本發(fā)明涉及一種積分器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高精度長時間無漂移積分器。

背景技術(shù)：

影響積分漂移的因素主要在于構(gòu)成積分器的運(yùn)算放大器中存在輸入失調(diào)電壓V_OS、輸入失調(diào)電流I_OS和輸入偏置電流I_IB，以及積分電容的介質(zhì)損耗和泄露電阻的存在等而造成積分非線性漂移。隨著時間的增加，這些因素引起積分漂移增加，并且還會受到溫度影響而變化，“時漂”和“溫漂”為長時間低漂移積分器的重要影響因素。在發(fā)明人之前提出的專利申請(參見專利文獻(xiàn)1：中國專利公開號CN106094935A)中，將構(gòu)成積分器的器件工作溫度控制在一定溫度范圍內(nèi)解決了溫度對積分漂移的影響，雖然經(jīng)過積分補(bǔ)償以及溫控后能使模擬積分器在較長時間內(nèi)保持低漂移的輸出，但如果長時間檢測并且不清零的情況下，積分漂移會逐漸增加而影響檢測精度。在專利文獻(xiàn)2：中國專利公告號CN203368437U和專利文獻(xiàn)3：美國專利公開號：US20140354343A1中采用兩組模擬積分器交替切換進(jìn)行積分，解決了單個積分器隨時間推移而產(chǎn)生的積分誤差，但并未考慮到溫度的影響和兩組積分交替時刻對輸入信號和積分漂移的處理。專利文獻(xiàn)4：中國專利公告號CN201667646U也只涉及到基于現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)長時間低零漂數(shù)字積分器。

如果被測信號比較微弱，需要對信號進(jìn)行一定的放大再進(jìn)行積分，則會因為該放大器的非理想性為積分漂移引入更多的影響變量，為積分漂移抑制帶來更大的困難，因此需要設(shè)計合理的高精度放大電路以及積分漂移抑制電路來提取被測信號，并且能保持長時間低漂移積分輸出。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種高精度長時間無漂移積分器，包括電壓基準(zhǔn)REF、多路開關(guān)SW、放大器A、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、微處理器MCU以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC；其中，REF采用高精度低漂移的基準(zhǔn)芯片以提供準(zhǔn)確的參考電壓V_ref；SW為單刀三擲開關(guān)，觸點1、觸點2、觸點3為SW的輸入端，觸點4為SW的輸出端；觸點1與電壓V_ref相連，觸點2與信號輸入V_in相連，觸點3與信號地GND相連，觸點4與放大器A的第一輸入端相連；放大器A的第二輸入端與GND相連；放大后的信號由MCU控制的ADC進(jìn)行采樣，同時MCU以一定時序控制所述多路開關(guān)SW在三路信號中進(jìn)行切換以作為放大器A的輸入信號進(jìn)行放大，并在MCU中完成積分的運(yùn)算，再由DAC輸出信號積分值。

進(jìn)一步地，為使V_ref與輸入信號V_in在一個數(shù)量級，采用高匹配精度低匹配溫度漂移的匹配電阻R₁和R₂進(jìn)行分壓得到與被測信號一個量級的基準(zhǔn)電壓V_ref。

進(jìn)一步地，所述信號輸入V_in取自感應(yīng)線圈的一端。

進(jìn)一步地，為更好的從信號源中提取微弱的有用信號，放大器采用儀表放大器對信號進(jìn)行倍數(shù)為K的放大。

進(jìn)一步地，所述積分器的工作過程為：t₁、t₂時間段為調(diào)整階段，t₁＝t₂＝N×T_sample，其中，N為采樣點數(shù)，T_sample為ADC采樣頻率；t₃、t₄時間段為積分階段，t₃＝t₄＝n×T_sample，其中，n為采樣點數(shù)，n<10；積分過程在t₃、t₄階段循環(huán)進(jìn)行。

進(jìn)一步地，1)t₁時間段，多路開關(guān)SW接入到GND，此時被放大的是放大器自身的輸入失調(diào)電壓V_os，放大器輸出：

2)t₂時間段，多路開關(guān)SW接入到V_ref，放大器輸出：

3)根據(jù)V_out1和V_out2，由MCU得到準(zhǔn)確的放大倍數(shù)

