CN111600659B - 一种光接收电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光接收电路，通过平均光电流采样电路设计，提高光电流采样精度。控制模块根据光功率大小实时切换接收电路的增益，确保不同区域的光电流都具备很高的转换精度。解决了光接收电路中，光功率过大时，光电二极管检测到的光电流过大，而造成的光电转换精度下降的问题，保证光电流检测的准确性，并根据光功率的大小实时切换跨阻放大器的增益，从而提升光信号转换成电信号的转换精度，提高光通信系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电路与通信技术领域，具体涉及一种光接收电路。
背景技术
以光纤为网络的光纤通信系统大大推动了社会的信息化进程，其通信速率和容量正在飞速提升。光纤通信系统的长足进步推动着光接收电路的发展。光接收电路需要将光纤中长距离传输后衰减的微弱光脉冲信号进行检测和放大，并进行均衡、时钟恢复等一系列信号处理后，生成电压脉冲信号，完成信号的传输；通常是通过光电二极管完成光脉冲信号到电流脉冲信号的转换，跨阻放大器将电流脉冲信号转换为电压脉冲信号。
在高速光通信系统中，接收端收到的光信号脉冲强度随通信距离、光纤损耗等因素变化，因此需要检测平均光电流，以确定接收端光功率，对应调整放大器增益，实现不同通信距离情况下光信号的高速接收，避免放大器饱和或者增益不足的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种光接收电路，解决了光接收电路中，光功率过大时，光电二极管检测到的光电流过大，而造成的光电转换精度下降的问题，保证光电流检测的准确性，并根据光功率的大小实时切换跨阻放大器的增益，从而提升光信号转换成电信号的转换精度，提高光通信系统的可靠性。
为解决上述问题，本发明提供了一种光接收电路，包括：
光电转换单元，其用于接收光信号，并产生对应于所述光信号的光电流信号和第一电压信号，其中，所述光信号的光电流信号和电压信号能够用于确定所述光信号的光功率；
跨阻放大单元，用于将所述第一电压信号放大并以第二电压信号输出；
控制模块，用于：当所述光信号的光功率过大时，自动减小跨阻放大器的增益；以及用于：当所述光信号的光功率较小时，自动提升跨阻放大器增益，其中，所述光功率过大指的是：相比预设的第一阈值，造成光电转换精度下降的功率阈值范围；或者，相比预设的第二阈值，造成跨阻放大单元饱和的功率阈值范围。
根据本发明的一个实施例，
所述光电转换单元还包括平均光电流检测电路，
所述平均光电流检测电路用于确定一段时间内的光信号的平均光电流信号，并以此作为所述光信号的光电流信号。
根据本发明的一个实施例，还包括：
逻辑控制端口，用于控制所述光电流信号的流向，即光电流的方向，包括：电流源形式的电流、电流沉形式的电流。
根据本发明的一个实施例，
所述光电转换单元还包括光电二极管；
所述平均光电流检测电路包括：第一开关单元、电流源、电容器、第一电阻器、调零单元和光电流输出单元；
所述第一开关单元包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管源极和所述第二NMOS管源极分别与电源公共接地端电连接；所述第一NMOS管漏极分别与所述电流源的一端、所述第一NMOS管栅极和所述第二NMOS管栅极电连接，所述电流源另一端、所述电容器的一端、所述第一电阻器一端分别与所述电源电压电连接；
所述电流源被配置为向所述第一电阻器和所述电容器提供偏置电流；
所述光电流输出单元被配置输出光电流信号；
所述调零单元被配置为消除输入的失调电压。
根据本发明的一个实施例，
所述调零单元包括：第一运算放大器、第二开关单元、第二电阻器、第二运算放大器、第三电阻器；
所述第二开关单元包括：第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管；所述第二电阻器一端、所述第一PMOS管源极、所述第二PMOS管源极和所述第三电阻器一端分别与电源电压电连接；
