差分电压测量电路、装置及方法与流程

1.本发明涉及集成电路测试技术领域，尤其涉及一种差分电压测量电路、装置及方法。


背景技术：

2.差分放大电路是一种直接耦合放大电路，差分放大电路本身具有良好的电气对称性，使其对共模信号有很强的抑制作用，所以能有效地对信号进行放大。为了验证信号放大的效果，在仪器仪表测量电路中，需要对差分电压进行精密测量。
3.传统的模拟电路校正方法需要对原差分电压测量电路进行重新连接，针对包含差分放大器芯片的电路，由于其运算放大器的正负输入端在芯片内部，无法通过传统的模拟电路校正方法加入电位器来消除共模误差，另一方面，在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，可变电位器两端的工作电压较高，此时无法使用数字电位器，只能使用手调电位器，从而增加了调试难度和危险性，并降低了调试效率。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述背景技术问题，提供一种差分电压测量电路、装置及方法，相较于传统的差分电压测量技术，可以在包含差分放大器芯片的电路中，以及在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，实现共模误差校正，从而降低调试难度和危险，并提高调试效率。
5.本技术一方面提供一种差分电压测量电路，包括：共模误差校正模块及差分电压测量模块，所述共模误差校正模块用于根据第一电压信号及第二电压信号生成共模误差校正信号；所述差分电压测量模块与所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述共模误差校正模块均连接，用于根据所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述共模误差校正信号生成消除共模误差的目标差分放大电压信号。
6.在差分电压测量电路中，对测量电压的精度有较高要求。上述申请实施例中的差分电压测量电路中，不仅可以保持差分电压测量电路测量精度的较高要求，通过设置共模误差校正模块，灵活调整校正电压输出模块的输出电压，使其适应共模输入电压的变化，最终使共模误差校正电压及差分电压测量电压进行叠加后，可消除共模误差，生成准确的差分电压测量信号。
7.在其中一个实施例中，所述共模误差校正模块包括第一运算放大器、第一电阻单元、第二电阻单元及第三电阻单元；
8.所述第一电阻单元被配置为：第一端与所述第一电压信号连接，第二端经由所述第三电阻单元接地；
9.所述第二电阻单元被配置为：第一端与所述第二电压信号连接，第二端经由所述第三电阻单元接地；
10.所述第一运算放大器被配置为：第一输入端与所述第一电阻单元的第二端、所述
第二电阻单元的第二端及所述第三电阻单元的第一端均连接，第二输入端接地，输出端输出所述共模误差校正信号；
11.其中，所述第一电阻单元的电阻值与所述第二电阻单元的电阻值相等。
12.在其中一个实施例中，所述共模误差校正信号包括互为反相的第一共模误差校正信号及第二共模误差校正信号，其中，所述第一共模误差校正信号与所述差分电压测量模块的共模误差同相；
13.所述共模误差校正模块还被配置为：
14.在所述第一运算放大器的第一输入端为正向输入端、所述第一运算放大器的第二输入端为反向输入端的情况下，输出所述第一共模误差校正信号；
15.在所述第一运算放大器的第一输入端为反向输入端、所述第一运算放大器的第二输入端为正向输入端的情况下，输出所述第二共模误差校正信号。
16.在其中一个实施例中，所述共模误差校正模块还包括选择开关，所述选择开关包括第一刀、第二刀及顺序排列的第一端子、第二端子、第三端子、第四端子；
17.所述第一端子、所述第四端子与所述第一电阻单元的第二端、所述第二电阻单元的第二端及所述第三电阻单元的第一端均连接；
18.所述第二端子、所述第三端子均接地；
19.所述第一刀与所述第一运算放大器的正向输入端连接；
20.所述第二刀与所述第一运算放大器的反向输入端连接；
21.其中，所述共模误差校正模块还被配置为：
22.在所述第一刀与所述第一端子接触连接、所述第二刀与所述第三端子接触连接的情况下，输出所述第一共模误差校正信号；
23.在所述第一刀与所述第二端子接触连接、所述第二刀与所述第四端子接触连接的情况下，输出所述第二共模误差校正信号。
24.在其中一个实施例中，所述共模误差校正模块还包括电阻值相等的第四电阻单元及第五电阻单元；所述第三电阻单元包括可调电位器及/或数字电位器；
25.所述第四电阻单元被配置为：第一端与所述第一电阻单元的第二端、所述第二电阻单元的第二端及所述第三电阻单元的第一端均连接，第二端与所述第一运算放大器的第一输入端连接；
