CN110798219B - 一种差分信号处理电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了差分信号处理电路，电压转换电路单元提供中心偏置电压、比较器参考上限电压和参考下限电压；一级放大电路单元将差分电压信号放大转换为具有中心偏置的单路信号；二级放大电路单元对单路信号进行反向放大为二级放大信号；比较输出电路单元将二级放大信号与参考上限电压和参考下限电压进行比较，根据不同的比较结果输出检测信号。本发明采用单电源供电，只需提供电源电压VCC，电路内部所需的中心偏置电压、比较器参考上限电压和参考下限电压均通过电阻分压实现电压转换；采用放大器和阻容等通用元器件，电路设计简洁、功能单元清晰，调节阻容即可实现参数的便捷调试；元器件数量少，电路体积小、重量轻、成本低，实现了电路小型化。

Description

一种差分信号处理电路
技术领域
本发明涉及一种差分信号处理电路，属于电路技术领域。
背景技术
传统的差分信号处理电路用分立元件场效应管和电阻等组成，设计较为复杂。
差分信号检测装置，专利号：201210441811.6，公开号102944714B。该发明专利属于信号检测领域，涉及一种差分信号检测装置。其包括一级放大器及分别和次级放大器连接的前置接收器和末级放大器，末级放大器还和一信号输出器连接；前置接收器接收外部输入的两路差分信号和基准阈值电压，并对两路差分信号进行差分转换；次级放大器接收并放大前置接收器输出的信号，并输出经再次放大的信号；末级放大器将次级放大器输出信号进行差分放大，并输出两路经差分后的信号；信号输出器接收末级放大输出的两路差分后的信号，并对该两路差分后的信号进行逻辑组合后输出。该发明的差分信号检测装置可对高速差分信号的幅度进行准确的检测，并可通过告变基准阈值电压改变高速差分信号的检测门限，具有很大的灵活性。
缺点：采用分立元件实现电路功能，元器件数量多，较采用集成电路而言，体积大、重量重，可靠性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种差分信号处理电路，通过运算放大器进行差分信号到脉冲信号的转换，实现检测差分信号的功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种差分信号处理电路，包括电压转换电路单元、一级放大电路单元、二级放大电路单元和比较输出电路单元；
电压转换电路单元提供中心偏置电压VZ、比较器参考上限电压VH和参考下限电压VL；
一级放大电路单元将差分电压信号V+、V-放大转换为具有中心偏置的单路信号VO1；
二级放大电路单元对单路信号进行反向放大为二级放大信号VO2；
比较输出电路单元将二级放大信号VO2与参考上限电压VH和参考下限电压VL进行比较，输出检测信号VOUT；
当二级放大电路单元输出的二级放大信号VO2在参考下限电压VL～参考上限电压VH之间时，检测信号VOUT端输出低电平；当二级放大电路单元输出的二级放大信号VO2在参考下限电压VL～参考上限电压VH之外时，检测信号VOUT端输出高电平。
较佳地，所述电压转换电路单元采用单电源供电，通过三条分压电阻支路分别对电源VCC分压后输出中心偏置电压VZ、比较器参考上限电压VH和参考下限电压VL。
较佳地，所述一级放大电路单元包括第一放大器，由第一放大器对差分电压信号V+、V－进行放大输出一级放大的单路信号VO1。
较佳地，差分电压信号V+、V－分别经一阻容支路输入至第一放大器的正向输入端和反向输入端；中心偏置电压VZ经第三电阻输入至放大器的正向输入端，单路信号VO1经第四电阻反馈至第一放大器的反向输入端。
较佳地，所述二级放大电路单元包括第二放大器，由第二放大器对单路信号VO1进行反向放大，输出二级放大信号V02。
较佳地，单路信号VO1经一阻容支路连接至第二放大器的反向输入端，中心偏置电压VZ经第九电阻连接至第二放大器的正向输入端，第二放大器的输出端经第六电阻R6反馈至第二放大器的反向输入端。
