分时正交高压激励电路结构

技术领域

本发明涉及传感器激励电路改进，具体涉及一种分时正交高压激励电路结构，属于电路结构技术领域。

背景技术

当前，随着工业自动化程度的提高，时栅位移传感器的应用市场越来越大。时栅位移传感器内部电路的信号处理流向为：产生两组分时的四路高压激励信号（每组四路，共八路信号）接到传感器定子，传感器动子接收感应信号，再将接收到的感应信号进行处理，最后输出位移信号。

四路高压激励信号具有如下要求：1、为四路同频的正弦波信号；2、四路信号相位上依次相差90°（1/4周期）；3、四路正弦波的电压峰峰值相等，峰峰值范围为10~36v。

为了得到四路高压激励信号，在电路设计中一般需要两个步骤：

步骤一：产生四路正交的低压正弦信号；

步骤二：将步骤一产生的信号放大。

至于如何产生两组分时的四路高压激励信号，可以将四路的方式复制1组，也可以在步骤二时采用模拟开关产生2组分时的四路。

现有技术中，产生四路正交的低压正弦信号（即步骤一）通常有如下两种实现方案：

方案1、使用DDS（直接数字频率合成器）方案，如图1所示。具体为：通过CPU的总线设置4路DDS芯片为输出同频正弦波的模式，然后通过CPU的4个IO口输出相位上依次相差90°的DDS启动信号，从而使DDS1-DDS4依次输出正交的同频低压正弦信号PA1-PA4。

此方案的缺点：四路DDS芯片产生的信号，相位上可以精准控制，但幅值无法保持一致，四路幅值的一致性取决于四路DDS芯片内部本身的一致性。

方案2、使用4路DAC（数字模拟转换器）方案，如图2所示。具体为：通过CPU的总线配置4路DA芯片按照正弦波进行DA转换，然后通过CPU的4个IO口控制DA芯片加载数据或启动，从而使DA1-DA4依次输出正交的同频低压正弦信号PA1-PA4。

此方案的缺点：使用DA芯片数量较多，而高性能的DA芯片价格较高。

现有技术中，将四路正交的低压正弦信号放大（即步骤二）通常有如下两种实现方案：

方案1、将步骤一产生的四路正交的低压正弦信号PA1-PA4复制一份，得到另外的四路正交的低压正弦信号QA1-QA4，再通过八路高压运算放大器OP1-OP8分别将信号放大，便得到两组四路正交的高压正弦信号PB1-PB4和QB1-QB4，如图3所示。

此方案的缺点：需要将步骤一的方案复制一份，而步骤一的器件成本较高。

方案2、将步骤一产生的四路正交的低压正弦信号PA1-PA4，通过四路单刀双掷的模拟开关，将信号分时切换到模拟开关的通道1和通道2。四路模拟开关都切换到通道1时，信号PA1-PA4分别经过四路高压运算放大器OP1、OP3、OP5和OP7将信号放大，得到第1组四路正交的高压正弦信号PB1-PB4；四路模拟开关都切换到通道2时，信号PA1-PA4分别经过四路高压运算放大器OP2、OP4、OP6和OP8将信号放大，得到第2组四路正交的高压正弦信号QB1-QB4，如图4所示。

此方案的缺点：四路模拟开关都切换到通道1时，通道2悬空，容易受到干扰，导致第2组的信号QB1-QB4不是确定的状态。同样地，四路模拟开关都切换到通道2时，通道1悬空，容易受到干扰，导致第1组的信号PB1-PB4不是确定的状态。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种分时正交高压激励电路结构，本电路结构成本低，输出的信号状态确定，不易受到干扰，相位差更准确。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

分时正交高压激励电路结构，包括

低压正弦信号产生电路，用于产生四路正交的低压正弦信号PA1-PA4；

信号放大电路，用于将四路正交的低压正弦信号放大得到需要的高压；

所述信号放大电路包括两组四路单刀双掷模拟开关和八路高压运算放大器；低压正弦信号产生电路输出的四路正交的低压正弦信号PA1-PA4分别接第1组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道1，第1组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道2全部接地；低压正弦信号产生电路输出的四路正交的低压正弦信号PA1-PA4同时分接第2组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道2，第2组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道1全部接地；所有单刀双掷模拟开关的单刀端作为输出端分别接高压运算放大器以将输出信号放大。

