CN103368512B - 一种多路差分放大电路及其精度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多路差分放大电路，包括若干个多路模拟开关和输入端分别与各多路模拟开关的输出端连接的仪表放大器；还包括依次接于仪表放大器的输出端与反馈输入端之间的PI调节器、受控开关和采样保持器；还包括时序控制电路与地址总线编码器；地址总线编码器与各多路模拟开关连接，时序控制电路分别与受控开关的控制端和地址总线编码器连接，时序控制电路分别用于控制受控开关的通断和通过控制地址总线编码器来选通多路模拟开关的通道。本发明的多路差分放大电路实现了对由于模拟开关、运放失调电压及失调电流等因素引起的采样误差的抑制，提高了采样精度。
Description
技术领域
本发明涉及多路差分放大电路及其精度补偿方法。
背景技术
多路差分放大电路在各种信号采集***中有着广泛的应用，传统的仪表放大器电路虽然具有输入阻抗大及共模抑制比高等优点，但其输出精度较低。目前，对于提高多路放大电路精度的方法主要是通过降低运算放大器的失调电压、失调电流及模拟开关的导通阻抗等实现，一般是通过选取级别更高的器件来实现，但对于一些具有高精度要求场合的需求仍难以满足。
发明内容
为了解决现有差分放大电路精度不高的技术问题，本发明提供一种多路差分放大电路，包括若干个多路模拟开关和输入端分别与各多路模拟开关的输出端连接的仪表放大器；还包括依次接于仪表放大器的输出端与反馈输入端之间的PI调节器、受控开关和采样保持器；还包括时序控制电路与地址总线编码器；地址总线编码器与各多路模拟开关连接，时序控制电路分别与受控开关的控制端和地址总线编码器连接，时序控制电路分别用于控制受控开关的通断和通过控制地址总线编码器来选通多路模拟开关的通道。
进一步的，仪表放大器的输出与PI调节器的反相输入端连接，PI调节器经过受控开关后与采样保持器的反相输入端连接，PI调节器和采样保持器各自的同相输入端分别接地。
进一步的，仪表放大器包括第一运放器、第二运放器、第三运放器、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻Rg；第一运放器和第二运放器各自的同相输入端分别作为仪表放大器的输入端，第一运放器的反相输入端经过电阻Rg与第二运放器的反相输入端连接，电阻R1接于第一运放器的反相输入端和输出端之间，电阻R2接于第二运放器的反相输入端和输出端之间，第一运放器的输出端经过电阻R3与第三运放器的同相输入端连接，第二运放器的输出端经过电阻R4与第三运放器的反相输入端连接，电阻R5接于第三运放器的同相输入端和输出端之间，第三运放器的输出端作为仪表放大器的输出端，电阻R6接于第三运放器的反相输入端和仪表放大器的反馈输入端之间；其中，R1＝R2，R3＝R4，R5＝R6。
本发明还提供一种上述多路差分放大电路的精度补偿方法，包括如下步骤：
时序控制电路控制受控开关导通，采样开始；
多路模拟开关的接地通道被选通；
PI调节器调节电压，使仪表放大器的输出为零；
采样保持器保持上一步骤中使仪表放大器的输出为零的PI调节器的输出电压；
多路模拟开关根据时序控制电路通过地址总线编码器选定的采样通道选通该采样通道。
进一步的，所述精度补偿方法包括：
时序控制电路通过地址总线编码器选定某一采样通道时，多路模拟开关延时一时间段Tc后选通该采样通道；
在该时间段Tc内：多路模拟开关的接地通道被选通，PI调节器调节电压，使仪表放大器的输出位零；采样保持器保持该使仪表放大器的输出为零的PI调节器的输出电压。
本发明具的有益效果是：本发明的多路差分放大电路通过采用采样保持方式进行原始偏置电压的有效补偿，实现了对由于温度、模拟开关、运放失调电压及失调电流等因素引起的采样误差的抑制，提高了采样精度及通道之间的一致性，便于集成。