26.所述第五电阻单元被配置为：第一端与所述第四电阻单元的第二端及所述第一运算放大器的第一输入端均连接，第二端与所述第一运算放大器的输出端连接；
27.所述第三电阻单元的滑动端与所述第一运算放大器的第二输入端连接；
28.其中，通过调整所述滑动端远离所述可调电位器或所述数字电位器的中点位置，使得所述共模误差校正模块输出所述第一共模误差校正信号或所述第二共模误差校正信号。
29.在其中一个实施例中，所述第三电阻单元包括可调电位器及/或数字电位器；
30.其中，通过调节所述可调电位器及/或所述数字电位器，使得所述共模误差校正信号的幅值，与所述差分电压测量模块的共模误差的幅值匹配。
31.在其中一个实施例中，所述差分电压测量模块被配置为：输出参考端与所述共模误差校正模块的输出端连接。
32.在其中一个实施例中，还包括求和模块；
33.所述求和模块被配置为：第一输入端与所述差分电压测量模块的输出端连接，第二输入端与所述共模误差校正模块的输出端连接，输出端输出所述目标差分放大电压信号。
34.本技术还提供一种差分电压测量装置，包括：前述任一实施例所述的电路。
35.上述差分电压测量装置可通过控制共模误差校正模块，使其根据第一电压信号及第二电压信号生成共模误差校正信号，同时使差分电压测量模块根据第一电压信号、第二电压信号及共模误差校正信号产生消除共模误差的目标差分放大电压信号，该装置可用于集成的差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的情况下，弥补传统模拟电路校正方法加入电位器无法消除所产生的共模误差，同时还可以在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，降低调试难度和危险性，并提高调试效率。
36.本技术的又一方面提供了一种差分电压测量方法，基于任一本技术实施例中所述的差分电压测量电路实现，所述方法包括：
37.控制共模误差校正模块根据第一电压信号及第二电压信号生成共模误差校正信号；
38.控制差分电压测量模块根据所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述共模误差校正信号生成消除共模误差的目标差分放大电压信号。
39.上述方法基于任一项本技术实施例中的所述差分电压测量电路实现，具体地，可通过控制所述共模误差校正模块根据所述第一电压信号及所述第二电压信号生成共模误差校正信号，并通过控制所述差分电压测量模块根据所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述共模误差校正信号，生成消除共模误差的目标差分放大电压信号，该方法能解决传统模拟电路校正方法存在局限性的问题，并可用于集成的差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的电路中，弥补传统模拟电路校正方法加入电位器无法消除所产生的共模误差，同时还可以在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，降低调试难度和危险性，提高调试效率。
附图说明
40.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
41.图1为一种传统的差分电压测量电路原理示意图；
42.图2为一种传统的带有模拟电路校正共模误差的差分电压测量电路原理示意图；
43.图3为本技术一实施例中提供的一种差分电压测量电路原理示意图；
44.图4为本技术另一实施例中提供的一种差分电压测量电路原理结构示意图；
45.图5为本技术一实施例中提供的一种共模误差校正模块原理示意图；
46.图6为本技术第二实施例中提供的一种共模误差校正模块原理示意图；
47.图7为本技术第三实施例中提供的一种共模误差校正模块原理示意图；
48.图8为本技术第四实施例中提供的一种共模误差校正模块原理示意图；
49.图9为本技术一实施例中提供的一种差分电压测量方法流程示意图。
具体实施方式
50.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
51.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
52.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件称为第一元件。第一元件和第二元件两者都是元件，但其不是同一元件。
53.可以理解，以下实施例中的“电连接”，如果被电连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电电连接”、“通信电连接”等。
