输出后，依次经过电阻R3和电容C2后，经过电阻Rl反馈至运算放大器Al的同相端；经过一级放大的信号经过电阻R6后进入运算放大器A2的反相端，输出信号经过二极管D后，经电阻R7反馈至运算放大器A2的反相端；反馈后的信号进入运算放大器A3的同相端，由运算放大器A3的输出端输出后，经运算放大器A3的反相端进行闭环反馈，从运算放大器A3的输出端得到输出信号。有益效果I.常规方法测量时，电阻Rl的下端直接与地相连，系统的输入阻抗主要取决于电 阻Rl的阻值，因此测量误差较大。本发明通过使用保护电路，可以很好地解决这一问题。具体为在低阻抗的保护电路中使用高输入阻抗的电压跟随器，把电路中低阻抗节点(运算放大器Al的同相端)的电势强制拉升到与高阻抗输入端(信号源输出端)的电势近似相等，然后通过一级放大电路中的运算放大器Al进行一级放大，将弱信号的衰减降到最小。2.信号调理过程中，信号内部噪声随着信号放大也被放大，需要设置滤波器消除这部分噪声。目前，对于传感器信号滤波常用的是由单一运算放大器和电阻电容构成的RC有源模拟滤波器。同时，为了保证后续AD转换电路只能输入正脉冲信号，对于含有负脉冲的信号需要二极管进行整流。同时前置放大部分由于运算放大器带宽的限制，放大倍数可能不够，而且有时前置放大电路的负载能力低，因此需要采用低噪声、高带宽的运算放大器的二级放大及整流电路。本发明通过在二极管整流后加入高输入阻抗的电压跟随器A3，进一步提高前置调理电路的输入阻抗，抑制噪声。
图I为本发明所述的用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路的电路图。
具体实施例方式下面通过实施例，对本发明进一步说明。如图I所示的用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，所述电路包括信号源、一级放大电路、保护电路、二级放大及整流电路；其中信号源的等效电路包括信号源电压％和内阻Rs，一级放大电路包括运算放大器Al、电容Cl、电阻R1、R4、R5，保护电路包括运算放大器A4、电阻R2、R3、电容C2，二级放大及整流电路包括运算放大器A2、A3、电阻R6、R7、二极管D、电容C3 ；对于信号源的等效电路，信号源电压Vs为O. ImV,内阻Rs为10ΜΩ，所述信号源可以为探测器、传感器的探头产生的电信弱信号；电容Cl = lnF、C2=lyF、C3=10yF、电阻Rl=100M Ω、电阻 R2=100K Ω、电阻 R3=10K Ω、电阻 R4=100K Ω、R5=R6=1K Ω、R7=100K Ω，A2 的电压源大小为+12V ;运算放大器Α1、Α2、Α3、Α4的型号均为AD743，二极管D的型号为2CP33
型硅塑封整流二极管。所述前置调理电路的连接方式如下
其中，信号源一端接地，另一端通过电容Cl后分为两路，一路与运算放大器Al的同相端连接，另一路与电阻Rl的一端连接；运算放大器Al的反相端与运算放大器A4的同相端连接，运算放大器A4的反相端和输出端连接后，依次接电阻R3和电容C2，然后分为两路，一路与电阻Rl的另一端连接，另一路与电阻R2连接后接地；运算放大器Al的输出端分为两路，一路与电阻R4的一端连接后，经过电阻R5后接地；另一路接电阻R6后与运算放大器A2的反相端连接；同时运算放大器Al的反相端与电阻R4的另一端连接；运算放大器A2的同相端接地，运算放大器A2的电源端一端接地，另一端接电压信号；电容C3的一端分别与电阻R6和运算放大器A2的反相端连接，另一端接地；运算放大器A2的输出端与二极管D的阳极连接，二极管D的阴极与运算放大器A3的同相端连接，运算 放大器A3的反相端与输出端连接；电阻R7 —端与运算放大器A2的反相端连接，另一端与二极管D的阴极连接。所述前置调理电路的工作方式如下信号源获取的电压信号经电容Cl后，进入运算放大器Al的同相端，经运算放大器Al的输出端输出后，经电阻R4后分为两路，一路进入运算放大器Al的反向端；另一路进入运算放大器A4的同相端，由运算放大器A4的输出端输出后，依次经过电阻R3和电容C2后，经过电阻Rl反馈至运算放大器Al的同相端；经过一级放大的信号经过电阻R6后进入运算放大器A2的反相端，输出信号经过二极管D后，经电阻R7反馈至运算放大器A2的反相端；反馈后的信号进入运算放大器A3的同相端，由运算放大器A3的输出端输出后，经运算放大器A3的反相端进行闭环反馈，从运算放大器A3的输出端得到输出信号。一级放大电路采用具有高输入阻抗、低输出阻抗的同相比例运算电路，所述同相比例运算电路包括运算放大器A1、电阻R4、R5;所述同相比例运算电路引入电压串联负反馈增大输入电阻，减小输出电阻。