其中，单刀双掷模拟开关电源电压VDD小于5V。

信号放大电路还可以按如下结构实现：所述信号放大电路包括两组四路单刀双掷模拟开关和四路高压运算放大器；低压正弦信号产生电路四路输出分别接高压运算放大器OP1-OP4，以将四路正交的低压正弦信号PA1-PA4放大，得到四路正交的高压正弦信号PB1-PB4；四路高压正弦信号PB1-PB4分别接第1组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道1，第1组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道2全部接地；四路高压正弦信号PB1-PB4同时分别接第2组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道2，第2组四路单刀双掷模拟开关双掷端的通道1全部接地；所有单刀双掷模拟开关的单刀端作为信号输出端。

其中，单刀双掷模拟开关电源电压VDD为10~36v。

所述低压正弦信号产生电路一种结构为：包括CPU、两路数字模拟转换器和两路反相运算放大器，CPU的总线同时与两路数字模拟转换器连接以使两路数字模拟转换器按照正弦波进行DA转换，CPU的两个IO口分别与两路数字模拟转换器连接以控制两路数字模拟转换器加载数据或启动，从而使两路数字模拟转换器输出的正弦信号正交；其中一路数字模拟转换器输出的正弦信号PA1接反相运算放大器1，在反相运算放大器1的输出端得到与正弦信号PA1同频同幅但相位相反的正弦信号PA2；另一路数字模拟转换器输出的正弦信号PA3接反相运算放大器2，在反相运算放大器2的输出端得到与正弦信号PA3同频同幅但相位相反的正弦信号PA4；正弦信号PA1、正弦信号PA2、正弦信号PA3和正弦信号PA4即构成所述四路正交的低压正弦信号。

所述低压正弦信号产生电路另一种结构为：包括CPU和两路差分数字模拟转换器，CPU的总线同时与两路差分数字模拟转换器连接以使两路差分数字模拟转换器按照正弦波进行DA转换，CPU的两个IO口分别与两路差分数字模拟转换器连接以控制两路差分数字模拟转换器加载数据或启动，从而使两路差分数字模拟转换器输出的正弦信号正交；其中一路差分数字模拟转换器输出两路相位相反的正弦信号PA1和正弦信号PA2；另一路差分数字模拟转换器输出两路相位相反的正弦信号PA3和正弦信号PA4；正弦信号PA1、正弦信号PA2、正弦信号PA3和正弦信号PA4即构成所述四路正交的低压正弦信号。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明信号放大电路，不需要将四路正交的低压正弦信号复制一份，只需通过模拟开关切换即可。模拟开关的任一通道均不会悬空，信号状态确定，不易受到干扰。而且当模拟开关使用低压模拟开关时，可选的型号较多，选择灵活性更大，成本较低。

2、本发明低压正弦信号产生电路，由于只使用两路DA，降低了电路成本。进一步地，当采用差分输出芯片时，其输出的两信号严格反相，相位差更准确。

附图说明

图1为现有技术产生四路正交的低压正弦信号方案1结构示意图；

图2为现有技术产生四路正交的低压正弦信号方案2结构示意图；

图3为现有技术将四路正交的低压正弦信号放大方案1结构示意图；

图4为现有技术将四路正交的低压正弦信号放大方案2结构示意图；

图5为本发明产生四路正交的低压正弦信号方案1结构示意图；

图6为本发明产生四路正交的低压正弦信号方案2结构示意图；

图7为本发明将四路正交的低压正弦信号放大方案1结构示意图；

图8为本发明将四路正交的低压正弦信号放大方案2结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

为便于理解，先对本申请涉及的部分专业术语解释如下。正交：两个等幅等频的信号，相位相差90°（1/4周期），叫正交。差分：两个等幅等频的信号，相位相差180°（1/2周期），叫差分。分时：比如开关，“开”和“关”这两种状态不能做到同时出现，所以只能先拨到“开”，再拨到“关”，存在时间顺序关系。

本发明分时正交高压激励电路结构，包括两大部分，第一部分是低压正弦信号产生电路，用于产生四路正交的低压正弦信号PA1-PA4；第二部分是信号放大电路，用于将四路正交的低压正弦信号放大得到需要的高压。以下分别对两部分详细说明。

第一部分低压正弦信号产生电路，有两种具体实现方案：

方案1、使用两路DAC（数字模拟转换器），并配合反相器的方案，如图5所示。具体为：通过CPU的总线配置两路DA芯片按照正弦波进行DA转换，然后通过CPU的2个IO口控制DA芯片加载数据或启动，从而使DA1输出的正弦信号PA1与DA2输出的正弦信号PA3正交（相位相差90°），PA1经过反相运算放大器1后，输出的信号PA2与PA1同频同幅，只是相位相反（相位相差180°）。同样的，信号PA3反相后输出的PA4也是与PA3的相位相反。