54.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
55.当今世界各种智能化的设备得到了普及，而这些智能化设备的智能程度，都离不开功能各异的传感器，由于这些传感器采集的电信号一般都很微弱，且不是周期性的，所以对这些信号进行处理时，需要首先采用放大电路进行放大。
56.在实际生活工作中，放大电路的应用十分广泛，这是由于实际信号往往非常微弱，必须经过放大才能进行观测或驱动后续设备。无论是简单的扩音器、收音机，还是复杂的、精密的各种电子设备，常常都包含放大电路这一基本的功能电路。放大电路是使用最为广泛的电子电路之一、也是构成其他电子电路的基础单元电路。放大电路的作用即是利用bjt的电流控制作用或者fet的电压控制作用把微弱的电信号增强到所要求的数值，便于人们测量、使用。放大电路可将输入的微弱信号(简称信号，指变化的电压、电流等)放大到所需要的幅度值且与原输入信号变化规律一致的信号，即进行不失真的放大。
57.差分放大电路具有良好的抗噪声性能，可以大大降低信号失真以及具有良好的输出特性。很多集成电路都是以差分放大电路作为输入级的。差分放大电路是将两个输入端的差值作为信号，主要是提高信号精度，去掉共有的误差干扰，从而消除一定误差的。但是由于实际差分电路与理想差分电路存在不同，所以在实际差分电路中，会产生共模信号从而产生共模误差，为消除共模误差，传统的模拟电路校正方法通过在电路中加入可变电位器来实现，主要通过控制电路中电阻之间的比例满足理想差分电路的特性来消除共模误差。
58.如图1所示，理想的差分电压测量电路中的电阻满足r3/r1＝r4/r2，此时输出电压vo＝(v
1-v2)
×
r3/r1。实际中很难达到理想电路的要求，由于电阻存在误差很难满足r3/r1＝
r4/2，且电路处于共模电压条件下，由此使得实际的差分电压测量电路输出电压为：
[0059]vo
＝k
dm
×vdm
k
cm
×vcm
；
[0060]
其中，v
dm
＝v
1-v2，v
dm
为差模输入电压，v
cm
＝(v1 v2)/2，v
cm
为共模输入电压，k
dm
为差模比例系数，k
cm
为共模比例系数，k
dm
和k
cm
取决于电阻r1、电阻r2、电阻r3及电阻r4的比例，共模比例系数会导致差分电压测量的共模误差。
[0061]
对于上述差分电压测量中产生的共模误差，在vo经过模数转换器输出数字量的情况下，可以使用数字校正的方法减小共模误差；在vo直接输出模拟量的情况下，需要一种模拟电路校正方法减小共模误差。
[0062]
传统的模拟电路校正方法如图2，在电阻r2与电阻r4加入可变电位器r
24
，使可变电位器r
24
的第一输入端与电阻r2的第二输入端连接，可变电位器r
24
的第二输入端与电阻r4的第二输入端连接，可变电位器r
24
的滑动端与运算放大器的第二输入端连接，滑动电位器r
24
中电阻r2方向侧至电位器滑动触点部分的阻值为r
24
′
，滑动电位器r
24
中电阻r4方向侧至电位器滑动触点部分的阻值为r
24
″
，使r3/r1＝(r4 r
24
″
)/(r2 r
24
′
)来消除共模误差。
[0063]
由于传统的模拟电路校正方法所增加的可变电位器的两个输入端均与原电路中的电阻连接，可变电位器的滑动端与运算放大器的第二输入端连接，所以需要对原差分电压测量电路进行重新连接，所以不能适用于集成的差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的情况；同时在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，加在可变电位器的工作电压较高，此时无法使用数字电位器，只能使用手调电位器，这会无形中增加调试难度和危险性，并降低调试效率。
[0064]
针对以上问题，传统的解决办法不能有效的消除共模误差，基于此，本技术针对传统的模拟电路校正方法存在的两个问题，提出了一种差分电压测量电路，实现该电路在有效消除共模误差信号的基础上，既能适用于集成的差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的情况，还可以应用于高压差分电压或差分电压存在高压共模电压的测量中，从而增加共模电压校正模块输出的灵活多样性，从而降低调试难度和危险性，提高调试效率。
[0065]
为了说明本技术中的差分电压测量电路的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0066]
在其中一个实施例中，如图3所示，提供了一种差分电压测量电路，包括差分电压测量模块100及共模误差校正模块200，其中，共模误差校正模块200用于根据第一电压信号v1及第二电压信号v2生成共模误差校正信号；差分电压测量模块100与所述第一电压信号v1、所述第二电压信号v2及所述共模误差校正模块200均连接，用于根据第一电压信号v1、第二电压信号v2及共模误差校正信号生成消除共模误差的目标差分放大电压信号。
