一种优化的模拟信号调理电路及其工作方法与流程

本发明涉及电路设计及其工作相关技术领域，具体地说，涉及一种优化的模拟信号调理电路及其工作方法。

背景技术：

目前，调理电路是功率控制系统中模拟信号采集电路必备的环节，模拟信号需要经过调理后转化成合适的电气量送至采样芯片或DSP自带的A/D转换器，常用的模拟信号调理电路如图1所示，由跟随模块、放大模块、偏置模块和滤波模块4个部分组成。从图1中可以看出，现有的模拟信号调理电路存在采用的器件较多，存在电路结构复杂，信号传输距离长，占用面积大，故障率高，经济性差等问题。

此外，A/D转换器有单极性和双极性之分，常用的模拟信号调理电路更适用于单极性的A/D转换器（例如DSP自带的A/D转换器），对于双极性的A/D转换器而言，实际上不需要偏置电路环节，适用于单极性的A/D转换器的调理电路，其他电路结构对于双极性的A/D转换器而言是冗余的。因此，在实际应用中，往往由于A/D转换器的单/双极性差别，造成重新设计调理电路，增加了时间成本，灵活性较差。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的模拟信号调理电路存在采用的器件较多，电路结构复杂，信号传输距离长，占用面积大，故障率高，经济性差等问题，提供一种优化的模拟信号调理电路，进一步通过更合理的电路结构设计及工作模式的选择，解决由于A/D转换器的单/双极性差别，造成重新设计调理电路，增加了时间成本，灵活性较差的问题。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

本发明的第一方面，一种优化的模拟信号调理电路，其特征在于，包括：

滤波模块，所述滤波模块为有源二阶低通滤波电路，有源二阶低通滤波的输入端输入初始模拟信号；

放大偏置模块，所述放大偏置模块包括，偏置电路和放大电路，所述偏置电路的输入端连接有源二阶低通滤波的输出端，偏置电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端输出经过调理的模拟信号。

本发明中，所述有源二阶低通滤波电路，包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第二电阻R2的两端分别连接第一电阻R1和第一运算放大器U1的同相输入端，第一电阻R1的另一端为有源二阶低通滤波电路的输入端；第一电容C1的一端连接第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点，另一端连接第一运算放大器U1的反向输入端；第二电容C2的一端与第一运算放大器U1的同相输入端相连，另一端接地；第一运算放大器U1的反相输入端与输出端相连，第一运算放大器U1的输出端是有源二阶低通滤波电路输出端。

本发明中，所述偏置电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和偏置电压Vref，所述第三电阻R3的一端为偏置电路的输入端，另一端为偏置电路的输出端；第四电阻R4的一端连接偏置电路的输出端，另一端连接偏置电压Vref。

所述放大电路为同相放大电路，包括第五电阻R5、第六电阻R6和第二运算放大器U2，所述偏置电路的输出端连接第二运算放大器U2的同相输入端；所述第五电阻R5的一端连接第二运算放大器U2的反相输入端，另一端接地；所述第六电阻R6的两端分别连接第二运算放大器U2的反相输入端和输出端；第二运算放大器U2的输出端是放大电路的输出端。

本发明的第二方面，另一种优化的模拟信号调理电路，其特征在于，包括：

滤波模块，所述滤波模块为有源二阶低通滤波电路，有源二阶低通滤波的输入端输入初始模拟信号；

放大偏置模块，所述放大偏置模块包括，偏置选择电路和放大电路，所述偏置选择电路设有偏置选择开关，所述偏置选择开关控制偏置电压是否接入偏置选择电路，所述偏置选择电路的输入端连接有源二阶低通滤波的输出端，偏置选择电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端输出经过调理的模拟信号。

本发明中，所述有源二阶低通滤波电路，包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，所述第二电阻R2的两端分别连接第一电阻R1和第一运算放大器U1的同相输入端，第一电阻R1的另一端为有源二阶低通滤波电路的输入端；第一电容C1的一端连接第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点，另一端连接第一运算放大器U1的反向输入端；第二电容C2的一端与第一运算放大器U1的同相输入端相连，另一端接地；第一运算放大器U1的反相输入端与输出端相连，第一运算放大器U1的输出端是有源二阶低通滤波电路输出端。

本发明中，所述偏置选择电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、偏置选择开关和偏置电压Vref，所述第三电阻R3的一端为偏置电路的输入端，另一端为偏置电路的输出端；偏置选择开关的一端连接偏置电路的输出端，偏置选择开关的另一端连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端连接偏置电压Vref。