所述第一运算放大器的反向输入端分别与所述电容器的另一端、所述第一电阻器另一端和第二NMOS管漏极电连接；所述第一运算放大器的正向输入端分别与所述第一PMOS管漏极、所述第二电阻器的另一端、所述第二运算放大器的正向输入端、所述光电二极管的阴极电连接；所述第一运算放大器的输出端分别与所述第一PMOS管栅极和所述第二PMOS管栅极电连接；其中，所述光电二极管阳极与所述跨阻放大单元电连接；所述第二PMOS管漏极分别与所述第三PMOS管源极、所述第三电阻器另一端和所述第二运算放大器的反向输入端电连接；所述第二运算放大器的输出端与所述第三PMOS管栅极电连接，所述第三PMOS漏极与所述光电流输出单元电连接。
根据本发明的一个实施例，
所述跨阻放大单元包括：第三运算放大器、第三NMOS管、第四NMOS管、电压输出端、第一分压电阻器和第二分压电阻器，其中，
所述第三运算放大器的反向输入端分别与所述第一分压电阻器一端、所述第三NMOS管漏极和所述光电二极管阳极电连接，
所述第一分压电阻器另一端分别与所述第三NMOS管源极、所述第四NMOS管漏极和所述第二分压电阻器一端电连接，
所述第二分压电阻器另一端分别与所述第三运算放大器输出端、第四NMOS管源极电和所述电压输出端电连接，
所述电压输出端用于输出电压信号；
所述第三运算放大器的正向输入端与接地端电连接；
所述第三NMOS管栅极和所述第四NMOS管栅极分别连接控制模块的控制信号端，所述控制信号端用于调节流入所述第三NMOS管栅极电流和所述第四NMOS管栅极电流。
根据本发明的一个实施例，
所述第一分压电阻器的阻值大于所述第二分压电阻器阻值。
根据本发明的一个实施例，
所述光电流输出单元包括：第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、光电流输出端、第一非门NOT1和第二非门NOT2，
所述第四PMOS管源极分别与所述第三PMOS管漏极、所述第六PMOS管漏极和所述第八PMOS管漏极电连接；所述第四PMOS管漏极与所述第七PMOS管漏极电连接用于输出至所述光电流输出端，所述第四PMOS管栅极分别与所述第八PMOS管栅极、第一非门输入端和第二非门的输出端电连接；
所述光电流输出端用于输出光电流信号；
所述第二非门的输入端与所述逻辑控制端口电连接；
所述第一非门的输出端与所述第五PMOS管栅极电连接；所述第五PMOS管的漏极分别与所述第八PMOS管源极、所述第六PMOS管栅极和所述第七PMOS管栅极电连接，所述第五PMOS管源极、第六PMOS管源极和第七PMOS管源极分别与电源公共接地端电连接。
根据本发明的一个实施例，
所述控制信号端根据所述输出光电流信号调节流入所述第三NMOS管栅极电流和所述第四NMOS管栅极电流。
根据本发明的一个实施例，
所述光接收电路根据光电流输出信号和所述光电压信号调节所述第一分压电阻器的阻值和/或所述第二分压电阻器阻值。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：解决了光接收电路中，光功率过大时，光电二极管检测到的光电流过大，而造成的光电转换精度下降的问题，从而根据光功率大小，自动调整增益，避免放大器出现饱和现象。保证光电流检测的准确性，并根据光功率的大小实时切换跨阻放大器的增益，从而提升光信号转换成电信号的转换精度，提高光通信系统的可靠性。
需要说明的是，所述光功率过大指的是：相比预设的第一阈值，造成光电转换精度下降的功率阈值范围；或者，相比预设的第二阈值，造成跨阻放大单元饱和的功率阈值范围。对此而言，第一阈值可以是本领域技术人员根据经验或实际测试而预先灵活设置的；类似的，第二阈值也可以是本领域技术人员根据经验或实际测试而预先灵活设置的，这两个阈值设置的高低，仅仅影响本发明所揭示的光接收电路的灵敏度和容忍度。
附图说明
图1是根据本发明实施例公开的光接收电路与控制模块的信号传递图；
图2是根据本发明实施例公开的光接收电路原理框图；
图3是根据本发明实施例公开的光电流检测电路原理图。
实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
图1为光接收电路与控制模块的信号传递图，在一般的光接收电路中，控制模块只接收经过光电转换后的电压信号，这样当光功率变化范围过大时，不能保证光电转换精度的一致性，从而影响光通信系统的可靠性。而本发明实时采集光电流，并根据光功率大小控制光接收电路的增益切换，实现了精准的控制。DIR为逻辑控制端口。
