一種新型模擬信號放大器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型模擬信號放大器，包括微處理器電路、電源電路、人機接口電路、通訊接口電路、數字IO接口電路、模數轉換電路、模擬信號差分放大電路。本發明信號通頻帶寬，滿足高速控制響應的應用；能夠高速采集輸出端模擬信號，省去模擬量采集設備，節省了硬件成本；有方便的人機界面，客戶操作簡單，能直觀的設置和獲取信息；執行傳感器與模擬信號放大器標定校準操作簡單快速，標定校準結果準確，不受用戶專業性與其他測試儀器精度影響；有豐富的通訊接口，還能多個模擬信號放大器通過CAN總線組成局域網通訊，布線方便，可靠性更高；有數字IO接口，方便后級控制設備及時獲取采集量的狀態來對采集量控制；能源利用效率高，發熱量小。
【專利說明】
一種新型模擬信號放大器
技術領域
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[0001]本發明屬于集成電路技術領域，具體是涉及一種新型模擬信號放大器。
【背景技術】
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[0002]模擬信號放大器主要應用在稱重、壓力測試、壓力控制、傳感器數據采集、工業自動化現場儀表等應用中，需要將電橋式傳感器輸出的微小模擬信號轉換為標準模擬信號的領域。
[0003]目前，傳統的橋式傳感器模擬信號放大器裝置如圖1所示，傳感器模擬信號放大器使用前必須與傳感器進行標定校準。其人機交互式選擇開關和兩個電位器，用于校準傳感器使用。校準時根據傳感器靈敏度通過選擇開關選擇放大器的增益范圍，然后調節增益調節電位器來精細調節放大增益，調節零點調節電位器來調整放大器的零點失調。通過來回調整增益調節電位器和零點調節電位器最終將放大器校準，使輸出端輸出與傳感器零點和滿量程對應的標準模擬量輸出，以供猴急設備正確讀取。
[0004]采用傳統的橋式傳感器模擬信號放大器，存在以下缺點:
[0005](I)沒有輸出信號數據顯示，校準調整時需使用其他儀表測試輸出信號，給現場安裝與維護帶來麻煩，增加了安裝與維護成本。
[0006](2)沒有模數轉換電路，在用戶需要對傳感器信號數字化采集時后級需使用額外的模擬信號采集設備，增加了硬件成本。
[0007](3)人機交互電路使用困難，由于是硬件上的選擇開關和電位器，用戶使用時無法給出用戶提示信息，而且校準調整后的準確度直接受校準人員的專業性及測試儀表的準確度所影響。用戶必須是經過培訓的專業人員才能進行安裝與設置，無法滿足日益靈活的工業自動化行業應用。
[0008](4)傳感器會隨時間變化出現蠕變現象以及使用環境變化出現靈敏度變化，這時需重新校準標定模擬信號放大器，傳統的模擬信號放大器校準耗時長，增加了人力成本。
[0009](5)輸出端模擬信號不是差分信號，在電磁環境復雜的工業應用現場信號容易受到干擾。
【發明內容】
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[0010]為此，本發明所要解決的技術問題在于現有技術中傳感器模擬信號放大器主要采用硬件電路，人機交互電路使用困難，由于是硬件上的選擇開關和電位器，用戶使用時無法給出用戶提示信息，而且校準調整后的準確度直接受校準人員的專業性及測試儀表的準確度所影響。用戶必須是經過培訓的專業人員才能進行安裝與設置，無法滿足日益靈活的工業自動化行業應用。無法獲取數字量輸出結果，必須采用其他模擬量采集設備增加了硬件成本。輸出端模擬信號不是差分信號，在電磁環境復雜的工業應用現場信號容易受到干擾，從而提出一種新型模擬信號放大器。
[0011]為達到上述目的，本發明的技術方案如下:
[0012]—種新型模擬信號放大器，包括:
[0013]微處理器電路、電源電路、人機接口電路、通訊接口電路、數字1接口電路、模數轉換電路、模擬信號差分放大電路。
[0014]所述微處理器電路包括M⑶微處理器，所述微處理器電路分別與所述人機接口電路、所述通訊接口電路、所述數字1接口電路、所述模數轉換電路、所述模擬信號差分放大電路連接。
[0015]所述電源電路包括隔離開關電源電路和線性穩壓電源，所述隔離開關電源電路的輸入端連接DC24V電源輸入，所述電源電路產生+9 V、-9 V、5 V、3.3 V四個電源軌。