较佳地，所述比较输出电路单元包括第三放大器和第四放大器；
二级放大信号VO2输入至第三放大器的正向输入端、第四放大器的反向输入端，分别与第三放大器的反向输入端输入的参考上限电压VH、第四放大器的正向输入端输入的参考下限电压VL进行比较，输出检测信号VOUT。
较佳地，第三放大器的输出端和第四放大器的输出端分别与第一二极管、第一二极管的阳极连接，第一二极管、第一二极管的阴极与第三二极管的阴极共接；第三二极管的阳极经第八电阻与电源VCC连接；在第三二极管阳极与第八电阻的共接点处连接输出检测信号VOUT端。
本发明所达到的有益效果：
差分信号检测处理电路主要通过运算放大器实现差分信号到脉冲信号的转换。
1)采用单电源供电，只需提供电源电压VCC，电路内部所需的中心偏置电压VZ、比较器参考上限电压VH和参考下限电压VL均通过电阻分压实现电压转换。
2)采用运算放大器和阻容等通用元器件，电路结构设计简洁、功能单元清晰，调节阻容即实现参数的便捷调试。
3)采用元器件数量少，电路体积小、重量轻、成本低，实现了电路小型化。
附图说明
图1硬件结构框图；
图2差分信号处理电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
配合本发明实现的硬件原理框图如图1所示。电路主要由电压转换电路单元、一级放大电路单元、二级放大电路单元和比较输出电路单元组成。首先电压转换电路单元提供中心偏置电压VZ、比较器参考上限电压VH和参考下限电压VL；一级放大电路单元将差分电压信号V+、V-放大转换为具有中心偏置的单路信号VO1；由二级放大电路单元进行信号反向放大为二级放大信号VO2，再经比较输出电路单元与参考上限电压VH和参考下限电压VL进行比较，从而输出检测信号VOUT，当二级放大电路单元输出的二级放大信号VO2在电压VL～VH之间时，检测信号VOUT端输出低电平，当二级放大电路单元输出的二级放大信号VO2在电压VL～VH之外时，检测信号VOUT端输出高电平。各个功能电路的设计过程详细论述如下。
(1)电压转换电路单元
电路采用单电源供电，通过电阻R12、R13分压输出中心偏置电压VZ、电阻R16、R17分压输出比较器参考上限电压VH和电阻R14、R15分压输出参考下限电压VL用于后续电路单元。如图2所示。
VZ＝R12×VCC/(R12+R13)；
VL＝R15×VCC/(R14+R15)；
VH＝R17×VCC/(R16+R17)。
(2)一级放大电路单元
一级放大电路单元如图2所示，由放大器N1A对差分电压信号V+、V－进行放大输出一级放大的单路信号VO1，差分电压信号V+、V－分别经电容C1和电阻R1、电容C2和电阻R2输入至放大器N1A的正向输入端和反向输入端；中心偏置电压VZ经电阻R3输入至放大器N1A的正向输入端，单路信号VO1经电阻R4反馈至放大器N1A的反向输入端，且单路信号VO1中含有中心偏置电压VZ，如公式1所示。
(3)二级放大电路单元
二级放大电路单元如图2所示，单路信号VO1通过二级放大电路单元中的放大器N1B进行反向放大，单路信号VO1经电容C3、电阻R5连接至放大器N1B的反向输入端，中心偏置电压VZ经电阻R9连接至放大器N1B的正向输入端，输出二级放大信号V02，二级放大信号V02同时经电阻R6反馈至放大器N1B的反向输入端，如公式2所示。
(4)比较输出电路单元
二级放大信号VO2输入至比较输出电路单元中的放大器N2A的正向输入端、放大器N2B的反向输入端，分别与放大器N2A的反向输入端的参考上限电压VH、放大器N2B的正向输入端的参考下限电压VL进行比较，从而输出检测信号VOUT。如图2所示。放大器N2A的输出端和放大器N2B的输出端分别与二极管V1、V2的阳极连接，二极管V1、V2的阴极与二极管V3的阴极共接，并经电阻R7接地；二极管V3的阳极经电阻R8与电源VCC连接。在二极管V3阳极与电阻R8的共接点处连接输出检测信号VOUT端。