图2为光接收电路的原理框图，该电路包括：第一开关单元、电流源、电容器、第一电阻器、调零单元、光电二极管、跨阻放大单元和光电流输出单元；所述电流源被配置为向所述第一电阻器和所述电容器提供偏置电流；所述第一开关单元，被配置为产生零温电流，所述跨阻放大单元被配置为输出光电压信号，所述光电流输出单元被配置输出光电流信号；所述调零单元被配置为消除输入的失调电压。所述第一开关单元包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管源极和所述第二NMOS管源极分别与电源公共接地端电连接；所述第一NMOS管漏极分别与所述电流源的一端、所述第一NMOS管栅极、所述第二NMOS管栅极电连接，所述电流源另一端、所述电容器的一端、所述第一电阻器一端。
具体地，光电二极管PD接收光信号，产生光电流流入平均光电流检测电路，经过处理后，输出相应的电流信号到控制模块，控制模块根据光电流的大小，控制增益切换信号，调整跨阻放大器的增益。同时，光电二极管产生的偏置电压通过跨阻放大器放大后输出电压信号，完成光电信号的转换。能够理解，当光信号的电压信号在一定时间内几乎没有任何变化时，光功率取决于光电流的大小。
当输入光功率过大时，为避免放大器饱和，自动减小跨阻放大器增益；优选方案为最大增益与最小增益为3比1的关系，即调整RF1与RF2的比值为3：1。也可以根据实际需要，选用其他最大增益与最小增益比。当输入光功率较小时，为达到一定灵敏度，自动提升跨阻放大器增益。DIR为逻辑控制端口，当DIR为高时，电流检测的输出为电流源形式，检测电流流出输出端口；当DIR为低时，电流检测的输出为电流沉形式，检测电流流入输出端口。由此实现了增益随光功率的变化，避免了放大器的饱和，提高了光电流的检测精度。
图3给出了平均光电流检测电路的原理图，平均光电流检测电路包括：第一开关单元、电流源、电容器、第一电阻器、调零单元、光电二极管和光电流输出单元。
所述调零单元包括：第一运算放大器、第二开关单元、第二电阻器、第二运算放大器、第三电阻器；所述第二开关单元包括：第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管；所述第二电阻器一端、所述第一PMOS管源极、所述第二PMOS管源极和所述第三电阻器一端分别与电源电压电连接；所述第一运算放大器的反向输入端分别与所述电容器的另一端、所述第一电阻器另一端和第二NMOS管漏极电连接；所述第一运算放大器的正向输入端分别与所述第一PMOS管漏极、所述第二电阻器的另一端、所述第二运算放大器的正向输入端、所述光电二极管的阴极电连接；所述第一运算放大器的输出端分别与所述第一PMOS管栅极和所述第二PMOS管栅极电连接；所述光电二极管阳极与所述跨阻放大单元电连接；所述第二PMOS管漏极分别与所述第三PMOS管源极、所述第三电阻器另一端和所述第二运算放大器的反向输入端电连接；所述第二运算放大器的输出端与所述第三PMOS管栅极电连接，所述第三PMOS漏极与所述光电流输出单元电连接。所述光电流输出单元包括：第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、光电流输出端、第一非门NOT1和第二非门NOT2，所述第四PMOS管源极分别与所述第三PMOS管漏极、所述第六PMOS管漏极和所述第八PMOS管漏极电连接；所述第四PMOS管漏极与所述第七PMOS管漏极电连接用于输出至所述光电流输出端；所述光电流输出端用于输出光电流信号，所述第四PMOS管栅极分别与所述第八PMOS管栅极、第一非门输入端和第二非门的输出端电连接；所述第二非门的输入端与所述逻辑控制端口电连接；所述第一非门的输出端与所述第五PMOS管栅极电连接；所述第五PMOS管的漏极分别与所述第八PMOS管源极、所述第六PMOS管栅极和所述第七PMOS管栅极电连接，所述第五PMOS管源极、第六PMOS管源极和第七PMOS管源极分别与电源公共接地端电连接。
