CN101098130B - 一种信号幅度的转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号幅度的转换装置，其包括：一信号预处理单元、一控制单元、一D/A转换器单元、一输出信号处理单元和一指令接口单元；其中，所述信号预处理单元用于接收外界输入信号，经过转换之后把信号输送到所述D/A转换器单元的参考电平输入端；所述控制单元用于传输控制信号到所述D/A转换器单元；所述D/A转换器单元的输出接口与所述输出信号处理单元连接，所述输出信号处理单元对所述D/A转换器单元的输出信号进行处理。本发明转换装置精确的实现了多级程控增益控制，适用于对输出信号幅度需要分级程控的任何电子信号控制场合或者电子机械领域。

Description

一种信号幅度的转换装置

技术领域

本发明涉及一种适用于电子信号转换和自动控制领域的电路装置，具体的说，是一种对任意信号输出幅度能够进行程控的转换装置，主要应用于电子信号转换领域和机电结合的自动控制领域。

背景技术

在现有技术的电子设备和电子控制领域等信号频率不是很高的环境中，很多情况下都需要对一个信号的幅度进行控制，特别是在一些电子控制领域，经常需要对信号的幅度进行缩放的控制，而对信号频率、相位等特征不做改变，也就是说，只改变信号的幅度大小。

在电子机械方面，就相当于只改变机械的动作幅度，而不改变动作的轨迹路线形状。在电子设备中，就相当于只改变信号传输的增益，而不改变信号的其它特性。

在专利号为CN200510092193的日本石田琢磨的专利“自动增益控制电路”中，公开了一电路，包括：可变增益放大电路，具有由增益控制信号控制的增益，整流电路，整流上述可变增益放大电路的输出信号，电压比较器，将由上述整流电路整流了的整流信号与阈值电压比较，增/减序计数器，对应上述电压比较器的输出电压电平切换增序计数动作和减序计数动作，D/A转换电路，输出对应于上述增/减序计数器的计数值的电压，另外提供给上述可变增益放大电路的增益控制信号对应于上述D/A转换电路输出的电压，且上述电压比较器的阈值电压是对应于上述D/A转换电路输出电压的电压。

在专利号为CN03219245的中国南京航空航天大学的专利“微弱信号程控放大器”中，公开的电路包括前后级的放大电路和程控芯片。它是一种微弱信号程控放大器，由运算放大器组成前级放大，由程控放大器组成二级放大，由阻容滤波电路和运算放大器组成一级滤波电路，由阻容滤波电路和运算放大器组成二级滤波电路。其放大器具有极高的交流共模抑制比，且随着增益的增加而增大，对工频噪声和谐波有高效的抑制作用；放大器增益具有程控放大作用，根据输入信号的强弱，选择程控增益的大小；具有低通滤波器，滤出高频干扰；体积小，模块式器件，最大放大倍数可达16000倍。

但是，对于申请专利号为CN200510092193的专利文献，它所公开的是一种自动增益控制电路，也就是说输出的信号和输入的信号的增益会自动变化，满足输出信号的要求，但对于需要可控增益的需求却无法满足。

对于专利号为CN03219245的专利，由于程控芯片的控制只能分1、2、4、8、16倍这5级，对输出信号的放大倍数控制能力比较弱，其放大倍数固定，对于象5、6、7、11、1000等其它比较随意的程控放大倍数的需求无法满足要求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信号幅度的转换装置，根据对信号进行的幅度转换提出一种简单有效的量程转换装置，可以对信号变化频率在一定范围内的任意信号进行程控转换输出，频率的变化范围受电路结构和使用器件特性的限制.

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案包括：

一种信号幅度的转换装置，其中，其包括：一信号预处理单元、一控制单元、一D/A转换器单元、一输出信号处理单元和一指令接口单元；其中，

所述信号预处理单元用于接收外界输入信号，经过转换之后把信号输送到所述D/A转换器单元的参考电平输入端；

所述指令接口单元用于接收外部命令，处理成所述控制单元能够识别的指令信号，传递给所述控制单元；

所述控制单元用于从所述指令接口单元接收控制指令和对D/A转换器单元进行编程控制，向所述D/A转换器单元写入程控数据，所述控制指令包含将D/A转换器单元输出信号的幅度增加还是减少，以及程控值是多少的信息；