[0016]所述模擬信號差分放大電路包括第一程控放大器、第一儀表差分放大電路、第一差分輸出驅動電路、第二程控放大器、第二儀表差分放大電路、第二差分輸出驅動電路，所述第一程控放大器的輸入端連接第一傳感器信號輸入，所述第一儀表差分放大電路的輸入端連接所述第一程控放大器的輸出端，所述第一差分輸出驅動電路的輸入端連接所述第一儀表差分放大電路的輸出端，所述第一差分輸出驅動電路的輸出端連接第一標準差分模擬信號輸出，所述第二程控放大器的輸入端連接第二傳感器信號輸入，所述第二儀表差分放大電路的輸入端連接所述第二程控放大器的輸出端，所述第二差分輸出驅動電路的輸入端連接所述第二儀表差分放大電路的輸出端，所述第二差分輸出驅動電路的輸出端連接第二標準差分模擬信號輸出。
[0017]作為上述技術方案的優選，所述人機接口電路包括OLED電路和多個按鍵及指示燈電路，所述MCU微處理器通過SPI接口與所述OLED電路連接，所述M⑶微處理器通過1接口與所述多個按鍵及指示燈電路連接。
[0018]作為上述技術方案的優選，所述OLED電路為128*640LED電路，所述多個按鍵及指示燈電路為4個按鍵及指示燈電路。
[0019 ]作為上述技術方案的優選，所述通訊接口電路包括USB轉串口電路、隔離以太網接口電路、隔離CAN總線接口電路，所述M⑶微處理器通過UART接口與所述USB轉串口電路連接，所述MCU微處理器通過以太網接口與所述隔離以太網接口電路連接，所述MUC微處理器通過CAN接口與所述隔離CAN總線接口電路連接。
[0020]作為上述技術方案的優選，所述M⑶微處理器通過1接口與所述數字1接口電路連接。
[0021]作為上述技術方案的優選，所述模數轉換電路包括ADC電路，所述ADC電路的輸入端分別連接所述第一儀表差分放大電路的輸出端、所述第二儀表差分放大電路的輸出端，所述ADC電路的輸出端通過SPI接口連接所述MCU微處理器。
[0022]本發明的有益效果在于:
[0023](I)本發明使用了隔離開關電源，使用工業弱電系統常用的DC24V作為輸入，使得布線方便，隔離的電源無需擔心工業現場復雜的用電設備造成不經意的電源干擾和接地干擾等。開關電源效率高，發熱少，體積小，輸入容差大，在工業應用現場能為產品提供穩定可靠的電源供應，大大提高了產品可靠性，減小產品體積與重量，提高了能源利用效率。
[0024](2)本發明增加了 OLED顯示屏和4按鍵電路，方便與用戶信息交互。要對模擬信號放大器與傳感器進行標定校準時只需根據128*640LED顯示屏提示操作，即可標定模擬信號放大器與傳感器輸入量關系。用戶可以通過OLED屏幕與4個按鍵查看到當前的設置信息及標定校準后的傳感器輸入數據信息，還能進行通訊參數設置及多個模擬信號放大器通過CAN總線組成局域網通訊。
[0025](3)本發明增加了ADC電路，能高速并且準確的采集頻率采集輸出端模擬信號，為客戶省去了模擬量采集設備，能讓客戶直接看到傳感器輸入量。
[0026](4)本發明增加了多種通訊接口，方便在工業應用中與其他設備集成，還能多個模擬信號放大器通過CAN總線組成局域網通訊，布線方便，可靠性更高。
[0027](5)本發明增加了數字1接口，通過數字1接口可以用1信號來控制數據采集和快速獲取輸入端的狀態信息，方便后級控制設備對采集量的控制。
[0028](6)本發明使用了程控放大器，用戶只需通過人機交互界面操作即可輕松完成放大器與傳感器標定校準的工作。標定結果不再受用戶的專業性和測試儀器的準確度影響，滿足日益靈活的工業自動化行業應用。降低了傳感器使用的安裝和維護成本，降低了人力成本。
[0029](7)本發明使用差分模擬信號輸出，在EMC環境復雜的工業應用現場信號抗干擾能力強。模擬信號通道是一條完整的模擬通道，不經過AD和DA的轉換，信號通道無延遲，輕松實現高的信號通帶帶寬，對模數轉換器和微處理器要求低，軟件開發難度降低。
【附圖說明】
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[0030]以下附圖僅旨在于對本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中:[0031 ]圖1為傳統的橋式傳感器模擬信號放大器裝置框圖；
[0032]圖2為本發明一個實施例的一種新型傳感器模擬信號放大器實現框圖；
[0033]圖3為本發明一個實施例的一種新型傳感器模擬信號放大器原理電路組成框圖。
【具體實施方式】