附图说明
图1为本发明实施例的多路差分放大电路的结构示意图；
图2为本发明实施例中的仪表放大器的电路结构图；
图3为本发明实施例多路差分放大电路及其精度补偿方法的控制时序图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。在本发明的附图中，同一实施例的相关的多幅附图中同一个元件将用同一个符号表示。
如图1所示，本发明实施例的多路差分放大电路，是一种带自动补偿功能的高精度多路差分放大电路，包括若干多路模拟开关1和输入端分别与各多路模拟开关1的输出端连接的仪表放大器2；还包括依次接于仪表放大器2的输出端与反馈输入端之间的PI调节器3(即附图1中的PI控制器3)、受控开关4和采样保持器5；还包括时序控制电路6与地址总线编码器7，地址总线编码器7与各多路模拟开关1连接，时序控制电路6分别与受控开关4的控制端和地址总线编码器7连接，时序控制电路6分别用于控制受控开关5的通断和通过控制地址总线编码器7来选通多路模拟开关1的通道。时序控制电路6通过地址总线编码器7选定某一采样通道时，多路模拟开关1不会立即选通该通道，而是延时一时间段Tc，在该时间段Tc内，PI调节器3进行校准使得仪表放大器2的输入信号为零时，仪表信号放大器2的输出为零，其中，使仪表放大器2输入为零的方法是将多路模拟开关1的接地通道选通。
多路差分信号经过多路模拟开关1的切换选择输入给仪表放大器2，在每次切换通道时，多路模拟开关1首先接入到指定的调零通道，此时，电路工作于调零阶段，调零完成后，采样保持器5将PI调节器3的输出保持，并切换至相应通道进行采样。
其中，如图1所示，仪表放大器2的输出与PI调节器3的反相输入端连接，PI调节器3经过受控开关4后与采样保持器5的反相输入端连接，PI调节器3和采样保持器5各自的同相输入端分别接地。
具体的，如图2所示，仪表放大器2包括第一运放器21、第二运放器22、第三运放器23、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻Rg；第一运放器21和第二运放器22各自的同相输入端分别作为仪表放大器2的输入端，第一运放器21的反相输入端经过电阻Rg与第二运放器22的反相输入端连接，电阻R1接于第一运放器21的反相输入端和输出端之间，电阻R2接于第二运放器22的反相输入端和输出端之间，第一运放器21的输出端经过电阻R3与第三运放器23的同相输入端连接，第二运放器22的输出端经过电阻R4与第三运放器23的反相输入端连接，电阻R5接于第三运放器23的同相输入端和输出端之间，第三运放器23的输出端作为仪表放大器2的输出端，电阻R6接于第三运放器23的反相输入端和仪表放大器2的反馈输入端之间；其中，R1＝R2，R3＝R4，R5＝R6。根据图2所示的电路图经过计算得出：
Vo＝Vin*R5/R3*(1+2R1/Rg)+Vref+Verror
式中：
Vin为仪表放大器2的输入电压，
Vo为仪表放大器2的输出电压，
Vref为仪表放大器2的反馈输入电压，即参考电压，一般为接地；
Verror为由于失调电压、失调电流等因素造成的误差电压。
当Vin＝0时，由于误差电压Verror的存在，导致输出电压Vo产生一定偏差，通过反馈输入电压Vref的补偿，使得在Vin＝0时，Vo＝0，完成自动补偿。
本实施例的多路差分放大电路的精度补偿方法，包括如下步骤：
时序控制电路6控制受控开关4导通，采样开始；
多路模拟开关1的接地通道被选通；
PI调节器3调节电压，使仪表放大器2的输出为零；
采样保持器5保持上一步骤中使仪表放大器2的输出为零的PI调节器3的输出电压；
多路模拟开关1根据时序控制电路6通过地址总线编码器7选定的采样通道选通该采样通道。
