CN104677384A - 一种计算周期信号平均值的电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种计算周期信号平均值的电路，包括精密整流电路、计算电路以及反相电路；精密整流电路、计算电路和反相电路依次连接。本发明对周期信号的平均值计算完全通过模拟电路实现，避免通过软件求平均值带来的较大计算和数据量。

Description

一种计算周期信号平均值的电路

技术领域

本发明涉及发动机电子控制器领域，尤其涉及一种计算周期信号平均值的电路。

背景技术

某发动机电子控制器应用于发动机全权限数字式电子控制系统中，通过该系统对燃油和电子附件的控制来满足燃机的所有控制需求，其中主要包括起动、暖机、加载、双燃料切换和混烧、燃烧室喷稀释剂、喷嘴清吹、运行、减载、停车和监控保护以及冷运转等各项任务。在该发动机控制系统中，电子控制器对燃油总管压力的采集通过相应压力传感器实现，由于选用的压力传感器输出信号为周期信号，按照设计要求，需将该周期信号变换为其对应平均值信号后提供给电子控制器完成采集，故设计一种计算周期信号平均值的电路实现此功能。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种计算周期信号平均值的电路，对周期信号的平均值计算完全通过模拟电路实现，避免通过软件求平均值带来的较大计算和数据量。

一种计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述电路包括精密整流电路、计算电路以及反相电路；所述精密整流电路、计算电路和反相电路依次连接。

上述精密整流电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一二极管D1、第二二极管D2以及运放N1，所述运放N1包括第一运放N1A和第二运放N1B；第一电阻R1的一端与输入信号Vin及第五电阻R5相连、第一电阻R1的另一端与第一二极管D1的阴极和第三电阻R3及第一运放N1A的输入负端相连，第二电阻R2的一端与模拟地相连、第二电阻R2的另一端与第一运放N1A的输入正端相连，第三电阻R3的一端与第一二极管D1的阴极及第一电阻R1及第一运放N1A的输入负端相连、第三电阻R3的另一端与第二二极管D2的阳极及第四电阻R4相连，第四电阻R4的一端与第二二极管D2的阳极及第三电阻R3相连，第四电阻R4的另一端与第二运放N1B的输入负端及第五电阻R5及第六电阻R6相连，第五电阻R5的一端与第二运放N1B的输入负端及第四电阻R4及第六电阻R6相连、第五电阻R5的另一端与输入信号Vin及第一电阻R1相连，第六电阻R6的一端与第二运放N1B的输入负端及第四电阻R4及第五电阻R5相连、第六电阻R6的另一端与第二运放N1B的输出端及R8相连，第七电阻R7的一端与第二运放N1B的输入正端相连、第七电阻R7的另一端与模拟地相连，第一二极管D1的阴极与第一运放N1A的输入负端及第一电阻R1、第三电阻R3相连、第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阴极及第一运放N1A的输出相连，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极及第一运放N1A的输出相连、第二二极管D2的阳极与第三电阻R3及第四电阻R4相连。

上述计算电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、电容C1、第三运放N2A组成，第八电阻R8的一端与第二运放N1B的输出端及第六电阻R6相连、第八电阻R8的另一端与第二运放N2A的输入负端及第十电阻R10及电容C1相连，第九电阻R9的一端与模拟地相连、第九电阻R9的另一端与第二运放N2A的输入正端相连，第十电阻R10的一端与第三运放N2A的输入负端及电容C1及第八电阻R8相连、第十电阻R10的另一端与第三运放N2A的输出端相连，电容C1的一端与第二运放N2A的输入负端相连、电容C1的另一端与第三运放N2A的输出端相连。

上述反相电路包括电阻第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13及第四运放N2B，第十一电阻R11的一端与第三运放N2A的输出端相连、第十一电阻R11的另一端与第四运放N2B的输入负端相连，第十二电阻R12的一端与模拟地相连、第十二电阻R12的另一端与第四运放N2B的输入正端相连，第十三电阻R13的一端与第四运放N2B的输入负端相连、第十三电阻R13的另一端与第四运放N2B的输出端相连。

上述第一电阻R1、第三电阻R3是5k/F档电阻；第二电阻R2是2.5k/F档电阻；第五电阻R5、R6是200k/F档电阻；第四电阻R4、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10是100k/F档电阻；第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13是10k/F档电阻。

上述第一二极管D1、第二二极管D2是二极管1N4007；电容C1是1μF电容。

上述第一运放N1、第二运放N2为MC33172D。

本发明的优点是：

1）对周期信号的平均值计算完全通过模拟电路实现，避免通过软件求平均值带来的较大计算和数据量，且电路简单方便易于调试；

2）输入信号可以是方波、正弦波等周期信号；

3）该电路转换精度较高，在现有条件下通过信号发生器给定输入信号转换为平均值的相对误差不大于0.5%。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；