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[0034]如圖2、圖3所示，本發明的新型模擬信號放大器，包括:微處理器電路、電源電路、人機接口電路、通訊接口電路、數字1接口電路、模數轉換電路、模擬信號差分放大電路。
[0035]所述微處理器電路包括M⑶微處理器，所述微處理器電路分別與所述人機接口電路、所述通訊接口電路、所述數字1接口電路、所述模數轉換電路、所述模擬信號差分放大電路連接。所述微處理器電路根據程序指令處理數據并控制所述人機接口電路、所述通訊接口電路、所述模數轉換電路、所述模擬信號差分放大電路。所述人機接口電路與用戶的信息交互，控制所述通訊接口電路進行數據通訊，控制所述數字1接口電路進行1信號通訊，控制模數轉換電路將輸出端模擬信號轉換為數字信號，控制模擬信號差分放大電路的增益及失調。
[0036]所述電源電路包括隔離開關電源電路和線性穩壓電源，所述隔離開關電源電路的輸入端連接DC24V電源輸入，所述電源電路產生+9V、-9V、5V、3.3V四個電源軌。本實施例中，所述電源電路使用工業弱電系統常用的DC24V作為輸入，經過電源電路產生+9V、-9V、5V、3.3V四個電源軌為其他電路提供電源。
[0037]模擬信號差分放大電路有兩個通道，能放大兩路傳感器信號。模擬信號差分放大電路由程控放大、儀表差分放大電路、差分驅動電路三部分組成，將傳感器的微小模擬信號放大為與傳感器滿量程和零點相對應的標準差分模擬信號輸出。本實施例中，所述模擬信號差分放大電路包括第一程控放大器、第一儀表差分放大電路、第一差分輸出驅動電路、第二程控放大器、第二儀表差分放大電路、第二差分輸出驅動電路，所述第一程控放大器的輸入端連接第一傳感器信號輸入，所述第一儀表差分放大電路的輸入端連接所述第一程控放大器的輸出端，所述第一差分輸出驅動電路的輸入端連接所述第一儀表差分放大電路的輸出端，所述第一差分輸出驅動電路的輸出端連接第一標準差分模擬信號輸出，所述第二程控放大器的輸入端連接第二傳感器信號輸入，所述第二儀表差分放大電路的輸入端連接所述第二程控放大器的輸出端，所述第二差分輸出驅動電路的輸入端連接所述第二儀表差分放大電路的輸出端，所述第二差分輸出驅動電路的輸出端連接第二標準差分模擬信號輸出。
[0038]所述人機接口電路包括OLED電路和多個按鍵及指示燈電路，所述MCU微處理器通過SPI接口與所述OLED電路連接，所述M⑶微處理器通過1接口與所述多個按鍵及指示燈電路連接。本實施例中，所述OLED電路為128*640LED電路，所述多個按鍵及指示燈電路為4個按鍵及指示燈電路。所述人機接口電路讓MCU與用戶的信息交互，完成信息顯示、參數設置、系統校準等，讓用戶輕松操作。
[0039]所述通訊接口電路包括USB轉串口電路、隔離以太網接口電路、隔離CAN總線接口電路，所述MCU微處理器通過UART接口與所述USB轉串口電路連接，所述M⑶微處理器通過以太網接口與所述隔離以太網接口電路連接，所述MUC微處理器通過CAN接口與所述隔離CAN總線接口電路連接。所述通訊接口電路讓模擬信號放大器與其他設備進行通訊，還可以多個模擬信號放大器組成局域網再與其他設備通訊。
[0040]數字1接口電路能夠通過1信號用來控制數據采集和快速輸出輸入端的狀態信息。所述MCU微處理器通過1接口與所述數字1接口電路連接。
[0041]所述模數轉換電路包括ADC電路，所述ADC電路的輸入端分別連接所述第一儀表差分放大電路的輸出端、所述第二儀表差分放大電路的輸出端，所述ADC電路的輸出端通過SPI接口連接所述MCU微處理器。模數轉換電路將輸出端模擬信號轉換為數字信號，供MCU處理及通訊。
[0042]本發明的新型模擬信號放大器的工作原理如下:
[0043]模擬信號放大器電源接入DC24V后，電源電路將電源變換成直流+9V、_9V，為模擬電路提供電源。+9V經過線性降壓穩壓成5V，供程控放大器和其它模塊使用。5V再經過線性電源降壓成3.3V，供M⑶微處理器電路和其它模塊使用。M⑶微處理器通過SPI接口通過DMA循環將要顯示內容發送給128*640LED電路顯示。MCU微控制器通過UART、CAN、以太網接口分別連接USB轉串口電路、隔離以太網接口電路、隔離CAN總線接口電路，模擬信號放大器與其他設備進行通訊，還可以多個模擬信號放大器組成局域網再與其他設備通訊。通過數字1接口可以用1信號來控制數據采集和快速獲取輸入端的狀態信息。MCU微處理器通過SPI接口通過DMA與ADC進行數據交換高速采集輸出端模擬信號值。MCU微控制器控制程控放大器的放大增益和輸出失調，將傳感器的微小模擬信號放大為與傳感器滿量程和零點相對應的標準差分模擬信號輸出。