所述偏置选择开关为跳针J，跳针J的两个管脚分别连接偏置电路的输出端和第四电阻R4。

所述放大电路为同相放大电路，包括第五电阻R5、第六电阻R6和第二运算放大器U2，所述偏置电路的输出端连接第二运算放大器U2的同相输入端；所述第五电阻R5的一端连接第二运算放大器U2的反相输入端，另一端接地；所述第六电阻R6的两端分别连接第二运算放大器U2的反相输入端和输出端；第二运算放大器U2的输出端是放大电路的输出端。

本发明的第三方面，一种优化的模拟信号调理电路的工作方法，经过调理的模拟信号输入A/D转换器，其特征在于，包括：

1）判断经过调理的模拟信号拟输入的A/D转换器的极性；

2）当拟输入的A/D转换器为单极性时，通过偏置选择开关接入偏置电压，当A/D转换器为双极性时，通过偏置选择开关不接入偏置电压。

本发明的优化的模拟信号调理电路及其工作方法，摒弃了现有技术中调理电路由跟随模块、放大模块、偏置模块和滤波模块4个复杂部分组成的缺陷，优化了电路结构，减少器件的数量、缩短了传输距离，降低了故障率，大大节约了空间和成本；此外优化的模拟信号调理电路可针对单/双极性的A/D转换器进行工作模式灵活的切换，避免了调理电路的重复设计，节约了时间成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为现有模拟信号调理电路的电路结构示意图。

图2为本发明模拟信号调理电路第一种实施方式的电路结构示意图

图3为本发明模拟信号调理电路第二种实施方式的电路结构示意图。

图4为图3所示实施方式适用于单极性A/D转换器的等效电路结构示意图。

图5为图3所示实施方式适用于双极性A/D转换器的等效电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明的主旨在于，通过对现有模拟信号的调理电路的电路结构和使用场景的分析，发现现有的模拟信号调理电路存在采用的器件较多，电路结构复杂，信号传输距离长，占用面积大，故障率高，经济性差等问题，针对A/D转换器的单/双极性差别，造成需要重新设计调理电路，增加了时间成本，存在灵活性较差的问题，通过本发明提供一种优化的模拟信号调理电路及其工作方法以解决上述问题。

参见图2，在本实施方式的优化的模拟信号调理电路，包括滤波模块和放大偏置模块2个部分，相对于现有技术模块数量大为减少，电路结构大为精简，初始的模拟信号Uin经过滤波模块，再通过放大偏置模块输出合适的电气量Uout（经过调理的模拟信号）。

在本实施方式中，滤波模块采用有源二阶低通滤波电路，有源二阶低通滤波的输入端用于输入初始模拟信号，其包括包括第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1和第二电容C2，第二电阻R2的两端分别连接第一电阻R1和第一运算放大器U1的同相输入端，第一电阻R1的另一端为有源二阶低通滤波电路的输入端；第一电容C1的一端连接第一电阻R1和第二电阻R2之间的连接点，另一端连接第一运算放大器U1的反向输入端；第二电容C2的一端与第一运算放大器U1的同相输入端相连，另一端接地；第一运算放大器U1的反相输入端与输出端相连，第一运算放大器U1的输出端是有源二阶低通滤波电路输出端。

滤波模块采用采用有源二阶低通滤波电路，可以滤除初始的模拟信号中的高频分量；此外滤波模块还具有较大的输入阻抗，较小的输出阻抗的特点，与常用的模拟信号调理电路中跟随模块的功能类似，故在电路中也作为跟随部分，起缓冲隔离作用，使得后一级的放大偏置模块更好工作。

有源二阶低通滤波电路输出端连接放大偏置模块，具体而言，放大偏置模块包括，偏置电路和放大电路，偏置电路的输入端连接有源二阶低通滤波的输出端，偏置电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端输出经过调理的模拟信号。

本实施方式中，偏置电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和偏置电压Vref，第三电阻R3的一端为偏置电路的输入端，另一端为偏置电路的输出端；第四电阻R4的一端连接偏置电路的输出端，另一端连接偏置电压Vref。放大电路则采用同相放大电路，将模拟信号进行同相比例放大，其包括第五电阻R5、第六电阻R6和第二运算放大器U2，偏置电路的输出端连接第二运算放大器U2的同相输入端；第五电阻R5的一端连接第二运算放大器U2的反相输入端，另一端接地；第六电阻R6的两端分别连接第二运算放大器U2的反相输入端和输出端；第二运算放大器U2的输出端是放大电路的输出端，本实施方式还可以通过调节第六电阻R6电阻值实现模拟信号的放大倍数调整，以满足AD采样芯片或DSP的采样量程范围要求。

