一种新型模拟积分器设计

要 我国在磁性材料的研究和生产上世界领先， 一方面磁性材料的蕴藏量世界居首，另一方面磁性材料的研究手段也是极为先进的。对于物质磁性的认识是非常关键的，这对研究新型磁性材料性能和改进传统型磁性器件都有非常深远的影响。 现阶段利用电磁感应的方法在测量物质内部磁场分布及磁性样品材料磁滞回线探究方面的应用最为突出。 目前采用的测量磁通的方法多为利用积分的手段对样品感应电动势的累加运算，得到电压变化与磁滞回线的关系，通过软件分析得到最终磁性材料的性能指标。 电子积分器的原理就是利用电路电子学的方式对待测线圈内部的感应电动势进行积分，使电子积分器输出的电压信号与磁场强度成正比。因此这种方法可以测量随时间变化的磁场分布，有利于实现仪器的自动化、智能化。在电路电子技术急速发展的今天， 这种利用交直流磁场测量样品磁性测量的方法在各个领域都有广泛的应用。电子积分器主要有两种结构：一种是核心利用运算放大器和一些模拟器件实现积分功能的模拟积分器，另一种是利用电压、频率相互变换实现积分功能的数字积分器。 数字积分器的信号源是离散的，电压 /频率变换器的出现使得模拟转化数字成为可能，解决了漂移问题，但是数字积分器只能处理离散信号，使得积分时间难以很长，输入输出端口满足相应逻辑造成修改、矫正问题也极为突出，并且只能单向积分，大大限制了数字积分器的适用范围。模拟积分器问题在于电压、电流、频率、周期等参量的变化相互制约使得仪器的漂移大、精度差、在长距离传输和多次加工中信号的波形会改变信号失去一些信息，严重时会出现信号中断，而且不能进行加密，但是有点在于电路结构简单、处理手段多样、价格便宜、易于设计，并且在某些极端的条件下也可以产生稳定的信号。 本论文旨在设计一种精度高、漂移低的模拟积分器，在处理手段上面采用手动调零和自动控制相结合控制模拟积分器产生的几种漂移。 主要的思想是利用电路结构的改进尽量减小零点漂移和非线性误差，并且选择高精度的元件如：积分电容选用精密聚酯电容、积分电阻 属膜或线绕精密电阻、集成运放选择开环倍数大、输入阻抗高的集成电路，最后对积分结果进行了简要的分析。 关键字：模拟积分器，数字积分器，滤波器 s in of in a on is of of is it a on of a At of in of of of of of by of of to is of to is to is to In of of C C of in of is of is of is is to is to by of in of of of in of to be be is a to in to a in by of is to as as to or of is at of a 录 第一章 引言 .题研究背景、 .分器种类的划分以及实现积分功能的方法 .外正在使用的几种模拟积分器 . 积分器加前置补偿 . 时间交替型积分器 .外几种常见数字积分器 . 以. . .文的主要工作 . 积分器设计要点 .论文主要工作 .文结构框架 .二章 积分器的原理及分析 .想模拟积分器原理 .际积分器等效电路 .拟积分器误差分析 .入电压产生失调偏移量而引入的漂移现象 .线性误差引入的积分漂移 .露电阻引入的误差 .字积分器基本原理 .字积分器误差分析 .三章 模拟积分器电路结构设计 .拟积分器设计面对的主要问题 .本的模拟积分器 .入负反馈的积分器 .像对称型积分器 .工调零型积分器 .动清零、自动补偿型积分器 .除零点漂移型积分器 .拟减法器电路设计 .终积分器电路方案.第四章 元器件选择与积分器可靠性分析 .成运算放大器 .集成运算放大器各项指标以及对运算误差的影响 . .分电容 .电容的基本介绍 . 积分电容泄露电阻测试 .分电阻 .拟开关 . 模拟开关选择 . 模拟开关导通电阻保持效果测试 .验数据分析 . 积分电容、积分电阻参数确定 . 积分器性能的测试 .用了滤波电路后的积分器性能测试 .滤波器介绍 . 加入滤波器的模拟积分器性能测试 .