图2是本发明周期方波经过精密整流电路后输出Va波形图；

图3是本发明周期正弦波经过精密整流后输出Va波形图；

具体实施方式

参见图1，一种计算周期信号平均值的电路，包括精密整流电路、计算电以及反相电路；精密整流电路、计算电路和反相电路依次连接。

电路工作原理：压力传感器输出为平均值0V到5V的周期方波信号或周期正弦信号Vin，Vin经过由电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及二极管D1、D2运放N1组成的精密整流电路后输出信号Va，Va经过由C1、R8、R9、R10、N2A组成的计算电路和由R11、R12、R13、N2B组成的反相电路后输出为相应的0V到5V的直流电压信号Vout。

精密整流电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一二极管D1、第二二极管D2以及运放N1，第一电阻R1的一端与输入信号Vin及第五电阻R5相连、第一电阻R1的另一端与第一二极管D1的阴极和第三电阻R3及第一运放N1A的输入负端相连，第二电阻R2的一端与模拟地相连、第二电阻R2的另一端与第一运放N1A的输入正端相连，第三电阻R3的一端与第一二极管D1的阴极及第一电阻R1及第一运放N1A的输入负端相连、第三电阻R3的另一端与第二二极管D2的阳极及第四电阻R4相连，第四电阻R4的一端与第二二极管D2的阳极及第三电阻R3相连，第四电阻R4的另一端与第二运放N1B的输入负端及第五电阻R5及第六电阻R6相连，第五电阻R5的一端与第二运放N1B的输入负端及第四电阻R4及第六电阻R6相连、第五电阻R5的另一端与输入信号Vin及第一电阻R1相连，第六电阻R6的一端与第二运放N1B的输入负端及第四电阻R4及第五电阻R5相连、第六电阻R6的另一端与第二运放N1B的输出端及R8相连，第七电阻R7的一端与第二运放N1B的输入正端相连、第七电阻R7的另一端与模拟地相连，第一二极管D1的阴极与第一运放N1A的输入负端及第一电阻R1、第三电阻R3相连、第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阴极及第一运放N1A的输出相连，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极及第一运放N1A的输出相连、第二二极管D2的阳极与第三电阻R3及第四电阻R4相连。

该电路功能是将微弱的交流电压转换为直流电压，整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。由于当前输入电压为正弦波或方波，经过精密整流电路后输出脉动电压信号Va。

计算电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、电容C1、第三运放N2A组成，第八电阻R8的一端与运放第二运放N1B的输出端及第六电阻R6相连、第八电阻R8的另一端与运放N2A的输入负端及第十电阻R10及电容C1相连，第九电阻R9的一端与模拟地相连、第九电阻R9的另一端与运放N2A的输入正端相连，第十电阻R10的一端与运放N2A的输入负端及电容C1及第八电阻R8相连、第十电阻R10的另一端与运放N2A的输出端相连，电容C1的一端与运放N2A的输入负端相连、电容C1的另一端与运放N2A的输出端相连。

方波信号计算：

对于周期方波经过精密整流电路后输出Va波形如图2所示，该电压波形平均值定义为A_av=αA_max，其中A_max为输入方波信号的峰值。

对Va进行傅里叶级数分解后得公式(1)，

$f\left(t\right)=A_{\max }\{\mathrm{\α}+\frac{2}{\mathrm{\π}}[\sin \left(\mathrm{\α\π}\right)\·\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\frac{1}{2}\sin \left(2\mathrm{\α\π}\right)\·\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\frac{1}{2}\sin \left(3\mathrm{\α\π}\right)\·\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+...\left]\right\}$     公式(1)

本发明设计的计算电路为一阶低通滤波电路，该电路的截止角频率ω_n=1/(R₁₀C₁)。

根据实际所选器件型号计算得ω_n=1/(100kΩ×1υF)=10rad/s。

由ω=2πf得截止频率

由于当前压力传感器的反馈信号频率f_压＞＞f_截，公式(1)中f(t)经过该一阶低通滤波电路后其分量都会被滤除，输出电压f_out=-αA_max=-A_av。

正弦信号计算：

对于周期正弦波经过精密整流后输出Va波形如图3所示，该电压波形平均值定义为其中A_m为输入正弦波信号的峰值。

对Va进行傅里叶级数分解后得公式(2)，

$f\left(t\right)=\frac{4A_m}{\mathrm{\π}}[\frac{1}{2}+\frac{1}{1\×3}\·\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)-\frac{1}{3\×5}\·\cos \left(4{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\frac{1}{5\×7}\·\cos \left(6{\mathrm{\ω}}_{1}t\right)-...]$   公式(2)