4)t₃時間段，多路開關(guān)SW接入GND，放大器輸出

5)t₄時間段，多路開關(guān)SW接入到V_in，放大器輸出

6)根據(jù)V_out3和V_out4，由MCU得到

7)重復(fù)4)-6)，由MCU進(jìn)行積分運(yùn)算，得到V_out＝∑V_in，即為整個的積分輸出，再由DAC輸出積分值。

為了進(jìn)一步提高可積輸入信號頻率，本發(fā)明還提供了一種高精度長時間無漂移積分器，包括電壓基準(zhǔn)REF、微處理器MCU、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC以及m個多路開關(guān)SW、m個放大器A、m個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC；其中，REF采用高精度低漂移的基準(zhǔn)芯片以提供準(zhǔn)確的參考電壓V_ref；SW為單刀三擲開關(guān)，觸點1、觸點2、觸點3為SW的輸入端，觸點4為SW的輸出端；SW_i的觸點1與電壓V_ref相連，觸點2與信號輸入V_in相連，觸點3與信號地GND相連，觸點4與對應(yīng)的放大器A_i的第一輸入端相連，i＝1,2,…,m；放大器A_i的第二輸入端與GND相連；放大器A_i的輸出信號由MCU控制下的ADC_i進(jìn)行采樣，同時MCU以一定時序控制所述多路開關(guān)SW_i在三路信號中進(jìn)行切換以作為放大器A_i的輸入信號進(jìn)行放大，并在MCU中完成積分的運(yùn)算，再由DAC輸出信號積分值。

進(jìn)一步地，所述積分器的工作過程為：在調(diào)整階段，分別算得準(zhǔn)確的K₁，K₂，……，K_m值，然后根據(jù)多路開關(guān)的切換時序由MCU從ADC單元中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，最終得到積分值。

本發(fā)明的有益效果是：1、用放大器對被積分信號進(jìn)行放大，可直接提取出信號中的有用微弱信號，集放大，積分為一體，實現(xiàn)了對微弱信號的積分；2、一個周期對積分漂移進(jìn)行放大并采樣，下一個周期對信號放大并采樣同時減去上一個周期積分漂移，得到無積分漂移的放大信號，消除了因時間帶來的積分漂移影響；3、兩個周期之間，溫度可視為不變，消除了因溫度對積分漂移的影響；4、選擇高精度低漂移的基準(zhǔn)和高匹配精度低匹配溫度漂移的匹配電阻對其進(jìn)行分壓，可得到精確且溫漂極小的與被測信號一個數(shù)量級的基準(zhǔn)電壓V_ref，該電壓作為基準(zhǔn)可用于得到放大器準(zhǔn)確的放大倍數(shù)；5、整個電路簡單，控制方便；6、多路放大器同時工作，提高了可檢測的輸入信號頻率，減小了對脈沖型輸入信號采樣數(shù)據(jù)的丟失。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的高精度長時間無漂移積分器第一實施例電路圖；

圖2是本發(fā)明的第一實施例的工作原理圖；

圖3是本發(fā)明的高精度長時間無漂移積分器第二實施例電路圖；

圖4是本發(fā)明的第二實施例的工作原理圖。

具體實施方案

下面通過具體實施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實施例1

本發(fā)明的高精度長時間無漂移積分器電路組成如附圖1所示，包括電壓基準(zhǔn)REF、多路開關(guān)SW、放大器A、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、微處理器MCU以及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC。其中，REF采用高精度低漂移的基準(zhǔn)芯片以提供準(zhǔn)確的參考電壓V_ref，為使V_ref與輸入信號在一個數(shù)量級，采用高匹配精度低匹配溫度漂移的匹配電阻R₁和R₂進(jìn)行分壓得到與被測信號一個量級的精確的基準(zhǔn)電壓V_ref。SW為單刀三擲開關(guān)，觸點1與匹配電阻分壓后的電壓V_ref相連，觸點2與信號輸入V_in(感應(yīng)線圈一端)相連，觸點3與信號地(GND)相連，觸點4與放大器的第一輸入端相連。放大器的第二輸入端與信號地(GND)相連。為更好的從信號源中提取微弱的有用信號，放大器采用儀表放大器對信號進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，放大后的信號由MCU控制ADC進(jìn)行采樣，同時MCU以一定時序控制多路開關(guān)SW在三路信號中進(jìn)行切換使其作為輸入信號進(jìn)行放大器中放大，并在MCU中完成積分的運(yùn)算，再由DAC輸出信號積分值。