章总结 .五章 结论与展望 .论 .望 .考文献 .者介绍 . 谢 .第一章 引言 题研究背景、 我国在磁性材料的研究和生产上世界领先， 一方面磁性材料的蕴藏量世界居首，另一方面磁性材料的研究手段也是极为先进的。对于物质磁性的认识是非常关键的， 这对研究新型磁性材料性能和改进传统型磁性器件都有非常深远的影响。 现阶段利用电磁感应的方法在测量物质内部磁场分布及磁性样品材料磁滞回线探究方面的应用最为突出。 目前采用的测量磁通的方法多为利用积分的手段对样品感应电动势的累加运算，得到电压变化与磁滞回线的关系，通过软件分析得到最终磁性材料的性能指标。 市面上林林总总上百种积分器中，或者是 做工细致价格极高，又或者价格低廉但误差、漂移都十分明显。所以生产设计一种价格低廉又相对准确的几分几是十分必要的。对电子积分器整体设计的终极目标是高精度、低漂移，还在一定范围内能够保证较长时间积分，兼具有很好的性价比，所以无论在设计思路上，还是在实现形式上依然具有相当大的探讨空间。 分器种类的划分以及实现积分功能的方法 电子积分器的原理就是利用电路电子学的方式对待测线圈内部的感应电动势进行积分，使电子积分器输出的电压信号与磁场强度成正比。因此这种方法可以测量随时间变化的磁场分布，有利于实现仪器的自动化、智能化。在电路电子技术急速发展的今天， 这种利用交直流磁场测量样品磁性测量的方法在各个领域都有广泛的应用。电子积分器主要有两种结构：一种是核心利用运算放大器和一些模拟器件实现积分功能的模拟积分器，另一种是利用电压、频率相互变换实现积分功能的数字积分器。 数字积分器的信号源是离散的，通过电压 /频率变换器是模拟信号转化为数字信号并进行数字信号的累加，消除了大部分漂移量，有众多优点。但是由于只能处理离散信号， 使得积分时间难以很长， 输入输出端口满足相应逻辑造成修改、 2矫正问题也极为突出，数字积分器只能单向积分，大大限制了数字积分器的适用范围。模拟积分器问题在于电压、电流、频率、周期等参量的变化相互制约使得仪器的漂移大、精度差、在长距离传输和多次加工中信号的波形会改变信号失去一些信息，严重时会出现信号中断，而且不能进行加密，但是在某些极端的条件下（例如：大电流、高电压）也可以产生稳定的信号。 外正在使用的几种模拟积分器 分器加前置补偿 国）使用的模拟型积分器 使用了模数转换器寄存器数模转换器（据模块的国）模拟积分器，上图为其原理图，可知这种模拟积分器能够实现对信号的积分功能和实现对信号的放大功能这两种工作状态。在信号放大状态时，能够测量出来预案算放大器的积分漂移现象，经由数据模块保存，并在积分状态下变换成模拟信号从输入端补偿回去。 这种方法在一定程度上很有效果的补偿了运算放大器积分漂移引起的零点漂移， 但是和数字积分器有共同的缺点这种补偿方法受到取样时间的限制，并不能做到补偿的即时性，如果输入信号出现了高频噪声刚好在取样时间周期内会导致偏移更加严重。 间交替型积分器 为了尽量减小元件漂移和模拟电路本身参数不均引入的误差，装置研制了一种由两路积分器构成，时间上相互交替工作的模拟积分器，设计思想将整个积分时间分隔成很多个短的时间段，一个对信号源积分，另一个对零点（即为接地点）积分，当用来积分的模拟积分器出现了明显的漂移现象，则两个积分交换使用，再将两个积分器的积分结果输入累加器中，通过累加运算得到最终的积分信号。 图1日本设计生产的 托卡马克装置也采用了同样的原理，它的放电时间能够超过两小时， 可以得出这种时间交替型积分器能够极大程度的消除积分误差，也可以减小积分电容泄露引入的影响，有着很大的空间去发展，但是使得两个积分器的性质完全一致这样才能确保积分过程中积分时间 相同的。这也是此种类型积分器减小积分误差的关键设计点。 外几种常见数字积分器 国的 司研制了以 基础的数字型积分器，首先将前端的信号微分化，调整到模数转换器的输入范围，再将微分信号转化为数字信号再利用数值运算小部件最终得到输出信号为输入信号的积分。 