同时，由于集成运放有共模输入，为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运算放大器A4。因此，放大倍数A等于A=l+R4/R5如图I中所示，当R4=IOOKQ ,R5=IKQ时，放大倍数A=IOl倍。常规方法测量时，电阻Rl的下端直接与地相连，系统的输入阻抗主要取决于电阻Rl的阻值，系统的等效输入阻抗约等于100ΜΩ。由以上分析可以得出，其测量误差会达到10%。这么大的误差，在实际应用中是不允许的。但是通过设计保护电路，可以很好地解决这一问题。在保护电路中，从运算放大器Al的反相端引入信号到运算放大器A4的同相端，运算放大器A4实际为电压跟随器A,#在电阻Rl的低电位端加上保护电位V_d，当R2 R3时，在一定频率范围内，保护电位Vguari近似等于高阻抗输入端电位Vin，可以通过调节电阻R2、R3的阻值来改变保护电位Vguari的大小。保护电位Vguari由电压跟随器Aguari提供，而不是由信号源提供，电阻Rl的低阻抗端加上保护电位Vguari后，其电压降将大大减小，流经它的电流也将大大减小。保护电路需要满足信号路径阻抗源大于保护电路阻抗，所述信号路径阻抗源为信号流经一级放大电路和保护电路的阻抗之和，即
权利要求
1.一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，其特征在于所述电路包括信号源、一级放大电路、保护电路、二级放大及整流电路；其中信号源的等效电路包括信号源电压\和内阻Rs，一级放大电路包括运算放大器Al、电容Cl、电阻Rl、R4、R5，保护电路包括运算放大器A4、电阻R2、R3、电容C2，二级放大及整流电路包括运算放大器A2、A3、电阻R6、R7、二极管D、电容C3 ； 所述前置调理电路的连接方式如下 其中，信号源一端接地，另一端通过电容Cl后分为两路，一路与运算放大器Al的同相端连接，另一路与电阻Rl的一端连接；运算放大器Al的反相端与运算放大器A4的同相端连接，运算放大器A4的反相端和输出端连接后，依次接电阻R3和电容C2，然后分为两路，一路与电阻Rl的另一端连接，另一路与电阻R2连接后接地； 运算放大器Al的输出端分为两路，一路与电阻R4的一端连接后，经过电阻R5后接地；另一路接电阻R6后与运算放大器A2的反相端连接；同时运算放大器Al的反相端与电阻R4的另一端连接； 运算放大器A2的同相端接地，运算放大器A2的电源端一端接地，另一端接电压信号；电容C3的一端分别与电阻R6和运算放大器A2的反相端连接，另一端接地；运算放大器A2的输出端与二极管D的阳极连接，二极管D的阴极与运算放大器A3的同相端连接，运算放大器A3的反相端与输出端连接；电阻R7 —端与运算放大器A2的反相端连接，另一端与二极管D的阴极连接。
2.根据权利要求I所述的一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，其特征在于信号源电压VsS O. ImV，内阻民为10ΜΩ，电容(1=11^工2=1“？工3=1(^卩、电阻1 1=1001^、电阻 R2=100K Ω、电阻 R3=10K Ω、电阻 R4=100K Ω、R5=R6=1K Ω、R7=100K Ω，A2 的电压源大小为+12V ;运算放大器Al、Α2、A3、Α4的型号均为AD743，二极管D的型号为2CP33型硅塑封整流二极管。
全文摘要
本发明提供了一种用于高阻抗弱信号测量的前置调理电路，属于空间测量技术领域。所述电路包括信号源、一级放大电路、保护电路、二级放大及整流电路；其中信号源的等效电路包括信号源电压VS和内阻RS，一级放大电路包括运算放大器A1、电容C1、电阻R1、R4、R5，保护电路包括运算放大器A4、电阻R2、R3、电容C2，二级放大及整流电路包括运算放大器A2、A3、电阻R6、R7、二极管D、电容C3；所述电路具有低噪声、高输入阻抗、低输出阻抗的特点，能减少测量误差，实现高阻抗微弱信号的测量。
文档编号G01D3/028GK102944250SQ20121047226
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月20日 优先权日2012年11月20日
发明者薛玉雄, 安恒, 杨生胜, 把得东, 曹洲, 冯展祖, 柳青, 石红 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所