技术领域
[0001] 本
发明涉及放大电路技术领域，尤其涉及一种宽输入动态范围的前置放大电路及具有其的传感器。
背景技术
[0002] 随着
电子信息科学与技术的飞速发展，传感器技术已经在交通、机械、电
力等领域得到了广泛的应用，与之相应的传感器
信号处理技术也得到了长足的进步。目前很多传感器，如压电式传感器、
压力传感器、压电式
水听器等电容性传感器在工作时，可输出正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度，但是产生的电荷量都比较微弱，因此亟需一种与之相匹配的前置放大电路，对产生的电荷量进行转换并对信号做放大处理。目前，现有的前置放大电路可以实现微电荷的采集、转换以及信号的放大，但是信号的最大输入范围受限，动态范围较小，且
带通滤波的效果也因设计的电路性能而异。因此，研究一种宽输入动态范围的前置放大电路具有很高的实用价值。
发明内容
[0003] 本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0004] 为此，本发明的第一个目的在于提出一种宽输入动态范围的前置放大电路，具有以下优点：1)宽输入动态范围；2)通频带内平稳，滤波效果好；3)微电荷的采集、转换以及信号做放大处理的电路设计方案可靠性高；4)电路性能稳定，
信噪比高。
[0005] 本发明的第二个目的在于提出一种传感器。
[0006] 为了实现上述目的，本发明第一方面
实施例提出一种宽输入动态范围的前置放大电路，包括：
[0007] 前级信号采集电路、第一一阶RC高通滤波电路、
电压跟随器、二阶压控低通滤波电路以及三阶有源带通滤波电路；
[0008] 所述信号采集电路的输出端与所述第一一阶RC高通滤波电路的输入端相连，所述第一一阶RC高通滤波电路的输出端与所述电压跟随器的输入端相连，所述电压跟随器的输出端与所述二阶压控低通滤波电路的输入端相连，所述二阶压控低通滤波电路的输出端与所述三阶有源带通滤波电路的输入端相连；
[0009] 所述三阶有源带通滤波电路包括第二一阶RC高通滤波电路、三阶RC低通滤波电路和运算放大电路，所述第二一阶RC高通滤波电路、所述三阶RC低通滤波电路和所述运算放大电路以
串联方式连接。
[0010] 可选的，所述第二一阶RC高通滤波电路的输出端与所述三阶RC低通滤波电路的输入端相连，所述三阶RC低通滤波电路的输出端与所述运算放大电路的输入端相连；或者[0011] 所述三阶RC低通滤波电路的输出端与所述第二一阶RC高通滤波电路的输入端相连，所述第二一阶RC高通滤波电路的输出端与所述运算放大电路的输入端相连。
[0012] 可选的，所述前级信号采集电路包括电荷源Q0、电荷源等效电容C0、电容C1、
电阻R1、
运算放大器U1A以及电阻R2，
[0013] 其中，所述电荷源Q0、所述电荷源等效电容C0、所述电容C1、所述电阻R1并联，所述电荷源Q0、所述电荷源等效电容C0、所述电容C1、所述电阻R1的一端与所述
运算放大器U1A的正输入端相连，所述电荷源Q0、所述电荷源等效电容C0、所述电容C1、所述电阻R1的另一端接地；
[0014] 所述电阻R2的一端与所述运算放大器U1A的负输入端相连，所述电阻R2的另一端与所述运算放大器U1A的输出端相连；
[0015] 所述运算放大器U1A的正电源端与地之间并联两个电容C2和C3，所述运算放大器U1A的负电源端与地之间并联两个电容C4和C5。
[0016] 可选的，所述第一一阶RC高通滤波电路包括电容C6、电阻R3，所述电容C6的一端与所述运算放大器U1A的输出端相连，所述电容C6的另一端分别与所述电阻R3的一端，所述电阻R3的另一端接地。
[0017] 可选的，所述电压跟随器包括运算放大器U1B和电阻R4，所述运算放大器U1B的正输入端与所述电容C6的另一端相连，所述运算放大器U1B的负输入端与所述电阻R4的一端相连。
[0018] 可选的，所述二阶压控低通滤波电路包括电容C7、电容C8、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U2A，
[0019] 其中，所述电阻R5的一端与所述电阻R4的另一端相连，所述电阻R5的另一端分别与所述电阻R7的一端和所述电容C7的一端相连，所述电阻R7的另一端分别与所述电容C8的一端和所述运算放大器U2A的正输入端相连，所述电容C8的另一端接地，所述运算放大器U2A的负输入端分别与所述电阻R6的一端和所述电阻R8的一端相连，所述电阻R6的另一端接地，所述电阻R8的另一端与所述运算放大器U2A的输出端相连，所述运算放大器U2A的正电源端与地之间并联两个电容C9和C10，所述运算放大器U2A的负电源端与地之间并联两个电容C11和C12。
