专利名称：适用于便携式仪器设备的低成本微功耗微型化的信号调理模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于便携式仪器设备的低成本微功耗微型化的信号调理模块。
背景技术：
在电子工程领域，一般用传感器来测量压力、温度、光强等物理量，传感器将这些被测物理量转换为微小的电信号(一般为电压信号)。这些电信号一般都是模拟量，且信号幅度一般都很微小，往往还包含有不需要的频率成分(如来自于干扰源)，一般不能直接使用。需要通过信号调理模块，把这些模拟信号变换为适合的信号形式，使其适用于模/数转换器(ADC)的输入。随后，由ADC将这些模拟信号转换为数字信号，并把数字信号送到微控制器(MCU)或其他数字器件，以便用于进一步的数据处理。信号调理就是将被测信号通过缓冲、放大、滤波、整形等操作转换为能够适合采样的信号的过程，经过调理后的信号具有适合采样的信号波形和信号幅度，并且应包含所需的有用信息。具体来说，信号调理模块的作用是将传感器输出的微弱电信号(通常为电压信号)不失真地放大或调整到能够直接由模/数转换器采样的幅度足够的电信号。信号调理模块一般包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路等，主要实现信号的缓冲、放大、整形及滤波等功能。对于便携式仪器设备，要实现被测微小信号的信号调理，信号调理模块的设计具有特殊要求。(I)微功耗，能够在单电源下工作。这是便携式仪器设备的基本要求。(2)具有较高的共模抑制比和差动放大能力。一般传感器输出的模拟信号中既包括共模部分，又包括差模部分。其输出的共模部分可以达到伏级，而差模部分一般仅为几 几十个毫伏。因此要求信号调理模块的实际共模抑制比(CMRR)较高。(3)具有较大的输入阻抗。以减小传感器的等效电阻变化带来的误差。(4)具有较小的失调电压和温度漂移。这将有效降低信号调理的误差，提升系统可靠性。目前缺少一种适用于便携式仪器设备的低成本、微功耗、微型化的信号调理模块的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种适用于便携式仪器设备的低成本微功耗微型化的信号调理模块。一种适用于便携式仪器设备的低成本微功耗微型化的信号调理模块，包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路，所述信号放大电路连接所述滤波电路；所述信号放大电路为具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122，所述滤波电路为二阶有源巴特沃斯低通滤波电路，所述滤波电路中采用了高精度、微功耗的0PA4336运算放大器芯片，所述电压基准电路采用TI公司的LM385-1. 2微功耗电压基准芯片，将LM385-1. 2芯片输出的基准电压经一个跟随器电路输出，所述跟随器电路使用与所述滤波电路同一片0PA4336芯片内的运放。本发明中的信号调理模块能使微弱的被测物理信号被不失真地放大、整形和滤波，其输出信号可以直接用于后续的A/D转换。本信号调理模块结构简单，体积小，功耗低，所需元器件数量少，为便携式仪器设备 提供了一种低成本、微功耗、微型化的信号调理的解决方案。
图I为便携式系统的结构框图；图2为信号调理模块的电路图；图3为信号放大电路的电路图；图4为二阶有源低通滤波电路的电路图；图5为I. 25V电压基准电路的电路图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。一般来说，便携式系统可以采用如图I所示的结构，其中信号调理模块的作用是将传感器输出的微弱电信号(通常为电压信号)不失真地放大或调整到能够直接由模/数转换器采样的幅度足够的电信号。且信号调理模块对其前级的传感器和后级的模/数转换器的影响要尽可能的小。如图2所示，信号调理模块包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路，主要实现信号的缓冲、放大、整形及滤波等功能。为有效放大传感器输出的有用差分信号，信号调理模块中的信号放大电路应具有较强的共模抑制和差动放大能力，实际共模抑制比(CMRR)高，输入阻抗较大，失调和温漂较小，这些都能有效减小信号放大电路对传感器输入信号的影响，减少温度误差。同时信号调理模块中的滤波电路应采用同相结构的精密运放和RC网络组成有源滤波电路，这样既能提供一定的增益和缓冲作用，又可以减小对后级尤其是A/D转换的影响。信号调理模块同时具有低成本、微功耗、微型化等特点，能够在单电源下工作，其信号放大范围要与A/D转换时所需要的信号幅度相一致。信号放大电路对于信号调理模块中信号放大电路的设计要求，主要应从以下三个方面考虑(I)传感器输出的信号通常是差动信号，其中共模部分可达到伏级，而差模部分一般仪为几 几十个毫伏。(2)对于压阻式传感器，传感器的等效电阻会随着被测物理量的变化而变化。即对于其后的信号放大电路，信号源的内阻是变化的，若放大电路的输入阻抗不够大，信号源内阻的变化就会带来较大的误差。同时由于传感器内的电桥电阻会随着温度而变化，如放大电路的输入阻抗过低，还将引入一项附加的温度误差。