根据本发明的一个实施例，图3中的跨阻放大单元由图2中的跨阻放大单元代替，所述跨阻放大单元如图2所示包括：第三运算放大器OP3、第三NMOS管、第四NMOS管、电压输出端、第一分压电阻器和第二分压电阻器，所述第三运算放大器的反向输入端分别与所述第一分压电阻器一端、所述第三NMOS管漏极和所述光电二极管阳极电连接，所述第一分压电阻器另一端分别与所述第三NMOS管源极、所述第四NMOS管漏极和所述第二分压电阻器一端电连接，所述第二分压电阻器另一端分别与所述第三运算放大器输出端、第四NMOS管源极电和所述电压输出端电连接，所述电压输出端用于输出电压信号；所述第三运算放大器的正向输入端与接地端电连接；所述第三NMOS管栅极和所述第四NMOS管栅极分别连接控制模块的控制信号端，所述控制信号端用于调节流入所述第三NMOS管栅极电流和所述第四NMOS管栅极电流。
所述第一分压电阻器RF1的阻值大于所述第二分压电阻器RF2阻值。
所述控制信号端根据所述输出光电流信号调节流入所述第三NMOS管栅极电流和所述第四NMOS管栅极电流。
其中虚线框是光电二极管与跨阻放大单元。第一集成运算放大器0P1、第二集成运算放大器OP2是具有自调零功能、消除了失调电压的高精度运放电路。电流源通过第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2组成电流镜，为第一电阻器R1和电容器C1提供偏置电流。第一集成运算放大器0P1通过第一MP1钳位光电二极管PD阴极产生的偏置电压，由于第一集成运算放大器OP1的带宽远小于跨阻放大器的，所以第二电阻器R2提供了快速的电流通路，因此第一PMOS管MP1的电流加上第二电阻器R2的电流即为光电二极管PD的平均光电流。第二PMOS管MP2的栅极与第一PMOS管MP1连接在一起，第二电阻器R2、第三电阻器R3的一端电压由第二集成运算放大器OP2、第三PMOS管MP3构成的负反馈环路钳位，因此经过第三PMOS管MP3的电流即为所需要检测的平均光电流。
逻辑控制端口DIR为电流方向控制端口，通过反相器与开关管控制光电流的流向：当逻辑控制端口DIR为高时，第四PMOS管MP4开通，使得输出为电流源形式；反之，逻辑控制端口DIR为低时，第七PMOS管MP7开通，使得输出为电流沉形式。这里解释，电流源形式即逻辑控制端口高电平时，高电平电压范围为(3.3-5)V，电路输出端口可以向外提供多大的电流；
电流沉形式即当逻辑控制端口为低电平时，低电平电压范围为(0-3.3)V，外部可以向电路输出端口灌多大的电流。根据本发明的一个实施例，所述光接收电路根据光电流输出信号和所述光电压信号被调节所述第一分压电阻器的阻值和/或所述第二分压电阻器阻值和/或第一分压电阻器的阻值与所述第二分压电阻器阻值的比值。
本发明在光接收电路中增加了平均光电流检测电路，提升光电转换的精度，增强了光通信的可靠性。
根据不同场合的精度要求，可适当的调节跨阻放大器的增益参数、控制开关数量即第四PMOS管至第八PMOS管的数量或者采用其他MOS管。
本发明提供的一种平均光电流检测电路，解决了光接收电路中，光功率过大时，光电二极管检测到的光电流过大，而造成的光电转换精度下降的问题，保证光电流检测的准确性，并根据光功率的大小实时切换跨阻放大器的增益，从而提升光信号转换成电信号的转换精度，提高光通信系统的可靠性。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种光接收电路，包括：
光电转换单元，其用于接收光信号，并产生对应于所述光信号的光电流信号和第一电压信号，其中，所述光信号的光电流信号和电压信号能够用于确定所述光信号的光功率；
跨阻放大单元，用于将所述第一电压信号放大并以第二电压信号输出；
控制模块，用于：当所述光信号的光功率过大时，自动减小跨阻放大单元的增益；以及用于：当所述光信号的光功率较小时，自动提升跨阻放大单元的增益，其中，所述光功率过大指的是：相比预设的第一阈值，造成光电转换精度下降的功率阈值范围；或者，相比预设的第二阈值，造成跨阻放大单元饱和的功率阈值范围；