[0020] 可选的，所述三阶RC低通滤波电路包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C13、电容C14、电容C15，
[0021] 其中，所述电阻R9、所述电阻R10、所述电阻R11串联，所述电阻R9的输入端作为所述三阶RC低通滤波电路的输入端，所述电阻R11的输出端作为所述三阶RC低通滤波电路的输出端；
[0022] 所述电容C13的一端与所述电阻R9的输出端相连，所述电容C13的另一端接地，所述电容C14的一端与所述电阻R10的输出端相连，所述电容C14的另一端接地，所述电容C15的一端与所述电阻R11的输出端相连，所述电容C15的另一端接地。
[0023] 可选的，所述第二一阶RC高通滤波电路包括电容C16和电阻R12，所述电容C16的输入端作为所述第二一阶RC高通滤波电路的输入端，所述电容C16的输出端作为所述第二一阶RC高通滤波电路的输出端，所述电阻R12的一端与所述电容C16的输出端相连，所述电阻R12的另一端接地。
[0024] 可选的，所述运算放大电路包括运算放大器U2B、电阻R13、电阻R14，所述运算放大器U2B的正输入端作为所述运算放大电路的输入端，所述运算放大器U2B的正电源端与地之间并联两个电容C17和C18，所述运算放大器U2B的负电源端与地之间并联两个电容C19和C20，所述运算放大器U2B的负输入端分别与所述电阻R13和所述电阻R14的一端相连，所述电阻R13的另一端接地，所述电阻R14的另一端与所述运算放大器U2B的输出端相连。
[0025] 本发明实施例的宽输入动态范围的前置放大电路，具有以下优点：1)宽输入动态范围；2)通频带内平稳，滤波效果好；3)微电荷的采集、转换以及信号做放大处理的电路设计方案可靠性高；4)电路性能稳定，信噪比高。
[0026] 为了实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种传感器，该传感器包括上一实施例所述的宽输入动态范围的前置放大电路，该传感器包括压电类电容式传感器。
[0027] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0028] 构成本发明的一部分的
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0029] 图1是本发明一实施例的宽输入动态范围的前置放大电路的电路图；
[0030] 图1a是本发明一个实施例的三阶有源带通滤波电路的电路图一；
[0031] 图1b是本发明一个实施例的三阶有源带通滤波电路的电路图二；
[0032] 图2是本发明一具体实施例的宽输入动态范围的前置放大电路的电路图；
[0033] 图3是本发明一个具体实施例的前级信号采集电路的电路图；
[0034] 图3a是本发明一个具体实施例的电荷源等效电路图；
[0035] 图3b是本发明一个具体实施例的简化后的电荷源等效电路图；
[0036] 图4是本发明一个具体实施例的二阶压控低通滤波电路的电路图；
[0037] 图5是本发明一个具体实施例的电路仿真结果示意图；
[0038] 图6是本发明一个具体实施例的实际测量数据的幅频曲线图。
具体实施方式
[0039] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0040] 以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。
[0041] 下面参考附图描述本发明实施例的宽输入动态范围的前置放大电路及具有其的传感器。
[0042] 图1是本发明一实施例的宽输入动态范围的前置放大电路的电路图。
[0043] 如图1所示，宽输入动态范围的前置放大电路包括前级信号采集电路110、第一一阶RC高通滤波电路120、电压跟随器130、二阶压控低通滤波电路140以及三阶有源带通滤波电路150。
[0044] 具体连接方式如下，信号采集电路110的输出端与第一一阶RC高通滤波电路120的输入端相连，第一一阶RC高通滤波电路120的输出端与电压跟随器130的输入端相连，电压跟随器130的输出端与二阶压控低通滤波电路140的输入端相连，二阶压控低通滤波电路140的输出端与三阶有源带通滤波电路150的输入端相连。
[0045] 其中，三阶有源带通滤波电路150进一步包括第二一阶RC高通滤波电路151、三阶RC低通滤波电路152和运算放大电路153，第二一阶RC高通滤波电路151、三阶RC低通滤波电路152和运算放大电路153以串联方式连接。
[0046] 在本发明的一个实施例中，第二一阶RC高通滤波电路151、三阶RC低通滤波电路152和运算放大电路153以串联方式连接可包括以下两种方式：
