CN108008205B - 一种电磁场检测的自适应信号调理电路及方法 - Google Patents

一种电磁场检测的自适应信号调理电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路，包括传感器、可调带宽滤波器、可调增益放大器、模数转换器，在传感器和可调带宽滤波器之间，还设置有频率响应补偿单元，频率响应补偿单元包括开关电容矩阵和放大器，数字处理单元通过控制开关电容单元中的开关频率来改变等效电阻Req1和Req2，通过控制补偿电容矩阵的开关来改变补偿电容Ceq的大小。本发明的自适应信号调理电路引入开关电容用于频响补偿，以及可变带宽的滤波器，可以更加灵活方便的处理信号，有效的抑制带外噪声，提高信号调理通路的动态范围和灵敏度。

Description

一种电磁场检测的自适应信号调理电路及方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路，还涉及一种应用于电磁场检测的自适应信号调理方法。
背景技术
电磁辐射是一种看不见、摸不着、难以感知的“隐形污染”。战场复杂电磁环境中的电磁辐射一方面威胁作战人员的人身安全，另一方面干扰危害武器装备中电子设备的正常工作。
目前市场上产品较少，技术公开较少，现有技术方案滤波器基本都是固定带宽，不能随检测目标的变化而变化，无关信号对有用信号影响大；前端放大一般都是采用固定增益放大器或者可变增益放大器，即使采用可变增益放大器，可以使调理信号到达ADC前端更能满足其处理范围，但依然保持在一段频率内不同频率的原始比值。以磁场检测为例，外加相同信号强度磁场，不同频率的幅度响应是不一样的，一般而言，低频率响应的幅值要低，而且高频和低频相比相差几百倍以上，因此按照原始比例放大是不合适的。
信号调理通路的好坏直接决定了整机的动态范围和灵敏度，如何让信号调理通路智能化，自动适应不同特性信号的处理，对整机的性能提高起到了至关重要的作用。
为了提高测量精度，满足传感器输出的微弱信号在不同状态下的放大要求，同时为了更能有效的抑制干扰信号和可靠的检测出有用信号，研究人员常常根据信号的特点，选择合适的高精度放大器和滤波器，在事先不知道信号大小的情况下进行检测，并通过控制可变增益放大器的放大倍数来达到比较合适的测量数据。
直接利用集成可变增益放大的信号调理通路方案是最接近的现有技术，如图1所示，通过传感器检测外界信号，通过前置放大器放大到一个相对合适的范围；经过滤波，抑制干扰信号；通过可变增益放大器将信号调节到ADC可以采集的合适范围，最后递给后续数字单元处理。
现有技术方案存在以下不足：
(1)前置放大器和可变增益放大器对于频响不同的信号进行相同倍数的放大或者缩小，保持原有的倍数差，限制了ADC处理数据的幅度范围，对于宽带而言，降低了数据检测的动态范围；
(2)模拟滤波器一般采用固定带宽，存在不关心频率对测量频率的干扰问题。
发明内容
本发明提出了一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路及方法，自动调节信号通路的带宽和信号增益，提高检测信号的动态范围。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路，包括传感器、可调带宽滤波器、可调增益放大器、模数转换器，在传感器和可调带宽滤波器之间，还设置有频率响应补偿单元，频率响应补偿单元包括开关电容矩阵和放大器，信号传递函数为：
Figure GDA0002719162500000031
其中，Ceq为补偿电容矩阵的补偿电容，Req1和Req2为两个开关电容单元等效电阻，CQ为频率补偿电容，Rm为匹配电阻，Cm为匹配电容；数字处理单元通过控制开关电容单元中的开关频率来改变等效电阻Req1和Req2，通过控制补偿电容矩阵的开关来改变补偿电容Ceq的大小。
可选地，所述开关电容单元由一对差分时钟控制的开关对及一个电容组成，对电容周期性充放电，等效电阻阻值为：
Figure GDA0002719162500000032
其中，TC代表开关的周期，C为电容值。
可选地，所述可调带宽滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过约定好的SPI协议，数字处理单元控制滤波器的起始频率和中止频率，适应不同频率信号的处理。