于国公司由无源模拟开关电路将输入的信号反向交替，见经过减法器的运算，最后又一个标准的国公司使用的数字积分器 由数字电路为基础的数字积分器跳开了模拟电路的种种限制具有扩展系统方便，动态积分范围巨大，而且由于没有模拟电路中的积分电容不会出现电容满溢的情况，算法上面的设计也比较灵活，最主要的是可以抵消模拟电路中电容和预案算放大器所引入的非线性误差和电容泄露等现象，当然也存在着很多缺点，例如只能单向积分，无法应对复杂多变的实验环境，这就大大限制了数字积分器的使用范围。 数字积分器 日本公司研制的字运算模块和数字信号处理模块它采用了三个不同范围的 5将电压信号装换成频率信号，让每次的积分运算在相应的频率范围内完成，最终由对应的三路输出模块选择性的输出。 压频率转换器 字运 算模块的优点在于利用了价格低廉的电路集成芯片就可以完成对输入信号的积分运算和提高对信号噪声的隔离的可靠性，其积分精度也优于采用 算放大器构成的基本型模拟积分电路。由于数字电路而且由于没有模拟电路中的积分电容不会出现电容满溢的情况， 又能够保证积分器的积分时间在一定程度上加长，还可以做到整个装置长时间工作的要求，但是这种方式完成的积分运算面对的问题和以只能单向积分，无法应对复杂多变的实验环境，并且似零点漂移）。 卡马克正在使用的积分器 卡马克正在使用的积分器的主要系统包括：模拟积分电路，作用为对信号的积分； 两个电信号隔离部分， 用来隔离前后级传输电信号时附带有的白噪声；两个程控放大部分，主要作用为控制和放大，做到一定程度上扩大采集信号的极值，提高应用范围；控制器，宏观控制整个电路电子系统，设置相应参数和程序指令。 套装置采用了动态实时补偿漂移的方案， 并且能够动态的消除了积分运算电路本身参数带来的误差，例如零漂、温飘和地噪声，最终达到够达到对积分精度提高的要求，采用了电压电流隔离的思想并不会限制输入的电压幅值，大大提高了应用范围。 但是要求两路积分完全呈现镜像分布。增加了对器件精度和电路调试上面的难度，而且实验前必须对两路积分电路调零工作，对最终的积分结果有着很大的影响。 分器主要问题分析 从以上的介绍可以了解到国内外现有的电子积分器完成积分运算还是利用硬件电路实现的，这种方式完成的积分器可以分为以下几类：按积分方法的不同可以分为利用源网络完成积分运算的积分器、数字技术完成积分运算的积分器、模拟技术完成积分运算的积分器、模拟技术和数字技术相结合完成积分运算的积分器；还可以按照不同的补偿方案分类， 按补偿方案不同可分为自带补偿的积分器、时域上交替的积分器、利用数字信号的方法完成处理的积分器和利用电压 频率转换的方法连同计数器和数字信号微处理器共通构成的数字积分器。 基本型积分电路容易产生的误差主要有： （ 1）积分漂移（零点漂移） ； （ 2）非线性误差； 7（ 3）泄漏现象； （ 4）高频误差。 为了尽量减小这些误差对研究问题的影响采用了不同的方式设计积分器： （ 1）核心部件为模积分器，补偿方式采用模数转换器 数模转换器（ 块。换器的主要术参数有两个：(1)分辨率，分辨率是指 D/A 能够分辨的最输出电压的能力。它可以使用输数字量的位数来表示，例如8位的分力分别为8；也可以用最小的输出压与最大输出电压之比来表示，即满度之比。(2)转换精度，转换精度是指输模拟电压的实际值与理想值之间的差值，即最大静态转换误差。误差是由参考电偏离标准值多少、运算放大器的零点漂移、模开关的电压降及电阻阻值的偏差等原引起。转换精度是指转换后所得的实际值与理想之间的接近程度。在运放工作状态测量零漂，再利用该模块将零漂转换成模量补偿回去； （ 2）交替时式积分器，主要思想是防止电容 饱积分电容而将积分时间分隔成短的时间段，每一小段都略小于积分电容的饱和时间，利用则两个积分交换使用，最后将两个积分器的积分结果输入累加器中，通过累加运算得到最终的积分信号。经过试验这种积分器能够保持两个小时以上仍然漂移不大，积分精度非常可喜，有着更加广阔的发展空间； （ 3）基于 积分器。数字信号处理是通过数学的方法和技巧转换、提取和执行信息进而处理信号的方法，这些数字由二进制码表示。