[0047] 如图1a所示，第二一阶RC高通滤波电路151的输出端与三阶RC低通滤波电路152的输入端相连，三阶RC低通滤波电路152的输出端与运算放大电路153的输入端相连。
[0048] 如图1b所示，三阶RC低通滤波电路152的输出端与第二一阶RC高通滤波电路151的输入端相连，第二一阶RC高通滤波电路的输出端151与运算放大电路153的输入端相连。
[0049] 下面通过一个具体实施例，来对本发明的宽输入动态范围的前置放大电路进行详细阐述。
[0050] 图2是本发明一具体实施例的宽输入动态范围的前置放大电路的电路图。
[0051] 如图2所示，宽输入动态范围的前置放大电路包括前级信号采集电路210、第一一阶RC高通滤波电路220、电压跟随器230、二阶压控低通滤波电路240以及三阶有源带通滤波电路250。
[0052] 如图3所示，前级信号采集电路210具体包括电荷源Q0、电荷源等效电容C0、电容C1、电阻R1、运算放大器U1A以及电阻R2。
[0053] 其中，电荷源Q0、电荷源等效电容C0、电容C1、电阻R1并联，电荷源Q0、电荷源等效电容C0、电容C1、电阻R1的一端与运算放大器U1A的正输入端相连，电荷源Q0、电荷源等效电容C0、电容C1、电阻R1的另一端接地；电阻R2的一端与运算放大器U1A的负输入端相连，电阻R2的另一端与运算放大器U1A的输出端相连；运算放大器U1A的正电源端与地之间并联两个电容C2和C3，运算放大器U1A的负电源端与地之间并联两个电容C4和C5。
[0054] 运算放大器U1A搭建的是一个采集
压电传感器原始信号的电路。压电传感器(电荷源Q0)的原始信号首先会传递到运算放大器U1A，运算放大器U1A会将压电传感器产生的电荷信号尽可能多的转换为电压信号并进行传输，且还将较大的输入阻抗变换为较小的输出阻抗，有利于电压信号的传输。
[0055] 设计前级信号采集电路210的原理如下：
[0056] 图3a为电荷源等效电路图。如图3a所示，Q0为电荷源，Ca为压电传感器等效电容，Cc为连接
电缆等效电容，Ci为运算放大器输入电容(相当于图3中的C1)，Ra为压电传感器等效电阻，Ri为运算放大器输入电阻(相当于图3中的R1)，U0为运算放大器
输出电压。可将图3a简化为图3b。其中，电容Ct＝Ca+Cc+Ci，电阻 根据交流电的欧姆定律可得到公式一：
[0057]
[0058] 假设是在稳态简谐输入的情况下，即电量Q＝Qejωt，电压Uo＝Uejωt，然后可化简为公式二：
[0059]
[0060] 本
申请选取的输入电阻Ri是MΩ量级的，运算放大器的输入电容Ci为1uF以上，而压电传感器的等效电阻Ra高达108Ω以上。所以当测量
频率较高时，电容 又由于压电传感器的等效内部电容为pF量级，而所使用的连接电缆的等效内部电容也在50pF/m量级，故电容Ci>>Ca+Cc，则Ct约等于Ci，最后可简化为公式三：
[0061] 从公式三可知，压电
薄膜因形变而产生的电荷会尽可能多的累积在前级信号采集电路的输入电容上并转换为电压信号。由此设计的前级信号采集电路如图3所示。
[0062] 第一一阶RC高通滤波电路220包括电容C6、电阻R3，电容C6的一端与运算放大器U1A的输出端相连，电容C6的另一端分别与电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地。电容C6、电阻R3组成的是一个阻隔电路中
直流分量的电路，实际上则是一个高通滤波电路，滤除部分低频
干扰信号以及降低50Hz的电源工频干扰。
[0063] 电压跟随器230包括运算放大器U1B和电阻R4。其中，运算放大器U1B的正输入端与电容C6的另一端相连，运算放大器U1B的负输入端与电阻R4的一端相连。
[0064] 电压跟随器230可以起阻抗变换的作用，将大的输入阻抗变为小的输出阻抗。
[0065] 如图4所示，二阶压控低通滤波电路240包括电容C7、电容C8、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、运算放大器U2A。
[0066] 其中，电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连，电阻R5的另一端分别与电阻R7的一端和电容C7的一端相连，电阻R7的另一端分别与电容C8的一端和运算放大器U2A的正输入端相连，电容C8的另一端接地，运算放大器U2A的负输入端分别与电阻R6的一端和电阻R8的一端相连，电阻R6的另一端接地，电阻R8的另一端与运算放大器U2A的输出端相连，运算放大器U2A的正电源端与地之间并联两个电容C9和C10，运算放大器U2A的负电源端与地之间并联两个电容C11和C12。
[0067] 如图4所示的电路可得公式四： 其中，u0(s)即图中的u0(该点对应的电压),up(s)即图中的up(该点对应的电压),Aup表示该运算放大器(U2A)的增益。