放大器的放大倍數(shù)為K倍，積分器的工作過程如附圖2所示，t₁、t₂時間段為調(diào)整階段，t₁＝t₂＝N×T_sample(N為采樣點數(shù)，T_sample為ADC采樣頻率)。此后的時間為積分階段，t₃＝t₄＝n×T_sample(n為采樣點數(shù)，為減小噪聲影響，并提高可檢測的輸入信頻率，n取值盡量小，一般小于10)，接下來的積分過程在t₃、t₄階段循環(huán)進(jìn)行。在極短的t₃到t₄時間內(nèi)，溫度不會出現(xiàn)突變，因此放大器在t₃時刻的V_os與t₄時刻的V_os是一致的。

1)t₁時間段，多路開關(guān)SW接入到GND，此時被放大的是放大器自身的輸入失調(diào)電壓V_os，放大器輸出：

2)t₂時間段，多路開關(guān)SW接入到V_ref，放大器輸出：

3)根據(jù)V_out1和V_out2，由MCU得到準(zhǔn)確的放大倍數(shù)

4)t₃時間段，多路開關(guān)SW接入GND，放大器輸出

5)t₄時間段，多路開關(guān)SW接入到感應(yīng)線圈輸入V_in，放大器輸出

6)根據(jù)V_out3和V_out4，由MCU得到

7)重復(fù)4)-6)，由MCU進(jìn)行積分運(yùn)算，得到V_out＝∑V_in，即為整個的積分輸出，再由DAC輸出積分值。

實施例2

如果想進(jìn)一步提高可積輸入信號頻率，除了減小n值外，可采用多放大器組合進(jìn)行，如附圖3所示：

同時增加多路開關(guān)SW，放大器A和ADC的個數(shù)為m個，由MCU控制多路開關(guān)SW的切換時序那么可積分的輸入信號頻率將提高m倍。

其工作過程如附圖4所示：

在調(diào)整階段，分別算得準(zhǔn)確的K₁，K₂，……，K_m值，然后根據(jù)多路開關(guān)的切換時序由MCU從ADC單元中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，最終得到積分值。具體步驟為：

1)將t3階段由MCU等分為m個時序并產(chǎn)生m個脈沖該信號，用于控制SW1，SW2，……，SWm的切換時序；

2)t1時間段，多路開關(guān)SW1，SW2，……，SWm全部接入到GND，此時每一路放大器自身失調(diào)電壓V_os均被放大，各路放大器輸出為：

3)t2時間段，多路多路開關(guān)SW1，SW2，……，SWm全部切換到V_ref，此時各路放大器輸出為：

4)根據(jù)各路的V_1out1，V_2out1，……，V_mout1和V_1out2，V_2out2，……，V_mout2，由MCU計算得到準(zhǔn)確的放大倍數(shù)

5)t₃時間段，根據(jù)MCU發(fā)出的m個脈沖時序，第1個脈沖到來時多路開關(guān)SW1接入GND，放大器輸出第2個脈沖到來時多路開關(guān)SW2接入GND，放大器輸出第m個脈沖到來時多路開關(guān)SWm接入GND，放大器輸出

6)t4時間段，同樣根據(jù)MCU發(fā)出的m個脈沖時序，第1個脈沖到來時多路開關(guān)SW1接入信號輸入端，放大器輸出第2個脈沖到來時多路開關(guān)SW2接入信號輸入端，放大器輸出第m個脈沖到來時多路開關(guān)SWm接入信號輸入端，放大器輸出

7)根據(jù)V_1out3，V_2out3，……，V_mout3和V_1out4，，……，V_mout4，由MCU計算得到

8)重復(fù)5)-7)，由MCU進(jìn)行積分運(yùn)算，得到V_out＝∑V_in，即為整個的積分輸出，再由DAC輸出積分值。

本發(fā)明可應(yīng)用于任何需要從微分信號中通過積分得到積分量的領(lǐng)域，例如：tokamak磁信號檢測，鐵磁性材料無損探傷，導(dǎo)航系統(tǒng)以及陀螺儀等。

本發(fā)明不僅實現(xiàn)了對微弱信號的積分，消除了因“時間”和“溫度”對積分漂移帶來的影響，能在長時間內(nèi)實現(xiàn)無漂移積分輸出，并且電路簡單，控制方便。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。