过去的两个十年里，数字信号已经在通信和控制领域得到了非常广泛的应用。 8本文中提到的 一种独特的数字处理模块，主要利用数字的方法和手段放大处理大量的信息， 工作原理在于首先利用模拟的模块接收信号并转化为数字二进制代码，再利用数学运算对数字信号进行控制，得到数字信号最后模拟的形式转换而出，这种方法处理的信息具有信号控制多样性，运算的精度、速度远高于普通的处理模块等优点。 基于数字处理模块（ 积分器，对输入的模拟电信号进行数字化处理，再利用运算部件完成积分运算和误差的处理。 （ 4）采用了三个不同范围的 字运算模块，先将电压信号装换成频率信号，让每次的积分运算在相应的频率范围内完成，最终由对应的三路输出模块选择性的输出。这些方法在不同程度上对积分的结果进行了优化，但是缺点同样很明显： （ 1）在消除积分误差的同时，无法做到实时补偿，特别有高频微扰引入时，误差会加大； （ 2）采用多路积分器的电路垃圾分期的 参数必须保持一致，这在模拟电路中很难做到； （ 3）数字运算模块对小信号的处理存在 相当大的误差，当信号过小时无法分辨小信号，而且对输入电信号的方向要求严格，而且同样存在来自运算模块内部的漂移。 经过对这几种积分器的分析可以了解到， 这些制作积分器的方法或者由于所选元器件本身的误差导致最后的实验结果漂移很大， 或者设计者的设计理念存在偏差造成设计的结果呈现千差万别的误差， 又或者虽然产品性价比虽然不错设计的特点上也有一定的特色但是实际应用方面和可操作性仍然存在不足的地方。 因此，对积分器整体的设计目标是高精度、低漂移，在一定范围内能够保证较长时间积分，并且具有很好的性价比，所以无论在设计思路上，还是在实现形式上依然具有相当大的探讨空间。 文的主要工作 分器设计要点 由于积分器所面对的问题主要是：积分漂移（零点漂移） 、非线性误差、电容泄露现象、高频误差，这些问题都会导致积分器精度变差、高漂移，造成我们分析问题有很大的不便，我们旨在设计高精度、低漂移、并且在一定范围内保持长时间积分， 所以在模拟电路部分设计了数字控制下的人工调零与自动补偿结合的模拟积分器，并且详细介绍了元件选择的要点。 文主要工作 （ 1）积分电路理论推导与误差分析； （ 2）积分电路设计与改进； （ 3）积分器性能测试； （ 4）根据实验结果进行进一步优化，加入高频滤波部分。 文结构框架 第一章为绪论部分，首先简述了论文的研究背景，研究目的以及积分器设计所面临的基本问题，对其解决办法进行了简要叙述； 第二章在理论上分析推导得出模拟积分器、数字积分器原理公式，从理论上引入的误差； 第三章是本文的核心内容， 详细介绍了模拟积分器的电路部分设计方法和积分功能的实现过程，对积分器可能引入的误差进行一一分析并提供了解决掉方案； 第四章对实验得到的最终模型分析，详细阐述了元件的选择，以及不同元件对结果的影响，加入了低通滤波电路的分析； 第五章是结论和展望， 介绍了文中设计积分器的优缺点并说明下一步工作的重心。 10第二章 积分器的原理及分析 想模拟积分器原理 基本电路结构如图 2示，是基本的模拟积分器的原理图，它是由集成运算放大器、电容和电阻共通组成。 图 想模拟积分器 当运放理想时，利用虚短、虚断的概念：0,0 到 ,（211） 电容设电容器 12） )1(013） 从上式可以得到输出电压时输入电压的积分运算形式， 其中的负号表示交流相位相反，积分器的积分时间，可以得出积分器的积分时间与电阻和电容有关。 际积分器等效电路 表达式)1(0是实际中不可能找到参数完全理想的模拟元件来构成积分器， 例如积分电容由于泄露电阻的存在肯定会有泄露的现象、 集成运算放大器也会由于偏置电压的存在导致失调现象严重而增加整个积分电路的误差， 采用低频等效电路的方法对上面所述的基本积分电路进行分析，得到了下图中所表示的实际积分器的低频等效电路图。 