[0068] 公式五： 其中，ui’(s)即图4中的ui’(该点对应的电压)，
[0069] 利用
节点电流法，可得公式六：其中，ui(s)即图4中的ui，最后整
理可求出的传递函数为公式七：
[0070] 其中，Aus为二阶压控低通滤波电路增益，即以拉普拉斯变换的形式表示的放大倍数。
[0071] 然后令s＝jω，ω0＝2πf0，得到频率特性为公式八：
[0072]
[0073] 公式八所代表的就是该电路的幅频响应曲线。
[0074] 三阶有源带通滤波电路250进一步包括第二一阶RC高通滤波电路251、三阶RC低通滤波电路252和运算放大电路253。三阶RC低通滤波电路的输出端252与第二一阶RC高通滤波电路的输入端251相连，第二一阶RC高通滤波电路的输出端251与运算放大电路253的输入端相连。
[0075] 第二一阶RC高通滤波电路251包括电容C16和电阻R12，电容C16的输入端作为第二一阶RC高通滤波电路251的输入端，电容C16的输出端作为第二一阶RC高通滤波电路251的输出端，电阻R12的一端与电容C16的输出端相连，电阻R12的另一端接地。
[0076] 三阶RC低通滤波电路252包括电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C13、电容C14、电容C15。其中，电阻R9、电阻R10、电阻R11串联，电阻R9的输入端作为三阶RC低通滤波电路252的输入端，电阻R11的输出端作为三阶RC低通滤波电路252的输出端；电容C13的一端与电阻R9的输出端相连，电容C13的另一端接地，电容C14的一端与电阻R10的输出端相连，电容C14的另一端接地，电容C15的一端与电阻R11的输出端相连，电容C15的另一端接地。
[0077] 对于三阶RC低通滤波电路252，其对应的传递函数用公式九表示：
[0078]
[0079] 其中，
[0080] 然后将s换成jω，同时令R9＝R10＝R11＝R，C13＝C14＝C15＝C，ω0＝2πf0＝1/(RC)，其频率特性通过公式十表示：
[0081]
[0082] 运算放大电路253包括运算放大器U2B、电阻R13、电阻R14，运算放大器U2B的正输入端作为运算放大电路的输入端，运算放大器U2B的正电源端与地之间并联两个电容C17和C18，运算放大器U2B的负电源端与地之间并联两个电容C19和C20，运算放大器U2B的负输入端分别与电阻R13和电阻R14的一端相连，电阻R13的另一端接地，电阻R14的另一端与运算放大器U2B的输出端相连。
[0083] 三阶有源带通滤波电路250，通频带范围宽且
通带内平稳
波动小。既可以滤除部分低频干扰信号又可以降低50Hz的电源工频干扰，使高于设定频率的信号被抑制，这样就可以消减电路中的很多噪声，提高信噪比。
[0084] 电路设计完成之后，可利用仿真
软件MULTISIM进行仿真，仿真结果如图5所示，最大
输入信号幅值范围可达600mV以上。由实际电路的测量数据绘制的幅频曲线如图6所示，此电路实测的最大输入信号的幅值范围可达1V以上。
[0085] 本发明实施例的宽输入动态范围的前置放大电路，具有以下优点：1)宽输入动态范围；2)通频带内平稳，滤波效果好；3)微电荷的采集、转换以及信号做放大处理的电路设计方案可靠性高；4)电路性能稳定，信噪比高。
[0086] 为实现上述目的，本发明还提出一种传感器，该传感器包括如上一实施例所述的宽输入动态范围的前置放大电路。
[0087] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0088] 在
流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定
序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取
存储器(RAM)，
只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0089] 应当理解，本发明的各部分可以用
硬件、软件、
固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的
逻辑门电路的离散
逻辑电路，具有合适的组合
逻辑门电路的
专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，
现场可编程门阵列(FPGA)等。
[0090] 需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0091] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