方案1采用双通道DA转换器实现4路正交的正弦信号；DA的每个通道输出一对差分信号，两个通道输出的差分信号两两相互正交。

此方案的优点：只使用两路DA，降低了成本。

此方案的缺点：信号经过反相运算放大器会有延时，故PA1与PA2的相位差以及PA3与PA4的相位差并不是严格的180°。

方案2、使用两路差分DAC（数字模拟转换器）方案，如图6所示。具体为：通过CPU的总线配置两路DA芯片按照正弦波进行DA转换，然后通过CPU的两个IO口控制DA芯片加载数据或启动，从而使DA1输出的正弦信号PA1与DA2输出的正弦信号PA3正交（相位相差90°）。同时，由于DA1和DA2是差分输出芯片，其输出的信号PA2与信号PA1严格反相，信号PA4也与信号PA3严格反相。

方案2采用2对差分型DA转换器实现4路正交的正弦信号；每个DA输出一对差分信号，两个DA输出的差分信号两两相互正交。

此方案的优点：相比于图5的方案，此方案的相位差更准确。

第二部分信号放大电路，有两种具体实现方案：

方案1、将低压正弦信号产生电路产生的四路正交的低压正弦信号PA1-PA4先通过四路高压运算放大器OP1-OP4分别将信号放大，得到四路正交的高压正弦信号PB1-PB4，再通过第1组四路单刀双掷模拟开关，此处将模拟开关反过来接，信号PB1-PB4分别接第1组四路模拟开关双掷端的通道1，四路双掷端的通道2全部接到地信号GND。同时，将信号PB1-PB4分接到第2组四路模拟开关的双掷端的通道2，第2组四路模拟开关的双掷端的通道1全部接到地信号GND。当这两组四路模拟开关切都换到通道1时，第1组模拟开关的单刀端分别输出四路正交的高压正弦信号PC1-PC4，第2组模拟开关的单刀端QC1-QC4均被接地。反之，当这两组四路模拟开关都切换到通道2时，第1组模拟开关的单刀端PC1-PC4均被接地，第2组模拟开关的单刀端QC1-QC4分别输出四路正交的高压正弦信号。如图7所示。

方案1激励信号放大滤波后再通过高压模拟开关进行信号通道切换，实现分时激励，同时将开关的另一触点接地，避免因悬空而引入串扰；模拟开关电源电压VDD大于10V。

此方案的优点：相比于图3的方案，不需要将低压正弦信号产生电路产生的四路正交的低压正弦信号复制一份，只需通过模拟开关切换即可。相比于图4的方案，模拟开关的另一个通道不会悬空，信号状态确定，不易受到干扰。

此方案的缺点：由于需要使用8路单刀双掷的高压模拟开关，而高压模拟开关并不是常规通用器件，可选的型号较少，成本相对较高。

方案2、将低压正弦信号产生电路产生的四路正交的低压正弦信PA1-PA4，分别接第1组四路单刀双掷的模拟开关的双掷端的通道1，第1组四路模拟开关双掷端的通道2全部接到地信号GND。同时，将信号PA1-PA4分接到第2组四路模拟开关双掷端的通道2，第2组四路模拟开关双掷端的通道1全部接到地信号GND。当这两组四路模拟开关切都换到通道1时，第1组模拟开关的单刀端分别输出四路正交的低压正弦信号，经过四路高压运算放大器OP1-OP4分别将信号放大后，得到四路正交的高压正弦信号PB1-PB4。第2组模拟开关的单刀端依然全部是地信号GND，经过四路高压运算放大器OP5-OP8放大后的输出QB1-QB4依然是地。反之，当这2组四路模拟开关切都换到通道2时，第1组的四路输出信号PB1-PB4均被接地，第2组的四路输出信号QB1-QB4为四路正交的高压正弦信号。如图8所示。

方案2通过低压（5V以下）模拟开关进行信号通道切换，同时将开关的另一触点接地，避免因悬空而引入串扰（模拟开关电源电压VDD小于5V）；切换后的信号再进行放大滤波，实现分时高压激励输出的目的。

此方案的优点：在保留图7方案优点的同时，由于不需要使用图7的高压模拟开关，使用低压模拟开关即可，而低压模拟开关属于常规通用器件，可选的型号较多，选择灵活性更大，而且成本较低。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。