一种用于消除电荷放大器信号偏移量的电路的制作方法

1.本发明涉及压电系数测量技术领域，特别涉及一种用于消除电荷放大器信号偏移量的电路。


背景技术：

2.现有的电荷放大器，一般由电荷转换电路、放大电路、滤波电路、过载指示、稳压电源等组成。
3.此类放大器往往要求输入信号是一个稳定的规律的信号，但由于电荷输入信号容易受到电磁波，环境温度，湿度等变化的影响，造成输入信号的变化不定，限制了其使用场景。例如，当输入信号对地存在一定偏移时，放大器会同时把该偏移量进行放大，在偏移量较小时，不会影响输出；但是，当偏移量大到一定程度时，输入信号经过放大后已过载，超出放大器的量程范围，此时放大器已不能将信号正常的测量输出。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于消除电荷放大器偏移量的电路，采用该电路能够有效消除电荷放大器的信号偏移量，确保放大器能够将信号正常的测量输出。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
6.一种用于消除电荷放大器信号偏移量的电路，其包括：
7.与前路电路模块电性连接的监控电路模块；与所述监控电路模块电性连接的控制模块；与所述控制模块电性连接的采样保持电路模块；与所述采样保持电路模块电性连接的减法电路模块；所述采样保持电路模块、减法电路模块还与所述前路电路模块电性连接；
8.所述前路电路模块，用于根据第一电荷信号输出第一电压信号，所述第一电荷信号为进行变量测试前产生；
9.所述监控电路模块，用于根据所述第一电压信号输出监控信号至控制模块；
10.所述控制模块，用于在所述监控信号符合预设条件时输出第一控制信号至采样保持电路模块；
11.所述采样保持电路模块，用于根据所述第一控制信号、第一电压信号输出偏移信号至减法电路模块，且保持所述偏移信号的大小在一定时间内不变；
12.所述控制模块，还用于在所述监控信号符合预设条件时控制与其电性连接的测量设备进行变量测试；
13.所述前路电路模块，还用于根据第二电荷信号输出第二电压信号至减法电路模块，所述第二电荷信号为进行变量测试过程产生；
14.所述减法电路模块，用于根据所述第二电压信号、偏移信号输出变量信号。
15.优选地，该电路还包括：电平抬升电路模块，其与所述减法电路模块、控制模块电性连接，所述电平抬升电路模块用以将所述变量信号的电平抬升并输出至所述控制模块。
16.优选地，所述控制模块还用于在所述监控信号符合不预设条件时，输出第二控制
信号至采样保持电路模块；
17.所述采样保持电路模块，用于根据所述第二控制信号进入采样状态，且根据所述第二控制信号、第一电压信号输出偏移信号。
18.优选地，所述控制模块还用于在所述监控信号不符合预设条件时，控制测量设备不进行变量测试；
19.所述减法电路模块，用于根据所述第一电压信号、偏移信号输出变量信号，且此时变量信号为零。
20.优选地，所述监控电路模块包括分压电路；
21.所述监控信号为所述分压电路的中间分压值，
22.所述预设条件为中间分压值在预设范围内；
23.所述控制模块，用于在获取到的中间分压值在预设范围内时，输出所述第一控制信号：在获取到的中间分压值在预设范围内时，控制测量设备进行变量测试。
24.优选地，所述监控电路模块包括分压电路，其包括第一端、第二端、以及连接在第一端和第二端之间两个电阻；
25.所述第一端输入一预设固定电压；
26.所述第二端与前路电路模块连接，以接入所述第一电压信号；
27.在所述两个电阻之间连接有第三端，所述监控信号通过所述第三端输出至所述控制模块。
28.优选地，所述采样保持电路模块包括：
29.采样保持放大器，其输入端接入所述第一电压信号，输出端与减法电路模块连接：
30.三极管，所述三极管的基极接入所述第一控制信号，集电极接入一正极电压，发射极接地，所述集电极还与所述采样保持放大器的逻辑端连接。
31.所述第一控制信号为高电平；
32.当输入高电平时，所述采样保持电路模块的三极管导通，此时，所述采样保持放大器为保持状态，其输出端输出的偏移信号与第一电压信号在三极管导通瞬间的大小相同。
33.优选地，所述第二控制信号为低电平；
34.当所述控制信号为低电平时，所述采样保持电路模块的三极管关断，此时，所述采样保持放大器为采样状态，其输出端输出的偏移信号与第一电压信号大小相同，且跟随第一电压信号大小变化。
35.优选地，所述减法电路模块包括：
36.运算放大器；