所述光电转换单元还包括平均光电流检测电路，所述平均光电流检测电路用于确定一段时间内的光信号的平均光电流信号，并以此作为所述光信号的光电流信号，所述平均光电流检测电路，包括：第一开关单元、电流源、电容器、第一电阻器、调零单元和光电流输出单元；其中所述第一开关单元包括第一NMOS管和第二NMOS管，所述第一NMOS管源极和所述第二NMOS管源极分别与电源公共接地端电连接，所述第一NMOS管漏极分别与所述电流源的一端、所述第一NMOS管栅极和所述第二NMOS管栅极电连接，所述电流源另一端、所述电容器的一端、所述第一电阻器一端分别与电源电压电连接；所述电流源被配置为向所述第一电阻器和所述电容器提供偏置电流；所述调零单元被配置为消除输入的失调电压；所述光电流输出单元被配置输出光电流信号；
逻辑控制端口，用于控制所述光电流信号的流向，即光电流的方向，包括：电流源形式的电流、电流沉形式的电流。
2.根据权利要求1所述的光接收电路，其特征在于：
所述光电转换单元还包括光电二极管；
所述调零单元包括：第一运算放大器、第二开关单元、第二电阻器、第二运算放大器、第三电阻器；
所述第二开关单元包括：第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管；所述第二电阻器一端、所述第一PMOS管源极、所述第二PMOS管源极和所述第三电阻器一端分别与所述电源电压电连接；
所述第一运算放大器的反向输入端分别与所述电容器的另一端、所述第一电阻器另一端和第二NMOS管漏极电连接；所述第一运算放大器的正向输入端分别与所述第一PMOS管漏极、所述第二电阻器的另一端、所述第二运算放大器的正向输入端、所述光电二极管的阴极电连接；所述第一运算放大器的输出端分别与所述第一PMOS管栅极和所述第二PMOS管栅极电连接；其中，所述光电二极管阳极与所述跨阻放大单元电连接；所述第二PMOS管漏极分别与所述第三PMOS管源极、所述第三电阻器另一端和所述第二运算放大器的反向输入端电连接；所述第二运算放大器的输出端与所述第三PMOS管栅极电连接，所述第三PMOS漏极与所述光电流输出单元电连接。
3.根据权利要求2所述的光接收电路，其特征在于，
所述跨阻放大单元包括：第三运算放大器、第三NMOS管、第四NMOS管、电压输出端、第一分压电阻器和第二分压电阻器，其中，
所述第三运算放大器的反向输入端分别与所述第一分压电阻器一端、所述第三NMOS管漏极和所述光电二极管阳极电连接，
所述第一分压电阻器另一端分别与所述第三NMOS管源极、所述第四NMOS管漏极和所述第二分压电阻器一端电连接，
所述第二分压电阻器另一端分别与所述第三运算放大器输出端、第四NMOS管源极电和所述电压输出端电连接，
所述电压输出端用于输出电压信号；
所述第三运算放大器的正向输入端与接地端电连接；
所述第三NMOS管栅极和所述第四NMOS管栅极分别连接控制模块的控制信号端，所述控制信号端用于调节流入所述第三NMOS管栅极电流和所述第四NMOS管栅极电流。
4.根据权利要求3所述的光接收电路，其特征在于，所述第一分压电阻器的阻值大于所述第二分压电阻器阻值。
5.根据权利要求4所述的光接收电路，其特征在于，
所述光电流输出单元包括：第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管、第八PMOS管、光电流输出端、第一非门NOT1和第二非门NOT2，
所述第四PMOS管源极分别与所述第三PMOS管漏极、所述第六PMOS管漏极和所述第八PMOS管漏极电连接；所述第四PMOS管漏极与所述第七PMOS管漏极电连接用于输出至所述光电流输出端，所述第四PMOS管栅极分别与所述第八PMOS管栅极、第一非门输入端和第二非门的输出端电连接；
所述光电流输出端用于输出光电流信号；
所述第二非门的输入端与所述逻辑控制端口电连接；
所述第一非门的输出端与所述第五PMOS管栅极电连接；所述第五PMOS管的漏极分别与所述第八PMOS管源极、所述第六PMOS管栅极和所述第七PMOS管栅极电连接，所述第五PMOS管源极、第六PMOS管源极和第七PMOS管源极分别与电源公共接地端电连接。
6.根据权利要求5所述的光接收电路，其特征在于，
所述控制信号端根据所述输出光电流信号调节流入所述第三NMOS管栅极电流和所述第四NMOS管栅极电流。
7.根据权利要求3所述的光接收电路，其特征在于，
所述光接收电路根据光电流输出信号和电压信号调节所述第一分压电阻器的阻值和/或所述第二分压电阻器阻值。
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