所述D/A转换器单元用于根据所述控制单元写入的程控数据和参考电压输入端输入的外界信号，完成信号的转换输出，所述输出信号处理单元对所述D/A转换器单元的输出信号进行处理之后，输出到后续电路。

所述的装置，其中，所述信号预处理单元用于对输入信号进行电平转换，进行相应的限幅保护，对信号幅度进行适当的缩放以及滤波。

所述的装置，其中，所述控制单元和所述D/A转换器单元之间通过串型通信接口或者并口连接。

所述的装置，其中，所述指令接口单元与所述控制单元之间通过RS232或键盘接口连接。

所述的装置，其中，所述信号预处理单元采用运放、三极管或阻容网络实现。

所述的装置，其中，所述信号预处理单元还包括第一芯片LM324及其外围器件，以形成一个放大2倍，中心电压在VCC/2附近的处理电路；同时与第一芯片并联的电容和电阻对高频部分进行滤波，该第一芯片的输出电压输送到所述D/A转换器单元的参考电压输入端。

所述的装置，其中，所述D/A转换器单元采用的D/A转换器芯片为MAX535。

所述的装置，其中，所述输出信号处理单元采用运放电路构成电压跟随电路。

所述的装置，其中，应用到闭环控制系统中时，在所述控制单元外围添加一个A/D转换器和整流滤波电路，所述控制单元不断读取A/D转换器的信息，接收外部返回的信号；并通过对控制单元预先编程，自动判断增减，以实现自动增益控制电路。

本发明所提供的一种信号幅度的转换装置，精确的实现了多级程控增益控制，适用于对输出信号幅度需要分级程控的任何电子信号控制场合或者电子机械领域。

附图说明

图1为本发明装置的实现框图；

图2为本发明的信号幅度的转换装置具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明的信号幅度的转换装置，如图1所示的，其包括信号预处理单元101、控制单元102、D/A转换器单元103、输出信号处理单元104和指令接口单元105。其中，所述信号预处理单元101接收外界的输入信号，输出一参考电压到所述D/A转换器单元103的参考电压输入端；所述指令接口单元105连接所述控制单元102，所述控制单元102的输出连接到所述D/A转换器单元103的控制接口；所述D/A转换器单元103的输出连接到所述输出信号处理单元104，并由所述输出信号处理单元104输出信号。

在本发明的上述装置中，所述信号预处理单元101接收外界的输入信号，进行变换之后输送到D/A转换器单元103的参考电压输入接口。它主要有四个任务，一是完成对输入信号进行电平转换，二是对输入信号进行相应的限幅保护，三是对信号幅度进行适当的缩放，四是滤波。

首先，由于输入信号电平各种各样，有很多信号无法满足D/A转换器单元103作为参考电压的输入范围的需要，所以需要对输入信号中心电平进行适当的平移，把输入信号的中心值移到参考电压输入范围的中心值附近，保证输入信号的幅度变化范围最大。

其次，预处理需要对输入信号进行相应的限幅保护，避免由于输入信号的幅度过大，超出D/A器件参考电压输入范围，而导致D/A器件损坏。

第三，如果输入信号的幅度比较大，就需要先对输入信号衰减；如果输入信号的幅度过小，就需要对输入信号先进行适当的放大，最大限度的适应D/A转换器单元参考电压的变动区域，保证D/A转换器单元的程控效果比较显著。

第四，滤波是为了防止输入的频率过高，超过D/A转换器单元参考输入端能够响应的最快速度，导致严重的失真。

在本发明上述装置中，所述控制单元102主要是用于从指令接口单元105接收控制指令和对D/A转换器单元进行编程控制。它接收的控制指令多种多样，可以通过任何接口和任何协议接收外界的控制指令，控制指令主要是告诉控制单元102，让D/A转换器单元输出信号的幅度增加还是减少，程控值是多少。具体设计可以使用小型CPU或者EPLD逻辑电路来实现，只要能够满足D/A转换器单元的操作时序要求就可以。

