CN106020070A - 一种新型模拟信号放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型模拟信号放大器，包括微处理器电路、电源电路、人机接口电路、通讯接口电路、数字IO接口电路、模数转换电路、模拟信号差分放大电路。本发明信号通频带宽，满足高速控制响应的应用；能够高速采集输出端模拟信号，省去模拟量采集设备，节省了硬件成本；有方便的人机界面，客户操作简单，能直观的设置和获取信息；执行传感器与模拟信号放大器标定校准操作简单快速，标定校准结果准确，不受用户专业性与其他测试仪器精度影响；有丰富的通讯接口，还能多个模拟信号放大器通过CAN总线组成局域网通讯，布线方便，可靠性更高；有数字IO接口，方便后级控制设备及时获取采集量的状态来对采集量控制；能源利用效率高，发热量小。

Description

一种新型模拟信号放大器

技术领域：

本发明属于集成电路技术领域，具体是涉及一种新型模拟信号放大器。

背景技术：

模拟信号放大器主要应用在称重、压力测试、压力控制、传感器数据采集、工业自动化现场仪表等应用中，需要将电桥式传感器输出的微小模拟信号转换为标准模拟信号的领域。

目前，传统的桥式传感器模拟信号放大器装置如图1所示，传感器模拟信号放大器使用前必须与传感器进行标定校准。其人机交互式选择开关和两个电位器，用于校准传感器使用。校准时根据传感器灵敏度通过选择开关选择放大器的增益范围，然后调节增益调节电位器来精细调节放大增益，调节零点调节电位器来调整放大器的零点失调。通过来回调整增益调节电位器和零点调节电位器最终将放大器校准，使输出端输出与传感器零点和满量程对应的标准模拟量输出，以供猴急设备正确读取。

采用传统的桥式传感器模拟信号放大器，存在以下缺点：

(1)没有输出信号数据显示，校准调整时需使用其他仪表测试输出信号，给现场安装与维护带来麻烦，增加了安装与维护成本。

(2)没有模数转换电路，在用户需要对传感器信号数字化采集时后级需使用额外的模拟信号采集设备，增加了硬件成本。

(3)人机交互电路使用困难，由于是硬件上的选择开关和电位器，用户使用时无法给出用户提示信息，而且校准调整后的准确度直接受校准人员的专业性及测试仪表的准确度所影响。用户必须是经过培训的专业人员才能进行安装与设置，无法满足日益灵活的工业自动化行业应用。

(4)传感器会随时间变化出现蠕变现象以及使用环境变化出现灵敏度变化，这时需重新校准标定模拟信号放大器，传统的模拟信号放大器校准耗时长，增加了人力成本。

(5)输出端模拟信号不是差分信号，在电磁环境复杂的工业应用现场信号容易受到干扰。

发明内容：

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中传感器模拟信号放大器主要采用硬件电路，人机交互电路使用困难，由于是硬件上的选择开关和电位器，用户使用时无法给出用户提示信息，而且校准调整后的准确度直接受校准人员的专业性及测试仪表的准确度所影响。用户必须是经过培训的专业人员才能进行安装与设置，无法满足日益灵活的工业自动化行业应用。无法获取数字量输出结果，必须采用其他模拟量采集设备增加了硬件成本。输出端模拟信号不是差分信号，在电磁环境复杂的工业应用现场信号容易受到干扰，从而提出一种新型模拟信号放大器。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种新型模拟信号放大器，包括：

微处理器电路、电源电路、人机接口电路、通讯接口电路、数字IO接口电路、模数转换电路、模拟信号差分放大电路。

所述微处理器电路包括MCU微处理器，所述微处理器电路分别与所述人机接口电路、所述通讯接口电路、所述数字IO接口电路、所述模数转换电路、所述模拟信号差分放大电路连接。