37.所述运算放大器的同相输入端连接有并联的第一支路和第二支路：
38.所述运算放大器的反向输入端连接有第三支路和第四支路；
39.所述第一支路上串联有第一电阻，用以接入第一电压信号或第二电压信号；
40.所述第二支路上串联有第二电阻，用以接地；
41.所述第三支路上串联有第三电阻，用以接入所述采样保持电路模块输出的偏移信号；
42.所述第四支路上串联有第四电阻，所述第四支路的另一端与所述运算放大器的输出端连接。
43.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
44.图1是本技术实施例的用于消除电荷放大器信号偏移量的电路框图；
45.图2是本技术实施例的前路电路模块的电路结构示意图；
46.图3是本技术实施例的监控电路模块的电路结构示意图；
47.图4是本技术实施例的采用保持电路模块的电路结构示意图；
48.图5是本技术实施例的减法电路模块的电路结构示意图。
具体实施方式
49.为了更好地阐述本发明，下面参照附图对本发明作进一步的详细描述。
50.应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术实施例中的实施例，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它实施例，都属于本技术实施例保护的范围。
51.在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术实施例。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
52.下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
53.此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
54.本技术实施例的电路适用于对压电材料进行压电系数测量，还适用于利用材料焦电特性探测红外信号等测量。
55.其中，与本技术实施例的控制模块电性连接的测量设备可以是压电系数测量设备，还可以是红外发射率测量设备等。
56.对应地，本技术实施例中对材料进行变量测试，使材料电荷量发生变化，经前路电路模块后形成电压信号，进一步经本技术的电路得到变量信号。
57.所说变量测试可以是加力测试、温度测试、应力测试、形变测试等等。
58.所述变量信号是材料进行相应的变量测试前后，材料电荷变化引起的电压信号变化量。
59.例如：通过压电系数测量设备，对压电材料进行压电系数测量时，进行加力测试，则所述变量信号为加力信号。具体地，对压电材料进行加力测试时，压电材料的电荷发生变化，电荷变化经放大后形成电压信号，进一步经本技术实施例的电路后，得到加力信号。也
即加力测试前后的电压信号变化量。同理，如果进行温度测试，则所述变量信号为由于温度改变引起的电荷变化，进而引起的电压变化。当然，可以通过对压电材料进行压力，形变，应力，温度等测试，以引起电荷变化。
60.优选地，该电路适用于对压电陶瓷进行高温压电测量。
61.下面，以通过压电系数测量设备对压电材料进行加力测试，对压电材料进行压电系数测量为例对本技术实施例的电路进行阐述。
62.如图1所示，为本技术实施例的用于消除电荷放大器信号偏移量的电路1。该电路包括：
63.与前路电路模块100电性连接的监控电路模块200；与所述监控电路模块电性连接的控制模块300；与所述控制模块电性连接的采样保持电路模块400；与所述采样保持电路模块电性连接的减法电路模块500；所述采样保持电路模块、减法电路模块还与所述前路电路模块电性连接。
64.在进行压电系数测量时，前路电路模块100能够将进行压电系数测量时产生的电荷信号放大并输出电压信号给后级电路。
65.具体地，如果存在对地偏移信号，则所述前路电路模块100能够将所述对地偏移信号放大并输出给后级电路。具体地，在本技术实施例中，在进行加力测试前，定义所述对地偏移信号为第一电荷信号，也即所述第一电荷信号为进行压电系数测量且在加力测试前产生。如果不存在对地偏移信号，则所述第一电荷信号为0。
66.在存在对地偏移信号的情况下，对压电材料进行加力测试时，则所述前路电路模块100能够将此时产生的电荷信号放大并输出给后级电路。定义此时产生的电荷信号为第二电荷信号，也即所述第二电荷信号为进行压电系数测量且在加力测试过程产生。所述第二电荷信号包括加力测试产生的加力信号和对地偏移信号，也即，所述第二电荷信号包含第一电荷信号和加力信号。