(3)由于传感器输出信号为毫伏级，因此放大电路的输入失调电压Vw越小越好。其输入偏置电流Iib也应较小，如Iib较大，则传感器电桥电阻变化时，对放大器静态工作点影响大。同时Iib大，其输入失调电流Iw也容易大，Iib还会影响温漂和运算精度。因此放大电路的输入偏置电流Iib应选为nA级较好。放大电路的带宽应较大程度地大于被测物理信号的频带宽度。综上所述，信号调理模块中的放大电路必须满足以下设计要求具有较强的共模抑制和差动放大能力，实际共模抑制比高，输入阻抗较大，失调和温漂较小，微功耗，外围元器件少，体积小，能够在单电源下工作。一般来说，基于同相输入的三运放差动放大电路具有输入阻抗高、增益调节方便、漂移相互补偿以及输出不包含共模信号的优点。但是 基于精密运放搭建的三运放差动放大电路，运放之间的互相补偿难度较大，且补偿精度不易控制，电阻不易精确匹配，增大了电路安装和调试的工作量和难度，同时也对降低系统成本、提升系统集成度不利。本模块中选用了具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122作为信号放大电路。INA122的最大共模输入电压可达到3. 4V，具有高共模抑制比(96db)、高输入阻抗(1010 Q )、低失调电压(IOOii V)、低输入偏置电流(IOnA)和低温漂(I y A/°C )。INA122是专为便携式、基于电池供电的微功耗应用而设计，具有很低的静态电流(< 60y A)和较宽的电源范围(2. 2V 36V)。其增益可通过一个高精度外接电阻设置出5 10000倍的放大能力。如果使用数字电位器代替可调电阻，还能实现程控增益放大。如图3所示，皿122的Rrf引脚是参考电压输入端。如系统中的模拟及数字电路部分均采用2. 5V的单电源供电，即A/D转换时的下限电压是0V，上限电压是2. 5V。故信号放大电路中需在Ref引脚接入I个I. 25V的电压基准信号，使信号放大后的实际有效范围为0 I. 25V(负信号)和I. 25 2. 5V(正信号)。如图3所示，INA122芯片的I脚和8脚之间连接了一个IKQ电阻(Rgl)和一个5KQ可调电阻(Rg2)，使得INA122的信号放大倍数G在一定范围内可调。作为信号调理模块的一个组成部分，信号放大电路的放大倍数G与其前级的传感器的灵敏度、后级的滤波电路的通带增益密切相关。传感器输出的微小电压信号经信号放大电路及滤波电路两级放大后，可达到后续模/数转换的要求。因此在设计信号调理模块的过程中，可以由公式(2-1)来确定G的取值范围。
_经放大后信号的满量程范围_ (2_1}
—被测物理量范围X传感器灵敏度X滤波电路的通带增益INA122的信号放大倍数G的取值范围确定后，可根据公式(2_2)确定Rgl和Rg2的数值。G = S + ~~(2-2)
Rg^ + Rg^如图3所示，由于Rgl是一个IKQ的定值电阻，Rg2是一个5KQ可调电阻，故G在38 205倍的范围之间连续可调。此信号放大电路的输出电压Vqut可以由公式(2-3)计算Vour=(V1I-Vm)XG(2-3)
滤波电路传感器的输出信号一般均为低频微弱信号，频带较窄，很容易受到外界干扰和噪声的影响。为了滤除放大电路输出信号中的无用频率成分，通常需要在信号放大电路后面加一个低通滤波电路，其截止频率由被测物理信号的频率范围决定。此低通滤波电路可以在采样之前预先滤除信号中高于奈奎斯特频率的部分以消除混叠，以保证对被测物理信号不会欠采样。尤其在采样之前预先滤除信号中由电源电路或电磁辐射引入的高频谐波，还可以起到消除噪声的作用。为简化结构，降低成本，本模块中采用精密运放和RC网络组成了有源低通滤波电路。与无源滤波电路相比，有源滤波电路不用电感 元件，避免了电感固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量等缺点，同时也有效避免了电感元件造成的额外功耗。而且由于运放的增益和输入阻抗较高，输出阻抗较低，有源滤波电路还能提供一定的增益和缓冲作用。对于便携式系统，有源滤波电路由于其输出阻抗较小，因漏电流引入的A/D转换误差能大大减小。本信号调理模块中，选用了巴特沃斯型的二阶低通滤波电路，其在阻带内能提供_40db/十倍频程的衰减。巴特沃斯型滤波电路的平坦区较大，其通带内没有纹波，而且相频特性在一定范围内可以认为是线性的。具体的低通滤波电路如图4所示。其中GND1. 25代表电压基准电路提供的I. 25V参考电压。具体RC参数的确定可采用查表归一设计方法。归一化设计时，归一化系数为