所述电源电路包括隔离开关电源电路和线性稳压电源，所述隔离开关电源电路的输入端连接DC24V电源输入，所述电源电路产生+9V、-9V、5V、3.3V四个电源轨。

所述模拟信号差分放大电路包括第一程控放大器、第一仪表差分放大电路、第一差分输出驱动电路、第二程控放大器、第二仪表差分放大电路、第二差分输出驱动电路，所述第一程控放大器的输入端连接第一传感器信号输入，所述第一仪表差分放大电路的输入端连接所述第一程控放大器的输出端，所述第一差分输出驱动电路的输入端连接所述第一仪表差分放大电路的输出端，所述第一差分输出驱动电路的输出端连接第一标准差分模拟信号输出，所述第二程控放大器的输入端连接第二传感器信号输入，所述第二仪表差分放大电路的输入端连接所述第二程控放大器的输出端，所述第二差分输出驱动电路的输入端连接所述第二仪表差分放大电路的输出端，所述第二差分输出驱动电路的输出端连接第二标准差分模拟信号输出。

作为上述技术方案的优选，所述人机接口电路包括OLED电路和多个按键及指示灯电路，所述MCU微处理器通过SPI接口与所述OLED电路连接，所述MCU微处理器通过IO接口与所述多个按键及指示灯电路连接。

作为上述技术方案的优选，所述OLED电路为128*64OLED电路，所述多个按键及指示灯电路为4个按键及指示灯电路。

作为上述技术方案的优选，所述通讯接口电路包括USB转串口电路、隔离以太网接口电路、隔离CAN总线接口电路，所述MCU微处理器通过UART接口与所述USB转串口电路连接，所述MCU微处理器通过以太网接口与所述隔离以太网接口电路连接，所述MUC微处理器通过CAN接口与所述隔离CAN总线接口电路连接。

作为上述技术方案的优选，所述MCU微处理器通过IO接口与所述数字IO接口电路连接。

作为上述技术方案的优选，所述模数转换电路包括ADC电路，所述ADC电路的输入端分别连接所述第一仪表差分放大电路的输出端、所述第二仪表差分放大电路的输出端，所述ADC电路的输出端通过SPI接口连接所述MCU微处理器。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明使用了隔离开关电源，使用工业弱电***常用的DC24V作为输入，使得布线方便，隔离的电源无需担心工业现场复杂的用电设备造成不经意的电源干扰和接地干扰等。开关电源效率高，发热少，体积小，输入容差大，在工业应用现场能为产品提供稳定可靠的电源供应，大大提高了产品可靠性，减小产品体积与重量，提高了能源利用效率。

(2)本发明增加了OLED显示屏和4按键电路，方便与用户信息交互。要对模拟信号放大器与传感器进行标定校准时只需根据128*64OLED显示屏提示操作，即可标定模拟信号放大器与传感器输入量关系。用户可以通过OLED屏幕与4个按键查看到当前的设置信息及标定校准后的传感器输入数据信息，还能进行通讯参数设置及多个模拟信号放大器通过CAN总线组成局域网通讯。

(3)本发明增加了ADC电路，能高速并且准确的采集频率采集输出端模拟信号，为客户省去了模拟量采集设备，能让客户直接看到传感器输入量。

(4)本发明增加了多种通讯接口，方便在工业应用中与其他设备集成，还能多个模拟信号放大器通过CAN总线组成局域网通讯，布线方便，可靠性更高。

(5)本发明增加了数字IO接口，通过数字IO接口可以用IO信号来控制数据采集和快速获取输入端的状态信息，方便后级控制设备对采集量的控制。

(6)本发明使用了程控放大器，用户只需通过人机交互界面操作即可轻松完成放大器与传感器标定校准的工作。标定结果不再受用户的专业性和测试仪器的准确度影响，满足日益灵活的工业自动化行业应用。降低了传感器使用的安装和维护成本，降低了人力成本。

(7)本发明使用差分模拟信号输出，在EMC环境复杂的工业应用现场信号抗干扰能力强。模拟信号通道是一条完整的模拟通道，不经过AD和DA的转换，信号通道无延迟，轻松实现高的信号通带带宽，对模数转换器和微处理器要求低，软件开发难度降低。

附图说明：

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为传统的桥式传感器模拟信号放大器装置框图；

图2为本发明一个实施例的一种新型传感器模拟信号放大器实现框图；

图3为本发明一个实施例的一种新型传感器模拟信号放大器原理电路组成框图。

具体实施方式：

如图2、图3所示，本发明的新型模拟信号放大器，包括：微处理器电路、电源电路、人机接口电路、通讯接口电路、数字IO接口电路、模数转换电路、模拟信号差分放大电路。

所述微处理器电路包括MCU微处理器，所述微处理器电路分别与所述人机接口电路、所述通讯接口电路、所述数字IO接口电路、所述模数转换电路、所述模拟信号差分放大电路连接。所述微处理器电路根据程序指令处理数据并控制所述人机接口电路、所述通讯接口电路、所述模数转换电路、所述模拟信号差分放大电路。所述人机接口电路与用户的信息交互，控制所述通讯接口电路进行数据通讯，控制所述数字IO接口电路进行IO信号通讯，控制模数转换电路将输出端模拟信号转换为数字信号，控制模拟信号差分放大电路的增益及失调。

