CN110109508A - 指数函数信号发生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种指数函数信号发生电路，包括：三角波调整电路、转换电路及用于产生三角波信号的DAC芯片；三角波调整电路，用于将DAC芯片产生的三角波信号调整为关于X轴对称并输出至转换电路；转换电路，用于将三角波调整电路调整过的三角波转换为指数函数波形输出。用低成本的DAC芯片产生三角波，再使用通用运算放大器，并利用三极管输入/输出特性曲线构成放大电路，最终将三角波转换为指数函数波形输出，精度高且速度快，解决了直接数字合成所无法达到的技术壁垒；成本低，解决了使用专用对数运算放大器导致成本高昂且通用性较差的问题。
Description
技术领域
本发明属于信号发生器技术领域，尤其涉及一种指数函数信号发生电路。
背景技术
声学和物理学领域中广泛使用指数和对数函数波形，其中，指数函数即指反对数函数，指数函数和对数函数互成反函数关系。产生指数或对数曲线的方法主要有以下两种：1)通过直接数字式频率合成器直接数字合成产生；2)由专用对数运算放大器芯片转换得到。
由于指数曲线的前端变化平缓、后端变化迅速，DAC芯片动态和速度的性能无法满足要求，直接数字合成指数波形的前半段DAC分辨率不足、到了后半段DAC转换速度跟不上。Sigma-Delt型DAC精度高但速度慢，R-2R型DAC速度快但精度低，所以找不到合适的DAC来实现直接数字合成指数函数波形。
专用对数运算放大器价格高昂，属于极端冷门产品，价格高，难采购，且通用性不高，函数波形的形状固定且参数不可调整。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种指数函数信号发生电路。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种指数函数信号发生电路，包括：三角波调整电路、转换电路及用于产生三角波信号的DAC芯片；
所述三角波调整电路，用于将所述DAC芯片产生的三角波信号调整为关于X轴对称并输出至所述转换电路，所述三角波调整电路包括：运算放大器U2，所述DAC芯片VOUT引脚输出的三角波信号自运算放大器U2的同相输入端输入，所述DAC芯片VREF引脚输出的基准电压自运算放大器U2的反相输入端输入；
所述转换电路，用于将所述三角波调整电路调整过的三角波转换为指数函数波形输出，包括：运算放大器U3、三极管Q1、运算放大器U4、三极管Q2，三极管Q1的基极与运算放大器U2的输出端连接，三极管Q1的集电极与运算放大器U3的反相输入端连接，三极管Q2的基极与运算放大器U4的输出端连接，三极管Q2的集电极与运算放大器U4的反相输入端连接且经电阻R7与运算放大器U4的输出端连接，运算放大器U3的输出端与三极管Q1及三极管Q2的发射极连接。
在一些可选的实施例中，所述三角波调整电路还包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述DAC芯片的VOUT引脚经电阻R1与运算放大器U2的同相输入端连接，运算放大器U2的同相输入端经电阻R2接地，所述DAC芯片的VREF引脚经电阻R3与运算放大器U2的反相输入端连接，电阻R4一端与运算放大器U2的反相输入端连接，另一端与运算放大器U2的输出端连接。
在一些可选的实施例中，所述三角波调整电路还包括：电阻R5及电阻R6，所述三角波调整电路通过电阻R5及电阻R6分压，将三角波的幅度衰减一定的倍数，所述电阻R5一端与运算放大器U2的输出端连接，另一端与三极管Q1的基极连接，电阻R6一端与三极管Q1的基极连接，另一端接地。
本发明所带来的有益效果：用低成本的DAC芯片产生三角波，再使用通用运算放大器，并利用三极管输入/输出特性曲线构成放大电路，最终将三角波转换为指数函数波形输出，精度高且速度快，解决了直接数字合成所无法达到的技术壁垒；成本低，解决了使用专用对数运算放大器导致成本高昂且通用性较差的问题。
附图说明
图1是本发明一种指数函数信号发生电路的电路原理图；
图2是利用本发明指数函数信号发生电路将三角波转换为指数波形的波形图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图1至2所示，在一些说明性的实施例中，提供一种指数函数信号发生电路，包括：三角波调整电路1、转换电路2及的DAC芯片U1。
DAC芯片3，用于产生三角波信号。由于三角波的斜率是固定的，用于产生三角波的DAC性能要求很低，芯片型号为DAC8551。依次输入数字信号0～65535～0，即数字量逐渐变大然后逐渐变小的信号到DAC芯片的SPI总线输入端，在DAC芯片的输出端即产生一个逐渐上升然后又逐渐下降的且斜率固定的三角波。
16位DAC芯片U1的数字量输入与输出电压VOUT相对应，输出电压VOUT如下：