67.需要说明的是，本技术实施例中通过在进行压电系数测量时进行加力测试以产生第二电荷信号，并不代表对第二电荷信号产生方式的限制。换句话说，所述第二电荷信号，还可以是在对压电材料进行压力，形变，应力，温度等变化测试时产生。
68.其中，所述前路电路模块，用于根据第一电荷信号输出第一电压信号；
69.所述监控电路模块，用于根据所述第一电压信号输出监控信号至控制模块；
70.所述控制模块，用于在所述监控信号符合预设条件时输出第一控制信号至采样保持电路模块；
71.所述采样保持电路模块，用于根据所述第一控制信号、第一电压信号输出偏移信号至减法电路模块，且保持所述偏移信号的大小在一定时间内不变；
72.所述控制模块，还用于在所述监控信号符合预设条件时控制与其电性连接的压电系数测量设备进行加力测试；
73.所述前路电路模块，还用于根据第二电荷信号输出第二电压信号至减法电路模块；
74.所述减法电路模块，用于根据所述第二电压信号、偏移信号输出加力信号。
75.本技术的电路，通过前路电路模块将产生的第一电荷信号放大并输出第一电压信号；监控电路模块根据第一电压信号输出第一控制信号；采样保持电路模块根据第一控制
信号和第一电压信号输出偏移信号且保持一定时间不变；同时控制模块控制压电系数测量设备进行加力测试，前路电路模块将产生的第二电荷信号放大并输出第二电压信号；减法电路根据上述第二电压信号、偏移信号输出加力信号，有效消除了偏移信号。
76.其中，所述控制模块还用于在所述监控信号符合不预设条件时，输出第二控制信号至采样保持电路模块；
77.所述采样保持电路模块，用于根据所述第二控制信号进入采样状态，且根据所述第二控制信号、第一电压信号输出偏移信号。
78.所述控制模块还用于在所述监控信号不符合预设条件时，控制压电系数测量设备不进行加力测试；
79.所述减法电路模块，用于根据所述第一电压信号、偏移信号输出加力信号，且此时加力信号为零。
80.具体地，当所述监控信号符合不预设条件时，压电系数测量设备不进行加力测试，因此，其加力信号为零。而对地偏移信号产生的第一电压信号则在减法电路模块中被抵消。具体地，第一电压信号分两路，一路通过监控电路模块、控制模块、采样保持电路模块后输出至减法电路模块；另一路直接从前路电路模块输入减法电路模块，两路信号相互抵消，得到加力信号为零。
81.其中，所述前路电路模块100包括：放大电路单元，用于将第一电荷信号转换成第一电压信号并放大；所述放大电路单元还用于将第二电荷信号转换成第二电压信号并放大。
82.优选地，所述放大电路单元包括：前级电荷放大单元110，用于将电荷信号转换成电压信号；后级电压放大单元120，用于放大所述电压信号，并输出至滤波电路单元。
83.优选地，所述前路电路模块还包括：滤波电路单元130，其与所述放大电路单元电性连接，用于对所述放大后的第一电压信号或第二电压信号进行滤波处理。
84.所述滤波电路单元包括低通滤波单元和陷波滤除单元。具体地，所述滤波电路单元能够滤除50hz陷波和100hz低通滤波，有效将第一电压信号或第二电压信号中的高频干扰和工频干扰滤除掉。
85.其中，所述监控电路200模块包括分压电路，所述监控信号为所述分压电路的中间分压值，所述预设条件为中间分压值在预设范围内。
86.具体地，所述控制模块300，用于在获取到的中间分压值在预设范围内时，输出所述第一控制信号：在获取到的中间分压值在预设范围内时，控制压电系数测量设备进行加力测试。
87.所述控制模块300，用于在获取到的中间分压值不在预设范围内时，输出所述第二控制信号：在获取到的中间分压值不在预设范围内时，控制压电系数测量设备不进行加力测试。
88.所述监控电路模块200包括：分压电路，其包括第一端、第二端、以及连接在第一端和第二端之间两个电阻；所述第一端输入一预设固定电压；所述第二端与前路电路模块连接，以接入所述第一电压信号；在所述两个电阻之间连接有第三端，所述监控信号通过所述第三端输出至所述控制模块。
89.如图所示，所述所述监控电路模块200包括：分压电路210，其第一端与一稳压电路
连接，一输入3.2v的预设固定电压，所述稳压电路包括有一稳压器。优选地，所述稳压器为tl431。第二端与前路电路模块连接，具体地，与滤波电路单元连接，以接入所述第一电压信号。所述第三端设置在电阻r1和r2之间，将控制信号，也即中间分压值输出至控制模块。
90.以所述中间分压值的预设范围为0
‑
1.6v为例，则当中间分压值在0
‑