本发明所述D/A转换器单元103是用于根据控制单元102写入的程控数据、参考电压输入端输入的外界信号和输入端的稳压电压输入值，完成信号的转换输出。

众所周知，D/A转换器单元输出的信号Vout＝(参考端输入电压Vref_in/参考端电压推荐最大值Vref_max)×(程控数据/最大程控数据)×输出最大值Vout_max。输出最大值不变(此值由器件决定的，是不变的)，如果程控数据不变，则输出电压与输入参考端的电压成正比，即Vout＝k×Vref_in。k是一个系数，可以通过改变程控数据，实现k的改变(0＜＝k＜＝Vout_max/Vref_max)。在上面公式中，每个参数的最大值是由器件本身参数决定的，是一个定值。所以输出端Vout的电压只与参考端Vref输入值和D/A转换器单元的程控数据值有关。

本发明的所述输出信号处理单元104用于接收D/A的输出信号，进行相应的处理之后输出。它主要也有三个任务：一是完成对D/A输出信号进行电平转换，二是对D/A输出信号进行相应的限幅保护，三是对D/A输出信号幅度进行适当的缩放。

首先，由于D/A转换器单元103输出信号电平不一定满足外界需要，所以需要对D/A转换器单元输出信号的中心电平进行适当的平移，把D/A转换器单元103输出信号的中心值移到外界信号需要的范围中心值附近.

其次，所述输出信号处理单元104的后处理需要对D/A转换器单元输出信号进行相应的限幅保护，避免由于输出信号的幅度过大，超出外部器件的电压范围，而导致外部器件损坏。

第三，如果D/A转换器单元103输出信号的幅度比较大，就需要先对D/A转换器单元输出信号衰减；如果D/A转换器单元输出信号的幅度过小，就需要对D/A转换器单元输出信号先进行适当的放大，以满足外部器件需求的变动区域。

所述指令接口单元105的作用主要是接收外部指令，接口的形式可以是有线、无线、串行或并行，其通过处理，把指令转换为控制单元102能够接收的形式后，传递给该控制单元102。

以下结合图2所示，对本发明的较佳实施例进行具体说明：

信号预处理单元101：根据本发明的技术构思要求，可以采用运放、三极管、阻容网络等方法完成。具体电路可根据具体情况组建，一般通过运放和电阻网络实现电平转移，同时进行信号的缩放和滤波。

对运放电路进行选择，主要考虑输入电压的范围、运放的电源供给情况、运放的噪声等参数、运放的放大情况、运放的输出电源范围等多种因素，以保证信号的变化范围满足后续D/A转换器单元的需求。

在图2中，构成所述信号预处理单元101部分的，主要包括第一芯片U1(LM324)及其外围器件组成，以形成一个放大2倍(R2/R1)，中心电压在VCC/2附近的处理电路(其中电阻R3和R4构成分压形成)。其中同时与第一芯片U1并联的电容C1和电阻R2对高频部分进行一定的滤波，该第一芯片U1的输出电压经过电阻R3输送到所述D/A转换器单元的参考电压输入端Ref端。

本发明所述控制单元102可以采用满足D/A接口的控制器及其相关组件。一般D/A接口有并口、IIC接口、SPI接口等。所以一旦选定D/A转换器单元103后，对控制单元102的接口也就限定了。在选择控制单元的时候，只要选择有相关接口的即可。

另外，本发明所述控制单元102还需要接收外界的命令，可以是本地命令，也可以是远程命令，接口多种多样，可以是并口，串口或者键盘接口等。在图2中，并没有具体设计电路，可以采用AT89C52单片机，这样可以通过串口接收外部命令或者通过键盘接口人工输入指令。当然控制单元也可以使用EPLD之类的逻辑电路设计，时序满足D/A控制要求即可。在图2中，由于D/A转换器单元使用SPI接口，所以单片机完全可以使用3个IO接口或者专用的SPI接口控制D/A转换器单元。应当理解的是，上述本发明的技术构思中，显然可以根据实际需要做更多变化和选择，而无须创造性劳动。

对本发明的所述D/A转换器单元103的选择，主要是考虑分辨率、电源供应范围、输入输出电压范围、频率响应范围。最主要的是要选择带有参考电压输入端的D/A转换器单元，因为有些D/A转换器芯片内部提供参考电压，无法实现外部参考电压输入。在图2中，具体的采用了串口输入的D/A转换器芯片MAX535，也可以采用其它接口形式的D/A转换器，只要有外部参考电压REF输入端即可。在选择D/A转换器的时候，一定要注意REF的输入电压响应范围和频率响应范围。

本发明所述信号后处理单元104，一般也是由运放实现电平转移和信号缩放，但是不限于使用运放，其它纯电阻网络、三极管等都可以实现这个功能，需要根据实际情况确定最佳方案.在图2中，只是使用了一个运放U3构成电压跟随电路，提高驱动能力.