VOUT＝VREF×DAC Code/65536；
其中VREF为基准电压4.1V，DAC Code取值范围0～65535。例如数字量输入“0”，对应的输出电压为0V；数字量输入为65535，对应的输出电压为4.1V。依次连续输入数字信号0～65535～0，数字量逐渐变大然后逐渐变小，VOUT引脚会产生三角波，三角波的谷值为0V，峰值为4.1V，即三角波位于X轴上方。
三角波调整电路，用于将DAC芯片U1产生的三角波信号调整为关于X轴对称并输出至转换电路，且幅度满度指数运算所要求的三角波形态。
三角波调整电路包括：运算放大器U2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5及电阻R6。DAC芯片U1的VOUT引脚经电阻R1与运算放大器U2的同相输入端连接，运算放大器U2的同相输入端经电阻R2接地，DAC芯片U1的VREF引脚经电阻R3与运算放大器U2的反相输入端连接，电阻R4一端与运算放大器U2的反相输入端连接，另一端与运算放大器U2的输出端连接。电阻R5一端与运算放大器U2的输出端连接，另一端与三极管Q1的基极连接，电阻R6一端与三极管Q1的基极连接，另一端接地。
三角波调整电路将三角波向下平移2.05V。通过运算放大器U2组成减法器电路，DAC芯片U1的VOUT引脚输出的三角波信号自运算放大器U2的同相输入端输入，DAC芯片U1的VREF引脚输出的基准电压自运算放大器U2的反相输入端输入。
运算放大器U2输出电压等于：
VOUT×R1/(R1+R2)×(1+R4/R3)-Vref×(R4/R3)；
三角波调整电路通过电阻R5及电阻R6分压，将三角波的幅度衰减一定的倍数。
转换电路，用于将三角波调整电路调整过的三角波转换为指数函数波形输出。转换电路包括：运算放大器U3、三极管Q1、运算放大器U4、三极管Q2，三极管Q1的基极与运算放大器U2的输出端连接，三极管Q1的集电极与运算放大器U3的反相输入端连接，三极管Q2的基极与运算放大器U4的输出端连接，三极管Q2的集电极与运算放大器U4的反相输入端连接且经电阻R7与运算放大器U4的输出端连接，运算放大器U3的输出端与三极管Q1及三极管Q2的发射极连接。
转换电路由运算放大器U3、三极管Q1组成的运算放大电路，e点的电压比b1点的电压低0.5V左右。由运算放大器U4、三极管Q2组成的运算放大电路，利用三极管Q2的固有输入特性曲线，在b2与e之间的三角波电压控制下，使流经电阻R7的电流i3的电流呈指数变化。因此，运算放大器U4的输出电压等于：i3×R7，也呈指数变化。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (3)
1.指数函数信号发生电路，其特征在于，包括：三角波调整电路、转换电路及用于产生三角波信号的DAC芯片；
所述三角波调整电路，用于将所述DAC芯片产生的三角波信号调整为关于X轴对称并输出至所述转换电路，所述三角波调整电路包括：运算放大器U2，所述DAC芯片VOUT引脚输出的三角波信号自运算放大器U2的同相输入端输入，所述DAC芯片VREF引脚输出的基准电压自运算放大器U2的反相输入端输入；
所述转换电路，用于将所述三角波调整电路调整过的三角波转换为指数函数波形输出，包括：运算放大器U3、三极管Q1、运算放大器U4、三极管Q2，三极管Q1的基极与运算放大器U2的输出端连接，三极管Q1的集电极与运算放大器U3的反相输入端连接，三极管Q2的基极与运算放大器U4的输出端连接，三极管Q2的集电极与运算放大器U4的反相输入端连接且经电阻R7与运算放大器U4的输出端连接，运算放大器U3的输出端与三极管Q1及三极管Q2的发射极连接。
2.根据权利要求1所述的指数函数信号发生电路，其特征在于，所述三角波调整电路还包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3及电阻R4，所述DAC芯片的VOUT引脚经电阻R1与运算放大器U2的同相输入端连接，运算放大器U2的同相输入端经电阻R2接地，所述DAC芯片的VREF引脚经电阻R3与运算放大器U2的反相输入端连接，电阻R4一端与运算放大器U2的反相输入端连接，另一端与运算放大器U2的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的指数函数信号发生电路，其特征在于，所述三角波调整电路还包括：电阻R5及电阻R6，所述三角波调整电路通过电阻R5及电阻R6分压，将三角波的幅度衰减一定的倍数，所述电阻R5一端与运算放大器U2的输出端连接，另一端与三极管Q1的基极连接，电阻R6一端与三极管Q1的基极连接，另一端接地。
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