本实施方式在一个具体的实例中，第一运算放大器U1采用OP735，第一电阻R1为15.8kΩ，第二电阻R2为15.8kΩ、第一电容C1为10nF，第二电容C2为10nF；第二运算放大器U2同样采用OP735，第三电阻R3为20 kΩ，第四电阻R4为50 kΩ，第五电阻R5为20 kΩ，第六电阻R6为50kΩ，偏置电压Vref设置为2.5V。通过上述设置，本实施方式的滤波模块中有源二阶低通滤波电路的截止频率为1kHz，低频增益为1，确实实现了有源二阶低通滤波电路的输入阻抗很大，输出阻抗很小的特点，也具备跟随模块的功能；放大偏置模块中偏置电路将模拟信号抬高零电位以上，再进行同相比例放大，很好地满足AD采样芯片或DSP的采样量程范围，优化了电路结构，减少器件的数量、缩短了传输距离，降低了故障率，大大节约了空间和成本。

本实施方式优化的模拟信号调理电路，其经过调理的模拟信号较优地适合输入单极性的A/D转换器，当经过调理的模拟信号拟输入双极性的A/D转换器时，偏置电路实际上是冗余的。

参见图3，本实施方式的优化的模拟信号调理电路与前述实施方式的优化的模拟信号调理电路在基本电路结构上是相似的，同样包括滤波模块和放大偏置模块2个部分，且滤波模块的电路结构与前述的实施方式是相同的，采用有源二阶低通滤波电路，其具体结构在前述实施方式中已经进行了详细描述，此处不再累述。

本实施方式与前述实施方式的主要区别在于放大偏置模块是不同的，具体而言，在本实施方式中，放大偏置模块包括，偏置选择电路和放大电路，偏置选择电路是与前述实施方式主要的区别点，偏置选择电路设有偏置选择开关，偏置选择开关控制偏置电压是否接入偏置选择电路，偏置选择电路的输入端同样连接有源二阶低通滤波的输出端，偏置选择电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端输出经过调理的模拟信号。

偏置选择电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、偏置选择开关和偏置电压Vref，第三电阻R3的一端为偏置电路的输入端，另一端为偏置电路的输出端；偏置选择开关的一端连接偏置电路的输出端，偏置选择开关的另一端连接第四电阻R4，第四电阻R4的另一端连接偏置电压Vref，在本实施方式中，偏置选择开关采用跳针J，跳针J的两个管脚分别连接偏置电路的输出端和第四电阻R4。

基于上述设置，本实施方式的优化的模拟信号调理电路，基于偏置选择开关的选择，等效的电路结构可以快速地对是否接入偏置电压进行切换，经过调理的模拟信号，可以快速切换到适用于输出到单极性的A/D转换器和双极性的A/D转换器，并且在适用于双极性的A/D转换器时，电路结构不存在冗余。

本实施方式的优化的模拟信号调理电路在工作时，首先判断经过调理的模拟信号拟输入的A/D转换器的极性，当拟输入的A/D转换器为单极性时，通过偏置选择开关接入偏置电压，当A/D转换器为双极性时，通过偏置选择开关不接入偏置电压，判断模拟信号拟输入的A/D转换器的极性可以由使用者或者机器来实现。

参见图4和图5，本实施方式采用跳针J作为偏置选择开关时，如果判断出模拟信号拟输入的A/D转换器的极性为单极性时，将跳针J1的1号和2号管脚相连，优化的模拟信号调理电路的等效电路结构如图4所示，偏置电压Vref被选择接入；如果判断出模拟信号拟输入的A/D转换器的极性为双极性时，将跳针J1的1号和2号管脚不相连，优化的模拟信号调理电路的等效电路结构如图5所示，偏置电压Vref则没有被接入，这时，调理电路的的工作模式相当于隔离了偏置环节。通过上述设置，模拟信号调理电路可针对单/双极性的A/D转换器进行工作模式灵活的切换，避免了调理电路的重复设计，节约了时间成本。

本实施方式的放大电路与前述的实施方式也是相同的，放大电路采用同相放大电路，包括第五电阻R5、第六电阻R6和第二运算放大器U2，偏置电路的输出端连接第二运算放大器U2的同相输入端；第五电阻R5的一端连接第二运算放大器U2的反相输入端，另一端接地；第六电阻R6的两端分别连接第二运算放大器U2的反相输入端和输出端；第二运算放大器U2的输出端是放大电路的输出端。

另外，需要指出的是，本发明前述实施方式各原器件的选型和参数同样适应于本实施方式，前述实施方式已经进行了详细的描述，此处不再累述。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。