所述电源电路包括隔离开关电源电路和线性稳压电源，所述隔离开关电源电路的输入端连接DC24V电源输入，所述电源电路产生+9V、-9V、5V、3.3V四个电源轨。本实施例中，所述电源电路使用工业弱电***常用的DC24V作为输入，经过电源电路产生+9V、-9V、5V、3.3V四个电源轨为其他电路提供电源。

模拟信号差分放大电路有两个通道，能放大两路传感器信号。模拟信号差分放大电路由程控放大、仪表差分放大电路、差分驱动电路三部分组成，将传感器的微小模拟信号放大为与传感器满量程和零点相对应的标准差分模拟信号输出。本实施例中，所述模拟信号差分放大电路包括第一程控放大器、第一仪表差分放大电路、第一差分输出驱动电路、第二程控放大器、第二仪表差分放大电路、第二差分输出驱动电路，所述第一程控放大器的输入端连接第一传感器信号输入，所述第一仪表差分放大电路的输入端连接所述第一程控放大器的输出端，所述第一差分输出驱动电路的输入端连接所述第一仪表差分放大电路的输出端，所述第一差分输出驱动电路的输出端连接第一标准差分模拟信号输出，所述第二程控放大器的输入端连接第二传感器信号输入，所述第二仪表差分放大电路的输入端连接所述第二程控放大器的输出端，所述第二差分输出驱动电路的输入端连接所述第二仪表差分放大电路的输出端，所述第二差分输出驱动电路的输出端连接第二标准差分模拟信号输出。

所述人机接口电路包括OLED电路和多个按键及指示灯电路，所述MCU微处理器通过SPI接口与所述OLED电路连接，所述MCU微处理器通过IO接口与所述多个按键及指示灯电路连接。本实施例中，所述OLED电路为128*64OLED电路，所述多个按键及指示灯电路为4个按键及指示灯电路。所述人机接口电路让MCU与用户的信息交互，完成信息显示、参数设置、***校准等，让用户轻松操作。

所述通讯接口电路包括USB转串口电路、隔离以太网接口电路、隔离CAN总线接口电路，所述MCU微处理器通过UART接口与所述USB转串口电路连接，所述MCU微处理器通过以太网接口与所述隔离以太网接口电路连接，所述MUC微处理器通过CAN接口与所述隔离CAN总线接口电路连接。所述通讯接口电路让模拟信号放大器与其他设备进行通讯，还可以多个模拟信号放大器组成局域网再与其他设备通讯。

数字IO接口电路能够通过IO信号用来控制数据采集和快速输出输入端的状态信息。所述MCU微处理器通过IO接口与所述数字IO接口电路连接。

所述模数转换电路包括ADC电路，所述ADC电路的输入端分别连接所述第一仪表差分放大电路的输出端、所述第二仪表差分放大电路的输出端，所述ADC电路的输出端通过SPI接口连接所述MCU微处理器。模数转换电路将输出端模拟信号转换为数字信号，供MCU处理及通讯。

本发明的新型模拟信号放大器的工作原理如下：

模拟信号放大器电源接入DC24V后，电源电路将电源变换成直流+9V、-9V，为模拟电路提供电源。+9V经过线性降压稳压成5V，供程控放大器和其它模块使用。5V再经过线性电源降压成3.3V，供MCU微处理器电路和其它模块使用。MCU微处理器通过SPI接口通过DMA循环将要显示内容发送给128*64OLED电路显示。MCU微控制器通过UART、CAN、以太网接口分别连接USB转串口电路、隔离以太网接口电路、隔离CAN总线接口电路，模拟信号放大器与其他设备进行通讯，还可以多个模拟信号放大器组成局域网再与其他设备通讯。通过数字IO接口可以用IO信号来控制数据采集和快速获取输入端的状态信息。MCU微处理器通过SPI接口通过DMA与ADC进行数据交换高速采集输出端模拟信号值。MCU微控制器控制程控放大器的放大增益和输出失调，将传感器的微小模拟信号放大为与传感器满量程和零点相对应的标准差分模拟信号输出。