本发明还提出了一种应用于电磁场检测的自适应信号调理方法，引入频率响应补偿单元以及可调带宽滤波器，频率响应补偿单元对频率响应进行补偿，数字处理单元控制滤波器的起始频率和终止频率，适应不同频率信号的处理；
频率响应补偿单元的信号传递函数为：
Figure GDA0002719162500000041
其中，Ceq为补偿电容矩阵的补偿电容，Req1和Req2为两个开关电容单元等效电阻，CQ为频率补偿电容，Rm为匹配电阻，Cm为匹配电容；
数字处理单元通过控制开关电容单元中的开关频率来改变等效电阻Req1和Req2，通过控制补偿电容矩阵的开关来改变补偿电容Ceq的大小，对频率响应进行补偿。
可选地，所述开关电容单元由一对差分时钟控制的开关对及一个电容组成，对电容周期性充放电，等效电阻阻值为：
Figure GDA0002719162500000042
其中，TC代表开关的周期，C为电容值。
可选地，所述可调带宽滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过约定好的SPI协议，数字处理单元控制滤波器的起始频率和中止频率，适应不同频率信号的处理。
本发明的有益效果是：
(1)针对电磁场信号的特性提出了一种宽带自动频率补偿电路，有效的提高的信号检测的动态范围；
(2)采用开关电容矩阵，与传统的精密电阻矩阵相比，实现宽带增益连续可调，降低硬件开销；
(3)针对不同频率范围信号，采用带宽及中心频率自适应滤波器，抑制无关频率的干扰，有效的提供了信号的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为直接利用集成可变增益放大的信号调理通路控制框图；
图2为本发明的自适应信号调理电路控制框图；
图3为基本开关电容单元电路示意图；
图4为本发明的自动频率响应补偿单元原理框图；
图5为传递函数曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路及方法，通过检测不同的测量范围，自适应的调节调理通路对不同频率的增益以及滤波器的带宽，从而降低了因为不同频率对传感器不同响应带来的动态损失，使调理信号达到ADC最佳的动态范围，实现了软硬件的有机结合，同时可以实现宽动态范围的信号检测和提高调理信号的动态范围。
电磁场检测需要满足不同频率的测量要求，比如1Hz-500Hz，1Hz-5kHz，1Hz-10kHz，1Hz-100kHz等，或者中间频率500Hz-5kHz，5kHz-10kHz，10kHz-100kHz等。但是对于1MHz以下信号的电磁场信号检测，多采用大型平板电容及大直径的环形电感，但是因为检测器的无源特性，对相同强度的电磁场，转换成电压或者电流信号的频率响应不够平坦。在1Hz和5kHz相同强度的电磁场，感应出来的信号强度会相差几百倍，无形中降低动态范围。此外在关注一个比较小的带宽频率时，如果还采用大固定带宽的滤波器，是不合适的，难免会受到带外无关信号谐波和分谐波的干扰，因此，一个可调带宽的滤波器对于提升信号动态范围和灵敏度是有必要的。
下面结合说明书附图对本发明的一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路进行详细说明。
如图2所示，本发明的自适应信号调理电路包括：传感器2-1、由开关电容矩阵和高精度放大器组成的频率响应补偿单元2-2、可调带宽滤波器2-3、可调增益放大器2-4、模数转换器(ADC)2-5、模数据处理单元2-6。本发明引入频率响应补偿单元以及可调带宽滤波器。
基本开关电容单元电路如图3所示，主要由一对差分时钟控制的开关对及一个电容组成，不断的对电容C周期性充放电，只要开关频率足够高，可以认为一个时钟周期内两个端口的电压基本不变，则基本开关电容单元就可以等效为电阻，其阻值为
Figure GDA0002719162500000071
其中TC代表开关的周期。
频率响应补偿单元如图4所示，包括：补偿电容矩阵Ceq，两个开关电容等效电阻Req1和Req2，频率补偿电容CQ，以及匹配电阻电容Rm和Cm，低噪声放大器。
信号的传递函数如公式(2)所示。
Figure GDA0002719162500000072
可以通过数字处理单元通过控制基本开关电容单元中的开关频率来改变等效电阻Req1和Req2，通过控制补偿电容矩阵的开关来改变补偿电容Ceq的大小，进而可以灵活的控制放大倍数以及频率响应补偿的力度。