[0067]
具体地，共模误差校正模块200的输出端连接至差分电压测量模块100的电压参考端v
ref
，共模误差校正信号作为输入信号经差分电压测量模块100之后，在差分电压测量模块100的输出端能够获取消除共模误差的目标差分放大电压信号。
[0068]
本实施例中，共模误差校正模块200与差分电压测量模块100电连接，可以使本发明中的差分电压测量电路有效地应用于集成的差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的情况下，弥补传统模拟校正方法加入电位器存在的不足；另一方面，本发明中的差分电压测量电路还可应用于测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压的情
况下。本实施例中的差分电压测量电路利用共模误差校正电压信号与差分电压测量电压信号叠加，实现消除共模误差并生成准确的差分电压测量信号的目的，可降低调试难度和危险性，提高调试效率。
[0069]
在其中一个实施例中，如图4所示，与图3相比还包括求和模块300，求和模块300与共模误差校正模块200及差分电压测量模块100均连接，用于根据共模误差校正信号及差分电压信号生成消除共模误差的目标差分放大电压信号。
[0070]
具体地，通过设置共模误差校正模块200的输出电压v
o2
＝k
cm
′×vcm
，与差分电压测量模块100的模拟输出电压v
o1
通过求和模块300可得到校正后的输出电压：
[0071]vo
＝k
dm
×vdm
k
cm
×vcm
k
cm
′×vcm
[0072]
使得k
cm
′
≈-k
cm
，则vo≈k
dm
×vdm
，由此可通过共模误差校正模块200，得到校正后的输出电压vo。
[0073]
在其中一个实施例中，如图5所示，本技术提供了一种共模误差校正模块200，包括第一运算放大器op1、第一电阻单元r1、第二电阻单元r2及第三电阻单元r3，其中，第一电阻单元r1被配置为：第一端与所述第一电压信号v1连接，第二端经由第三电阻单元r3接地；第二电阻单元r2被配置为：第一端与第二电压信号v2连接，第二端经由第三电阻单元r3接地；第一运算放大器op1被配置为：第一输入端与第一电阻单元r1的第二端、第二电阻单元r2的第二端及第三电阻单元r3的第一端均连接，第二输入端接地，输出端输出第一共模误差校正信号v
o21
。
[0074]
具体地，第一运算放大器的缩放比例为k
amp
，且r1＝r2＝r，此时共模误差校正模块200输出电压为:
[0075]vo21
＝v
cm
×kamp
×2×
r3/(2
×
r3 r)
[0076]
控制k
cm
′
＝k
amp
×2×
r3/(2
×
r3 r)，使k
cm
′
≈-k
cm
，从而使v
o21
与共模误差互相抵消，达到消除共模误差的目的，此实施例中v
o21
与v
cm
同相。
[0077]
进一步地，从v
o21
的公式可知，针对本实施例中k
cm
′
是固定值，只能产生固定大小的v
cm
的情况，为了适应差分电压测量模块100中k
cm
的变化，第三电阻r3使用可调器件，如可调电位器或数字电位器，可产生可变的k
cm
′
，增强共模误差校正模块200的适应性。
[0078]
进一步地，第一运算放大器op1使用可调增益放大器，可通过改变放大器缩放比例k
amp
，产生可变的k
cm
′
，增强共模误差校正模块200的适应性。
[0079]
在其中一个实施例中，如图6所示，与图5所示实施例相比，本实施例中第一运算放大器op1的第一输入端与第二输入端反相，此时可获得第二共模误差校正信号v
o22
，且第二共模误差校正信号v
o22
与v
cm
反相。
[0080]
在其中一个实施例中，如图7所示，提供了一种共模误差校正模块200，相比图5所述实施例，本实施例中共模误差校正模块200还包括选择开关k，选择开关k包括第一刀、第二刀及顺序排列的第一端子1、第二端子2、第三端子3、第四端子4；其中，第一端子1、第四端子4与第一电阻单元r1的第二端、第二电阻单元r2的第二端及第三电阻单元r3的第一端均连接；第二端子2、第三端子3均接地；第一刀与第一运算放大器op1的正向输入端连接；第二刀与第一运算放大器op1的反向输入端连接；共模误差校正模块200还被配置为：在第一刀与第一端子接触连接、第二刀与第三端子接触连接的情况下，输出第一共模误差校正信号v
o21
；在第一刀与第二端子接触连接、第二刀与第四端子接触连接的情况下，输出第二共模
误差校正信号v
o22