1.6v范围内，控制模块输出第一控制信号；不在中间分压值在0
‑
1.6v范围内，控制模块输出第二控制信号。优选地，所述第一控制信号为高电平信号，所述第二控制信号为低电平信号。
91.优选地，所述控制模块300为单片机。
92.其中，所述采样保持电路模块400包括：
93.采样保持放大器，其输入端接入所述第一电压信号，输出端与减法电路模块连接：
94.三极管，所述三极管的基极接入所述第一控制信号，集电极接入一正极电压，发射极接地，所述集电极还与所述采样保持放大器的逻辑端连接。
95.如图4所示，所述采样保持放大器410的输入端in接入第一电压信号，输出端out与减法电路模块连接；优选地，所述采样保持放大器410为lf398，采用nopb封装形成。
96.npn型三极管q1的基极b接入所述第一控制信号；集电极c接入一 5v的正极电压，所述集电极还与所述采样保持放大器的逻辑端logic连接；发射极e接地。
97.具体地，所述第一控制信号为高电平；
98.当输入高电平时，所述三极管导通，此时，所述采样保持放大器为保持状态，其输出端输出的偏移信号与第一电压信号在三极管导通瞬间的大小相同。
99.所述第二控制信号为低电平；
100.当所述控制信号为低电平时，所述采样保持电路模块的三极管关断，此时，所述采样保持放大器为采样状态，其输出端输出的偏移信号与第一电压信号大小相同，且跟随第一电压信号大小变化。
101.所述减法电路模块500包括：
102.运算放大器510；优选地，所述运算放大器510为lf353。
103.所述运算放大器的同相输入端连接有并联的第一支路520和第二支路530：
104.所述运算放大器的反向输入端连接有第三支路540和第四支路550；
105.所述第一支路上串联有第一电阻521，用以接入第一电压信号或第二电压信号；
106.所述第二支路上串联有第二电阻531，用以接地；
107.所述第三支路上串联有第三电阻541，用以接入所述采样保持电路模块输出的偏移信号；
108.所述第四支路上串联有第四电阻551，所述第四支路的另一端与所述运算放大器的输出端连接。
109.当控制模块输出高电平的第一控制信号时，采样保持放大器为保持状态，采样保持电路模块输出的偏移信号大小等于第一电压信号大小，优选地，等于第一电压信号在三极管导通瞬间的大小，也即跳高为高电平的瞬间电压信号大小。所述偏移信号输入至第三支路。在进行加力测试时，减法电路的第一支路输入第二电压信号。此时，由于所述第二电压信号包含加力信号和第一电压信号，所述偏移信号的大小等于第一电压信号大小，因此，在减法电路中，第二电压信号与偏移信号经过运算放大器510，从运算放大器510的输出端输出得到的加力信号。
110.当不存在信号偏移，则由于中间分压值在预设范围内，控制模块控制压电测量设备进行加力测试，且输出高电平使采样保持电路模块进入保持状态，此时偏移信号为0。也即对地偏移信号为0。此时，减法电路的第一支路接入的第二电压信号，从输出端输出即为加力信号。
111.当控制模块输出低电平的第二控制信号时，采样保持放大器为采用状态，且根据第一电压信号大小变化。此时，压电系数测量设备在控制模块控制下不进行加力测试，第一支路输入的为第一电压信号，第三支路输入的偏移信号与第一电压信号相等，经减法电路模块后得到加力信号为零。
112.该电路还包括：电平抬升电路模块600，其与所述减法电路模块500、控制模块300电性连接，所述电平抬升电路模块用以将所述加力信号的电平抬升并输出至所述控制模块。
113.通过所述电平抬升电路模块能够有效地将加力信号抬升为正电压，一方面满足控制模块的识别要求，方便控制模块进行数字或模拟信号采集，另一方面使电压信号的波形整体抬升。
114.本技术的用于消除电荷放大器的信号偏移量的方法，该方法包括：
115.前路电路根据加力测试前产生的第一电荷信号输出第一电压信号；
116.监控电路根据所述第一电压信号输出监控信号；
117.当所述监控信号符合预设条件时，控制模块输出第一控制信号至采样保持电路；同时，所述控制模块控制压电系数测量设备进行加力测试；
118.采样保持电路根据所述第一控制信号、第一电压信号输出偏移信号至减法电路，且保持所述偏移信号的大小在一定时间内不变；
119.所述前路电路根据加力测试时产生的第二电荷信号输出第二电压信号至减法电路；
120.所述减法电路根据所述第二电压信号、偏移信号输出加力信号。
121.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。