公式(2)中f(t)经过该一阶低通滤波电路后其分量都会被滤除，输出电压

$f_{\mathrm{out}}=-\frac{{2A}_m}{\mathrm{\π}}=-A_{\mathrm{av}}.$

反相电路包括电阻第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13及第四运放N2B，第十一电阻R11的一端与运放N2A的输出端相连、第十一电阻R11的另一端与运放N2B的输入负端相连，第十二电阻R12的一端与模拟地相连、第十二电阻R12的另一端与运放N2B的输入正端相连，第十三电阻R13的一端与运放N2B的输入负端相连、第十三电阻R13的另一端与运放N2B的输出端相连。通过配置R11、R12、R13阻值构成1：1的反相电路使输出V_out=-f_out=A_av。

Claims (7)

1.一种计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述电路包括精密整流电路、计算电路以及反相电路；所述精密整流电路、计算电路和反相电路依次连接。

2.根据权利要求1所述的计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述精密整流电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一二极管D1、第二二极管D2以及运放N1，所述运放N1包括第一运放第一运放N1A和第二运放第二运放N1B；第一电阻R1的一端与输入信号Vin及第五电阻R5相连、第一电阻R1的另一端与第一二极管D1的阴极和第三电阻R3及第一运放N1A的输入负端相连，第二电阻R2的一端与模拟地相连、第二电阻R2的另一端与第一运放N1A的输入正端相连，第三电阻R3的一端与第一二极管D1的阴极及第一电阻R1及第一运放N1A的输入负端相连、第三电阻R3的另一端与第二二极管D2的阳极及第四电阻R4相连，第四电阻R4的一端与第二二极管D2的阳极及第三电阻R3相连，第四电阻R4的另一端与第二运放N1B的输入负端及第五电阻R5及第六电阻R6相连，第五电阻R5的一端与第二运放N1B的输入负端及第四电阻R4及第六电阻R6相连、第五电阻R5的另一端与输入信号Vin及第一电阻R1相连，第六电阻R6的一端与第二运放N1B的输入负端及第四电阻R4及第五电阻R5相连、第六电阻R6的另一端与第二运放N1B的输出端及R8相连，第七电阻R7的一端与第二运放N1B的输入正端相连、第七电阻R7的另一端与模拟地相连，第一二极管D1的阴极与第一运放N1A的输入负端及第一电阻R1、第三电阻R3相连、第一二极管D1的阳极与第二二极管D2的阴极及第一运放N1A的输出相连，第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极及第一运放N1A的输出相连、第二二极管D2的阳极与第三电阻R3及第四电阻R4相连。

3.根据权利要求2所述的计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述计算电路包括第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、电容C1、第三运放N2A组成，第八电阻R8的一端与运放第二运放N1B的输出端及第六电阻R6相连、第八电阻R8的另一端与第二运放N2A的输入负端及第十电阻R10及电容C1相连，第九电阻R9的一端与模拟地相连、第九电阻R9的另一端与第二运放N2A的输入正端相连，第十电阻R10的一端与第三运放N2A的输入负端及电容C1及第八电阻R8相连、第十电阻R10的另一端与第三运放N2A的输出端相连，电容C1的一端与第三运放N2A的输入负端相连、电容C1的另一端与第三运放N2A的输出端相连。

4.根据权利要求3所述的计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述反相电路包括电阻第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13及第四运放N2B，第十一电阻R11的一端与第三运放N2A的输出端相连、第十一电阻R11的另一端与第四运放N2B的输入负端相连，第十二电阻R12的一端与模拟地相连、第十二电阻R12的另一端与第四运放N2B的输入正端相连，第十三电阻R13的一端与第四运放N2B的输入负端相连、第十三电阻R13的另一端与第四运放N2B的输出端相连。

5.根据权利要求4所述的计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述第一电阻R1、第三电阻R3是5k/F档电阻；第二电阻R2是2.5k/F档电阻；第五电阻R5、R6是200k/F档电阻；第四电阻R4、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10是100k/F档电阻；第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13是10k/F档电阻。

6.根据权利要求5所述的计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述第一二极管D1、第二二极管D2是二极管1N4007；电容C1是1μF电容。

7.根据权利要求6所述的计算周期信号平均值的电路，其特征在于：所述第一运放N1、第二运放N2为MC33172D。