当V02电压小于VL＝R15×VCC/(R14+R15)时，放大器N2B输出端输出高电平VCC，二极管V1导通、V3截止，因此比较输出电路单元输出检测信号VOUT端探测输出高电平；
当V02电压大于VH＝R17×VCC/(R16+R17)时，放大器N2A输出端输出高电平VCC，二极管V2导通、V3截止，因此比较输出电路单元输出检测信号VOUT端探测输出高电平；
当V02电压在电压VL～VH之间时，放大器N2B、放大器N2A的输出端均输出低电平，二极管V1、V2截止、V3导通，因此比较输出电路单元输出检测信号VOUT端输出低电平。
本技术方案的特点：
1)电路只需提供电源电压VCC，电路内部所需的中心偏置电压VZ、参考上限电压VH和参考下限电压VL均通过电阻分压实现电压转换。特点是电路采用单电源供电。
2)采用运算放大器和阻容等元器件组成，电路结构设计简洁、功能单元清晰，调节阻容即实现参数的便捷调试。特点是选材通用。
3)采用元器件数量少，电路体积小、重量轻、成本低，实现了电路小型化。
1.2技术难点
电路参数设计和匹配不易操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种差分信号处理电路，其特征是，包括电压转换电路单元、一级放大电路单元、二级放大电路单元和比较输出电路单元；
电压转换电路单元提供中心偏置电压VZ、比较器参考上限电压VH和参考下限电压VL；所述电压转换电路单元采用单电源供电，通过三条分压电阻支路分别对电源VCC分压后输出中心偏置电压VZ、比较器参考上限电压VH和参考下限电压VL；
一级放大电路单元将差分电压信号V+、V-放大转换为具有中心偏置的单路信号VO1；所述一级放大电路单元包括第一放大器，由第一放大器对差分电压信号V+、V-进行放大输出一级放大的单路信号VO1；差分电压信号V+、V-分别经一阻容支路的电容（C1）和电阻（R1）、电容（C2）和电阻（R2）输入至第一放大器的正向输入端和反向输入端；中心偏置电压VZ经第三电阻（R3）输入至放大器的正向输入端，单路信号VO1经第四电阻（R4）反馈至第一放大器的反向输入端，如公式1所示：
（1）
二级放大电路单元对单路信号进行反向放大为二级放大信号VO2；所述二级放大电路单元包括第二放大器，由第二放大器对单路信号VO1进行反向放大，输出二级放大信号VO2；单路信号VO1经一阻容支路的电容（C3）、电阻（R5）连接至第二放大器的反向输入端，中心偏置电压VZ经第九电阻（R9）连接至第二放大器的正向输入端，第二放大器的输出端经第六电阻（R6）反馈至第二放大器的反向输入端，如公式2所示：
（2）
比较输出电路单元将二级放大信号VO2与参考上限电压VH和参考下限电压VL进行比较，输出检测信号VOUT；
当二级放大电路单元输出的二级放大信号VO2在参考下限电压VL～参考上限电压VH之间时，检测信号VOUT端输出低电平；当二级放大电路单元输出的二级放大信号VO2在参考下限电压VL～参考上限电压VH之外时，检测信号VOUT端输出高电平。
2.根据权利要求1所述的一种差分信号处理电路，其特征是，所述比较输出电路单元包括第三放大器和第四放大器；
二级放大信号VO2输入至第三放大器的正向输入端、第四放大器的反向输入端，分别与第三放大器的反向输入端输入的参考上限电压VH、第四放大器的正向输入端输入的参考下限电压VL进行比较，输出检测信号VOUT。
3.根据权利要求2所述的一种差分信号处理电路，其特征是，第三放大器的输出端和第四放大器的输出端分别与第一二极管、第二二极管的阳极连接，第一二极管、第二二极管的阴极与第三二极管的阴极共接；第三二极管的阳极经第八电阻与电源VCC连接；在第三二极管阳极与第八电阻的共接点处连接输出检测信号VOUT端。
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