。
[0081]
在本实施例中，第三电阻单元r3使用可调电位器或数字电位器，改变第三电阻单元r3的阻值，产生变化的k
cm
′
。当差分电压测量模块100中k
cm
变化时，调整第三电阻单元r3的阻值，进而调整k
cm
′
，使k
cm
′
≈-k
cm
，从而使得共模误差校正模块200的输出电压v
o2
与共模误差抵消，达到消除共模误差的目的。
[0082]
在其中一个实施例中，如图8所示，提供了一种共模误差校正模块200，相比图6，还包括电阻值相等的第四电阻单元r4及第五电阻单元r5；其中，第四电阻单元r4被配置为：第一端与第一电阻单元r1的第二端、第二电阻单元r2的第二端及第三电阻单元r3的第一端均连接，第二端与第一运算放大器op1的第一输入端连接；第五电阻单元r5被配置为：第一端与第四电阻单元r4的第二端及第一运算放大器op1的第一输入端均连接，第二端与第一运算放大器op1的输出端连接；第三电阻单元r3的滑动端与第一运算放大器op1的第二输入端连接；通过调整第三电阻单元r3的滑动端远离可调电位器或数字电位器的中点位置，使得共模误差校正模块输出第一共模误差校正信号v
o21
或第二共模误差校正信号v
o22
。
[0083]
具体地，在本实施例中，为了减小误差，第四电阻单元r4与第五电阻单元r5的阻值之和远大于第三电阻单元r3的阻值；取第三电阻单元r3滑动端至远离接地端的电阻为r3′
，滑动端至地电位之间的电阻为r3″
，由于r4 r5远远大于r3，可忽略流过r4 r5电流的影响，此时：
[0084][0085][0086]
当2
×
r3″
《r3，即第三电阻单元r3的滑动端位于电位器中点到地电位之间时，k
cm
′
为负，v
o2
的输出与v
cm
反相；
[0087]
当2
×
r3″
》r3，即第三电阻单元r3的滑动端位于电位器中点到远离接地端之间时，k
cm
′
为正，v
o2
的输出与v
cm
同相。
[0088]
通过滑动第三电阻单元r3的滑动端，可以灵活的调整共模误差校正模块200的输出电压v
o2
，以适应共模误差的变化，提高调试效率。
[0089]
在其中一个实施例中，提供了一种差分电压测量装置，包括任一本技术实施例中所述的电路。
[0090]
上述差分电压测量装置可通过控制共模误差校正模块，使其根据第一电压信号及第二电压信号生成共模误差校正信号，同时使差分电压测量模块根据第一电压信号、第二电压信号及共模误差校正信号产生消除共模误差的目标差分放大电压信号，该装置可用于差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的情况下，弥补传统模拟电路校正方法加入电位器无法消除所产生的共模误差，同时还可以在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，降低调试难度和危险性，并提高调试效率。
[0091]
在其中一个实施例中，提供了一种差分电压测量方法，基于任一本技术实施例中所述的差分电压测量电路实现，所述方法包括：
[0092]
步骤s22：控制共模误差校正模块根据第一电压信号及第二电压信号生成共模误差校正信号；
[0093]
步骤s24：控制差分电压测量模块根据所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述共模误差校正信号生成消除共模误差的目标差分放大电压信号。
[0094]
上述方法基于任一项本技术实施例中的所述差分电压测量电路实现，具体地，可通过控制共模误差校正模块根据第一电压信号及第二电压信号生成共模误差校正信号，并通过控制差分电压测量模块根据第一电压信号、第二电压信号及共模误差校正信号，生成消除共模误差的目标差分放大电压信号，该方法能解决传统模拟电路校正方法存在局限性的问题，并可用于差分放大器芯片中运算放大器的正负输入端在芯片内部的电路中，弥补传统模拟电路校正方法加入电位器无法消除所产生的共模误差，同时还可以在测量高压差分电压或差分电压存在高压共模电压时，降低调试难度和危险性，提高调试效率。
[0095]
需要说明的是，在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0096]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0097]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现。
[0098]
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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。