要对模拟信号放大器与传感器进行标定校准时只需根据128*64OLED显示屏提示操作，即可标定模拟信号放大器与传感器输入量关系。用户可以通过OLED屏幕与4个按键查看到当前的设置信息及标定校准后的传感器输入数据信息，还能进行通讯参数设置及多个模拟信号放大器通过CAN总线组成局域网通讯。

本发明是针对工业现场应用设计的一款用于放大传感器微小模拟信号的模拟信号放大器，有如下优点：

(1)信号通频带宽，满足高速控制响应的应用。

(2)能够高速采集输出端模拟信号，省去模拟量采集设备，节省了硬件成本。

(3)有方便的人机界面，客户操作简单，能直观的设置和获取信息。

(4)执行传感器与模拟信号放大器标定校准操作简单快速，标定校准结果准确，不受用户专业性与其他测试仪器精度影响。

(5)有丰富的通讯接口，方便在工业应用中与其他设备集成，还能多个模拟信号放大器通过CAN总线组成局域网通讯，布线方便，可靠性更高。

(6)有数字IO接口，方便后级控制设备及时获取采集量的状态来对采集量控制。

(7)能源利用效率高，发热量小。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种新型模拟信号放大器，其特征在于，包括：

微处理器电路、电源电路、人机接口电路、通讯接口电路、数字IO接口电路、模数转换电路、模拟信号差分放大电路；

所述微处理器电路包括MCU微处理器，所述微处理器电路分别与所述人机接口电路、所述通讯接口电路、所述数字IO接口电路、所述模数转换电路、所述模拟信号差分放大电路连接；

所述电源电路包括隔离开关电源电路和线性稳压电源，所述隔离开关电源电路的输入端连接DC24V电源输入，所述电源电路产生+9V、-9V、5V、3.3V四个电源轨；

所述模拟信号差分放大电路包括第一程控放大器、第一仪表差分放大电路、第一差分输出驱动电路、第二程控放大器、第二仪表差分放大电路、第二差分输出驱动电路，所述第一程控放大器的输入端连接第一传感器信号输入，所述第一仪表差分放大电路的输入端连接所述第一程控放大器的输出端，所述第一差分输出驱动电路的输入端连接所述第一仪表差分放大电路的输出端，所述第一差分输出驱动电路的输出端连接第一标准差分模拟信号输出，所述第二程控放大器的输入端连接第二传感器信号输入，所述第二仪表差分放大电路的输入端连接所述第二程控放大器的输出端，所述第二差分输出驱动电路的输入端连接所述第二仪表差分放大电路的输出端，所述第二差分输出驱动电路的输出端连接第二标准差分模拟信号输出。

2.根据权利要求1所述的新型模拟信号放大器，其特征在于：所述人机接口电路包括OLED电路和多个按键及指示灯电路，所述MCU微处理器通过SPI接口与所述OLED电路连接，所述MCU微处理器通过IO接口与所述多个按键及指示灯电路连接。

3.根据权利要求2所述的新型模拟信号放大器，其特征在于：所述OLED电路为128*64OLED电路，所述多个按键及指示灯电路为4个按键及指示灯电路。

4.根据权利要求1-3任一所述的新型模拟信号放大器，其特征在于：所述通讯接口电路包括USB转串口电路、隔离以太网接口电路、隔离CAN总线接口电路，所述MCU微处理器通过UART接口与所述USB转串口电路连接，所述MCU微处理器通过以太网接口与所述隔离以太网接口电路连接，所述MUC微处理器通过CAN接口与所述隔离CAN总线接口电路连接。

5.根据权利要求4所述的新型模拟信号放大器，其特征在于：所述MCU微处理器通过IO接口与所述数字IO接口电路连接。

6.根据权利要求5所述的新型模拟信号放大器，其特征在于：所述模数转换电路包括ADC电路，所述ADC电路的输入端分别连接所述第一仪表差分放大电路的输出端、所述第二仪表差分放大电路的输出端，所述ADC电路的输出端通过SPI接口连接所述MCU微处理器。