,100 ,
一^，式中f的单位是Hz, C的单位是ii F。设计中,根据选定的巴特沃斯滤波电路查相 / -C
应的表格，查出所需的元件参数归一化值，再将它乘以系数k，即得所需的元件参数值。例如
,100 100
被测物理信号的截止频率fo = 20Hz，取C = 0. I i! F，则k=y& 二 20^ ol= 50。在查表时还应考虑运放外围电路的电阻匹配问题，即RAR2 = R3//R4。整个滤波电路的选频特性取决于RC网络，滤波电路的实际截止频率=
j-Jp- 。此滤波电路的通带增益KfI +根据Kp的实际大小查表后取临近标称In y A1A2C1C2Tc3
值的电阻。如图4所示，滤波电路的运放应采用同相结构，它对RC网络呈现很高的输入阻抗，但放大器同相工作时，输入端有较高的共模电压，故必须选用输入电压较高的运算放大器。运放的选择对滤波电路的精度也有一定影响。所选运放的开环增益和增益带宽乘积要较大，开环增益和输入阻抗过小直接导致滤波电路的闭环增益Kp减小，阻尼系数8增大，从而降低滤波电路的精度。而增益带宽积过小不仅使闭环频带变窄，也加大了幅度和相位误差。本滤波电路中采用了高精度、微功耗的0PA4336运算放大器芯片。0PA4336片内集成有四个运放，每个运放的静态功耗仅为20ii A，单电源工作(电压范围2. 3V 5. 5V)，低失调电压(60 ii V),低输入偏置电流(IpA),低输入失调电流(IpA),共模电压范围大(0. 2V Vdd-IV)，共模抑制比高达86db，单位增益带宽积为IOOkHz，其采用的SSOP封装，弓丨脚之间的间距仅为0. 635mm，较大程度地节省了电路板的空间。电压基准电路信号调理模块采用单2. 5V电源供电，如分别采用OV和2. 5V电压作为A/D转换时的下限和上限电压，即信号放大的满量程幅度为OV 2. 5V。信号放大后的实际有效范围为0 I. 25V(负信号)和I. 25V 2. 5V(正信号)。因此整个信号调理模块内需要一个I. 25V的基准电压。这里采用TI公司的LM385-1. 2微功耗电 压基准芯片构成了具体的电压基准电路，其提供的基准电压为1.235V(典型值)。此电路可以提供15 ii A 20mA的工作电流，具有微功耗、低动态阻抗和良好的温度稳定性、工作稳定性及低噪声等特点。如图5所示，为了使此基准电压电路与模拟电路其它部分隔离，将LM385-1. 2芯片输出的基准电压经一个跟随器电路输出。此跟随器电路使用了与滤波电路同一片0PA4336芯片内的运放，充分利用了硬件资源，节省了电路板空间。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种适用于便携式仪器设备的低成本微功耗微型化的信号调理模块，其特征在于，包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路，所述信号放大电路连接所述滤波电路；所述信号放大电路为具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122，所述滤波电路为二阶有源巴特沃斯低通滤波电路，所述滤波电路中采用高精度、微功耗的0PA4336运算放大器芯片，所述电压基准电路采用TI公司的LM385-1. 2微功耗电压基准芯片，将LM385-1. 2芯片输出的基准电压经一个跟随器电路输出，所述跟随器电路使用与所述滤波电路同一片0PA4336芯片内的运放。
全文摘要
本发明公开了一种适用于便携式仪器设备的低成本微功耗微型化的信号调理模块，包括信号放大电路、滤波电路及电压基准电路，所述信号放大电路连接所述滤波电路；所述信号放大电路为具有同相输入差分结构的仪表级放大器INA122，所述滤波电路为二阶有源巴特沃斯低通滤波电路，所述电压基准电路采用TI公司的LM385-1.2微功耗电压基准芯片。本信号调理模块结构简单，体积小，功耗低，所需元器件数量少，为便携式仪器设备提供了一种低成本、微功耗、微型化的信号调理的解决方案。
文档编号H03F1/30GK102769436SQ201210243370
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者卢虹冰, 常小红, 廖琪梅, 张国鹏, 焦纯, 见伟平, 霍旭阳 申请人:中国人民解放军第四军医大学