传递函数曲线如图5所示，可以看出，与传感器感应低频电压低，高频电压高的趋势相反，频率响应得以补偿。
可调带宽滤波器2-3采用可数控的巴特沃斯滤波器，例如通过约定好的SPI协议，可以灵活的控制滤波器的起始频率和中止频率，很灵活的适应不同频率信号的处理。
本发明的自适应信号调理电路引入开关电容用于频响补偿，以及可变带宽的滤波器，可以更加灵活方便的处理信号，有效的抑制带外噪声，提高信号调理通路的动态范围和灵敏度。
本发明还提出了一种应用于电磁场检测的自适应信号调理方法，其工作原理与上述信号调理电路相同，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路，包括传感器、可调带宽滤波器、可调增益放大器、模数转换器，其特征在于，在传感器和可调带宽滤波器之间，还设置有频率响应补偿单元，频率响应补偿单元包括开关电容矩阵和放大器，信号传递函数为：
Figure FDA0002798075040000011
其中，Ceq为开关电容矩阵的补偿电容，Req1和Req2为两个开关电容单元等效电阻，CQ为频率补偿电容；数字处理单元通过控制开关电容单元中的开关频率来改变等效电阻Req1和Req2，通过控制开关电容矩阵的开关来改变补偿电容Ceq的大小；
其中，传感器根据正负极性连接到对应传感器端口，传感器正极与电阻RS相连，电阻RS另一端与电阻Rm和电容Cm的一端连接，电阻Rm和电容Cm的另一端接地，电阻RS、电阻Rm和电容Cm组成第一级滤波及比例预设网络，电阻RS、电阻Rm和电容Cm的公共连接点与运放正极相连接，开关电容矩阵一端与地连接，另一端与Req1串联，Req1另一端直连到运放的负极，CQ与Req2并联在运放的负极和输出两端，与Req1、开关电容矩阵组成完整的放大及滤波网络。
2.如权利要求1所述的一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路，其特征在于，所述开关电容单元由一对差分时钟控制的开关对及一个电容组成，对电容周期性充放电，等效电阻阻值为：
Figure FDA0002798075040000012
其中，TC代表开关的周期，C为电容值。
3.如权利要求1所述的一种应用于电磁场检测的自适应信号调理电路，其特征在于，所述可调带宽滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过约定好的SPI协议，数字处理单元控制滤波器的起始频率和终止频率，适应不同频率信号的处理。
4.一种应用于电磁场检测的自适应信号调理方法，其特征在于，引入频率响应补偿单元以及可调带宽滤波器，频率响应补偿单元对频率响应进行补偿，数字处理单元控制滤波器的起始频率和终止频率，适应不同频率信号的处理；
频率响应补偿单元的信号传递函数为：
Figure FDA0002798075040000021
其中，Ceq为开关电容矩阵的补偿电容，Req1和Req2为两个开关电容单元等效电阻，CQ为频率补偿电容；
数字处理单元通过控制开关电容单元中的开关频率来改变等效电阻Req1和Req2，通过控制开关电容矩阵的开关来改变补偿电容Ceq的大小，对频率响应进行补偿；
其中，传感器根据正负极性连接到对应传感器端口，传感器正极与电阻RS相连，电阻RS另一端与电阻Rm和电容Cm的一端连接，电阻Rm和电容Cm的另一端接地，电阻RS、电阻Rm和电容Cm组成第一级滤波及比例预设网络，电阻RS、电阻Rm和电容Cm的公共连接点与运放正极相连接，开关电容矩阵一端与地连接，另一端与Req1串联，Req1另一端直连到运放的负极，CQ与Req2并联在运放的负极和输出两端，与Req1、开关电容矩阵组成完整的放大及滤波网络。
5.如权利要求4所述的一种应用于电磁场检测的自适应信号调理方法，其特征在于，所述开关电容单元由一对差分时钟控制的开关对及一个电容组成，对电容周期性充放电，等效电阻阻值为：
Figure FDA0002798075040000031
其中，TC代表开关的周期，C为电容值。
6.如权利要求4所述的一种应用于电磁场检测的自适应信号调理方法，其特征在于，所述可调带宽滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过约定好的SPI协议，数字处理单元控制滤波器的起始频率和终止频率，适应不同频率信号的处理。
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