上述方法中，时序控制电路6通过地址总线编码器7选定某一采样通道时，多路模拟开关1延时一时间段Tc后选通该采样通道；在该时间段Tc内：多路模拟开关1的接地通道被选通，PI调节器3调节电压，使仪表放大器1的输出为零；采样保持器5保持该使仪表放大器1的输出为零的PI调节器3的输出电压。
具体的，结合图1、图3所示，首先，由外部控制使能信号AN_EN的置高控制采样开始；接着，依据AN_EN的上升沿为延时基准，采样保持器延迟一段时间Tc，由采样状态转为保持状态，此阶段称为校准阶段：在Tc时间段内，模拟开关接入到第16通道(接地通道)，PI调节器调节补偿电源实现仪表放大器的输出为零；最后，在调零阶段结束后，采样保持器切入到保持状态，采样保持器保持PI调节器调零阶段的最终输出电压，多路模拟开关切入到相应的采样通道，读取采样结果。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种多路差分放大电路，包括若干个多路模拟开关(1)和输入端分别与各多路模拟开关(1)的输出端连接的仪表放大器(2)，其特征在于：包括依次接于仪表放大器(2)的输出端与反馈输入端之间的PI调节器(3)、受控开关(4)和采样保持器(5)；还包括时序控制电路(6)与地址总线编码器(7)；地址总线编码器(7)与各多路模拟开关(1)连接，时序控制电路(6)分别与受控开关(4)的控制端和地址总线编码器(7)连接，时序控制电路(6)分别用于控制受控开关(4)的通断和通过控制地址总线编码器(7)来选通多路模拟开关(1)的通道；其中，仪表放大器(2)的输出与PI调节器(3)的反相输入端连接，PI调节器(3)经过受控开关(4)后与采样保持器(5)的反相输入端连接，PI调节器(3)和采样保持器(5)各自的同相输入端分别接地。
2.根据权利要求1所述的多路差分放大电路，其特征在于：仪表放大器(2)包括第一运放器(21)、第二运放器(22)、第三运放器(23)、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻Rg；第一运放器(21)和第二运放器(22)各自的同相输入端分别作为仪表放大器(2)的输入端，第一运放器(21)的反相输入端经过电阻Rg与第二运放器(22)的反相输入端连接，电阻R1接于第一运放器(21)的反相输入端和输出端之间，电阻R2接于第二运放器(22)的反相输入端和输出端之间，第一运放器(21)的输出端经过电阻R3与第三运放器(23)的同相输入端连接，第二运放器(22)的输出端经过电阻R4与第三运放器(23)的反相输入端连接，电阻R5接于第三运放器(23)的同相输入端和输出端之间，第三运放器(23)的输出端作为仪表放大器(2)的输出端，电阻R6接于第三运放器(23)的反相输入端和仪表放大器(2)的反馈输入端之间；其中，R1＝R2，R3＝R4，R5＝R6。
3.一种权利要求1、或2所述的多路差分放大电路的精度补偿方法，包括如下步骤：
时序控制电路(6)控制受控开关(4)导通，采样开始；
多路模拟开关(1)的接地通道被选通；
PI调节器(3)调节电压，使仪表放大器(2)的输出为零；
采样保持器(5)保持上一步骤中使仪表放大器(2)的输出为零的PI调节器(3)的输出电压；
多路模拟开关(1)根据时序控制电路(6)通过地址总线编码器(7)选定的采样通道选通该采样通道。
4.根据权利要求3所述的多路差分放大电路的精度补偿方法，其特征在于：
时序控制电路(6)通过地址总线编码器(7)选定某一采样通道时，多路模拟开关(1)延时一时间段Tc后选通该采样通道；
在该时间段Tc内：多路模拟开关(1)的接地通道被选通，PI调节器(3)调节电压，使仪表放大器(2)的输出为零；采样保持器(5)保持该使仪表放大器(2)的输出为零的PI调节器(3)的输出电压。
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