本发明所述指令接口单元105，用于把指令信号转换为控制单元102的接口形式，输出到控制单元102中。在图2中，没有给出具体设计，但对本领域技术人员来说，显然可以根据本发明的技术构思无须创造性劳动的获知其具体实现方式，通常所述控制单元102如果采用单片机，该指令接口单元可以使用串口或者键盘构成指令输入单元。

因此，本发明的整个装置如图1所示，所述信号预处理单元101接收外界输入信号，经过转换之后把信号输送到D/A转换器单元103的参考电平(Vref)输入端。所述控制单元102和所述D/A转换器单元103之间一般通过串型通信接口或者并口连接。所述指令接口单元105接收外部命令，可以通过RS232、键盘等接口实现方式，传递给所述控制器单元102。所述D/A转换器单元103的输出接口(Vout)和所述输出信号处理单元104连接，所述输出信号处理单元104对D/A转换器单元103的输出信号进行处理之后，可输出到后续电路。

本发明的上述信号幅度的转换装置精确的实现多级程控增益控制。

本发明装置对于信号的幅度进行精确的控制，控制的精度与D/A转换器单元的分辨率有关，如果D/A是8位的，则输出信号幅度可以划分为2的8次方等级，即256等级；如果D/A是12位的，则输出分为2的12次方等级，即4096等级；如果是16位就是2的16次方等级。也就是说，在外围处理电路和电源非常稳定的情况下，对信号的幅度控制完全依赖于D/A转换器单元的分辨率和D/A器件本身的性质，可以达到很高的精度控制。对于一般的开路控制电路，可以很好的满足要求。

另外，本发明装置也可以应用到闭环控制系统中，需要在控制单元外围添加一个A/D转换器和整流滤波电路，控制单元不断读取A/D转换器的信息，接收外部返回的信号，通过对控制单元预先编程，自动判断增减，可以实现AGC(自动增益控制电路)的需求，并且控制输出信号自动达到预计的要求，而且增益设定还可以通过键盘、通信接口等途径输入到控制单元。

本发明装置适用于对输出信号幅度需要分级程控的任何电子信号控制场合或者电子机械领域。

应当理解的是，上述针对本发明具体实施例的描述较为详细，不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种信号幅度的转换装置，其特征在于，其包括：一信号预处理单元、一控制单元、一D/A转换器单元、一输出信号处理单元和一指令接口单元；其中，

所述信号预处理单元用于接收外界输入信号，经过转换之后把信号输送到所述D/A转换器单元的参考电平输入端；

所述指令接口单元用于接收外部命令，处理成所述控制单元能够识别的指令信号，传递给所述控制单元；

所述控制单元用于从所述指令接口单元接收控制指令和对D/A转换器单元进行编程控制，向所述D/A转换器单元写入程控数据，所述控制指令包含将D/A转换器单元输出信号的幅度增加还是减少，以及程控值是多少的信息；

所述D/A转换器单元用于根据所述控制单元写入的程控数据和参考电压输入端输入的外界信号，完成信号的转换输出，所述输出信号处理单元对所述D/A转换器单元的输出信号进行处理之后，输出到后续电路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号预处理单元用于对输入信号进行电平转换，进行相应的限幅保护，对信号幅度进行适当的缩放以及滤波。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制单元和所述D/A转换器单元之间通过串型通信接口或者并口连接。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述指令接口单元与所述控制单元之间通过RS232或键盘接口连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号预处理单元采用运放、三极管或阻容网络实现。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号预处理单元还包括第一芯片LM324及其外围器件，以形成一个放大2倍，中心电压在VCC/2附近的处理电路；同时与第一芯片并联的电容和电阻对高频部分进行滤波，该第一芯片的输出电压输送到所述D/A转换器单元的参考电压输入端。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述D/A转换器单元采用的D/A转换器芯片为MAX535。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出信号处理单元采用运放电路构成电压跟随电路。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，应用到闭环控制系统中时，在所述控制单元外围添加一个A/D转换器和整流滤波电路，所述控制单元不断读取A/D转换器的信息，接收外部返回的信号；并通过对控制单元预先编程，自动判断增减，以实现自动增益控制电路。

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