各个参数具体表达含义如下表： 际积分器的等效电路 12由基尔霍夫电流及电压定律，可写出电路的基尔霍夫方程： 01021021（221） 其中上式使用低频的近似化简，其中化简的条件为: 222） 可推出 1（223） 分子、分母同除以 11（224） 令， 这里 111（225） 令，运算放大器的失调电压和失调电流引起的等效输入电压。 13得 111（226） 因为 ， ， ，（227） 所以 111（228） 经拉氏反变换， 01（ 2 2 9） 拟积分器误差分析 假设输入 以 00031） 假设固定的常数上式可以化简为 1（232） 根据指数展开公式将上式做展开，得 222222212（233） 实际等效积分器的最终结果中第一项为理想积分器的输出积分值， 第二项为集成运放失调电压引起的偏移现象，第三项和第四项为电容、电阻的参数不理想引起的误差。始终最后一项是 14展开项系数，可认为是无穷小量，不考虑对结果影响。 理想状态下对输入信号的积分结果及积分保持项 )( （234） 式中最终得出在各项参数性能理想的情况下的集成运算放大器构成的模拟积分电路的积分运算方程，认为集成运算放大器、电容、电阻的各项参数理想的条件下得到的。 入电压产生失调偏移量而引入的漂移现象 当整个模拟积分电路的输入电压为零时（此时对地积分） ，经由整个积分电路积分运算得得到的输出值理应稳定不变， 但是实际的输出图像仍然呈现不规则变化，这是因为集成运算放大器由于输入电压产生了偏移量，和电流的偏移量，即为输入失调电压和输入失调电流， 当然由于温度的不稳定引入的漂移现象和集成运算放大器的开环放大倍数不能达到理想状态等因素共同造成的。 所以即使输入电压为零时，模拟积分电路的输出也不为零，输出的电压会随着时间的变化而变化，我们成为积分漂移，或零点漂移。 若此时的输入电压为零，积分电容两端的电压同样为零，此时集成运算放大器构成的积分电路的输出只取决于集成运算放大器的输入电压产生了偏移量和电流的偏移量，即为输入失调电压和输入失调电流。 1（241） 式中第一项为1V的整个模拟积分电路的积分输出项， 第二项为积分漂移项。最终得到的1是高阶无穷小量，可以忽略。 15由此可知，积分时间越短，由于出信号的积分漂移程度也很小。当积分时间分漂移随之线性增加，成为影响积分输出精度的重要因素之一。减小积分时间成为减小积分漂移最为主要的手段，但是在一些特殊的实验环境下，对积分时间的要求是比较严格的，所以我们设计积分时间相对较长时间的模拟积分器。 线性误差引入的积分漂移 理想的模拟积分器在反相端输入正向阶跃信号时， 输出电压会随着时间呈现线性下降。但由于各种模拟器件本身各项参数的不理想，实际集成运算放大器为核心的积分电路的最终积分值与线性程度产生了偏离，称之为非线性误差。 总而言之，非线性误差是指数字信号转换时产生的与理想状态之间的差异。非线性误差的微分参数主要是数字信号的实际步距与理论上的步距的差值， 而非线性误差的积分参数则更多关注所有数字信号的非线性误差累计效应。 对一个数字模拟转换过程来说， 一个固定范围的输入电压参量产生一个给定的输出代码段的状态参量， 非线性误差的微分参数误差主要表现为在正向范围内时输入电压的峰值会比理想中峰值大， 非线性误差的积分参数误差为负向范围内时输入电压的峰值范围比理想的峰值要小得多。从整个范围内输出的数字信号分析，每个数字信号的实际步距累积产生的差异会与理想中的最终结果产生非常大的偏移， 这个差异就是非线性误差的积分参数的误差。 与增益和偏移类似，计算非线性微分和积分误差也有很多种方法，代码平均与电压实时补偿都可以做到计算非线性误差，但是由于存在重复计算误差的概率， 当器件整体的指数较多时代码平均和电压实时补偿的放大所需的计算时间都非常长。为了缩短计算时间我们可以采用数学中的直方图法，采用线性或者输入为正弦直方图 从数学的角度考虑， 非线性积分误差应该是综合了非线性微分误差和非线性积分误差共通的特点，即为平均值。 理想的模拟积分器在反相端输入正向阶跃信号时， 积分电容由于在清零操作下两端的电位差为零。不考虑集成运算放大器的各项非理想指标，则可以得到： 1622