[0044]要對模擬信號放大器與傳感器進行標定校準時只需根據128*640LED顯示屏提示操作，即可標定模擬信號放大器與傳感器輸入量關系。用戶可以通過OLED屏幕與4個按鍵查看到當前的設置信息及標定校準后的傳感器輸入數據信息，還能進行通訊參數設置及多個模擬信號放大器通過CAN總線組成局域網通訊。
[0045]本發明是針對工業現場應用設計的一款用于放大傳感器微小模擬信號的模擬信號放大器，有如下優點:
[0046](I)信號通頻帶寬，滿足高速控制響應的應用。
[0047](2)能夠高速采集輸出端模擬信號，省去模擬量采集設備，節省了硬件成本。
[0048](3)有方便的人機界面，客戶操作簡單，能直觀的設置和獲取信息。
[0049](4)執行傳感器與模擬信號放大器標定校準操作簡單快速，標定校準結果準確，不受用戶專業性與其他測試儀器精度影響。
[0050](5)有豐富的通訊接口，方便在工業應用中與其他設備集成，還能多個模擬信號放大器通過CAN總線組成局域網通訊，布線方便，可靠性更高。
[0051](6)有數字1接口，方便后級控制設備及時獲取采集量的狀態來對采集量控制。
[0052](7)能源利用效率高，發熱量小。
[0053]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
【主權項】
1.一種新型模擬信號放大器，其特征在于，包括: 微處理器電路、電源電路、人機接口電路、通訊接口電路、數字1接口電路、模數轉換電路、模擬信號差分放大電路； 所述微處理器電路包括MCU微處理器，所述微處理器電路分別與所述人機接口電路、所述通訊接口電路、所述數字1接口電路、所述模數轉換電路、所述模擬信號差分放大電路連接； 所述電源電路包括隔離開關電源電路和線性穩壓電源，所述隔離開關電源電路的輸入端連接DC24V電源輸入，所述電源電路產生+9 V、-9 V、5 V、3.3 V四個電源軌； 所述模擬信號差分放大電路包括第一程控放大器、第一儀表差分放大電路、第一差分輸出驅動電路、第二程控放大器、第二儀表差分放大電路、第二差分輸出驅動電路，所述第一程控放大器的輸入端連接第一傳感器信號輸入，所述第一儀表差分放大電路的輸入端連接所述第一程控放大器的輸出端，所述第一差分輸出驅動電路的輸入端連接所述第一儀表差分放大電路的輸出端，所述第一差分輸出驅動電路的輸出端連接第一標準差分模擬信號輸出，所述第二程控放大器的輸入端連接第二傳感器信號輸入，所述第二儀表差分放大電路的輸入端連接所述第二程控放大器的輸出端，所述第二差分輸出驅動電路的輸入端連接所述第二儀表差分放大電路的輸出端，所述第二差分輸出驅動電路的輸出端連接第二標準差分模擬信號輸出。2.根據權利要求1所述的新型模擬信號放大器，其特征在于:所述人機接口電路包括OLED電路和多個按鍵及指示燈電路，所述M⑶微處理器通過SPI接口與所述OLED電路連接，所述MCU微處理器通過1接口與所述多個按鍵及指示燈電路連接。3.根據權利要求2所述的新型模擬信號放大器，其特征在于:所述OLED電路為128*640LED電路，所述多個按鍵及指示燈電路為4個按鍵及指示燈電路。4.根據權利要求1-3任一所述的新型模擬信號放大器，其特征在于:所述通訊接口電路包括USB轉串口電路、隔離以太網接口電路、隔離CAN總線接口電路，所述M⑶微處理器通過UART接口與所述USB轉串口電路連接，所述MCU微處理器通過以太網接口與所述隔離以太網接口電路連接，所述MUC微處理器通過CAN接口與所述隔離CAN總線接口電路連接。5.根據權利要求4所述的新型模擬信號放大器，其特征在于:所述MCU微處理器通過1接口與所述數字1接口電路連接。6.根據權利要求5所述的新型模擬信號放大器，其特征在于:所述模數轉換電路包括ADC電路，所述ADC電路的輸入端分別連接所述第一儀表差分放大電路的輸出端、所述第二儀表差分放大電路的輸出端，所述ADC電路的輸出端通過SPI接口連接所述MCU微處理器。
【文檔編號】G05B19/042GK106020070SQ201610608515
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】呂紹林, 馬金勇, 趙永存, 戴慶波
【申請人】蘇州博眾精工科技有限公司