CN112710894A - 一种单电源轨对轨绝对值电路 - Google Patents

Abstract

一种单电源轨对轨绝对值电路，包括：正半周信号处理电路，所述正半周信号处理电路包括第一电阻和正信号消除器件，所述第一电阻第一端连接输入信号端；负半周信号处理电路，所述负半周信号处理电路包括第二电阻和负信号消除器件，所述第二电阻第一端连接所述输入信号端；绝对值运算处理电路，所述绝对值运算处理电路包括第一运算放大器，所述包括第一运算放大器的同相输入端连接所述负半周信号处理电路的输出端，所述第一运算放大器反相输入端连接所述正半周信号处理电路的输出端。本发明的单电源轨对轨绝对值电路结构设计巧妙，提高了绝对值电压的测量精度，降低了产品成本。

Description

一种单电源轨对轨绝对值电路

技术领域

本发明涉及绝对值电路领域，更具体的说是，涉及一种单电源轨对轨绝对值电路。

背景技术

大多数绝对值电路采用正负双电源，常见的绝对值电路如图1所示。事实上，在很多实际应用场合，出于成本或其他现实条件(例如空间)的考虑，并不具备双电源条件，只能在单个正电源条件下工作(负电源采用的机会不多)。

电路中为达到电压波形从负半周到正半周倒相的目的，多采用二极管达此目标。由于二极管的正向压降和PN结非线性特性，从而导致实际获取的电压波形存在失真，这会在要求精密测量时尤其是小信号测量时产生较大测量误差，如图1中的二极管D1和D2，尤其是D2的影响。

专利号92108452.8中国发明专利提供的一种改进的绝对值电路，使用了单电源供电方案进行绝对值测量，不使用二极管。原理是：当输入负极性信号时，运放反相放大，输出正信号，和原始信号负半周经电阻分压后合成输出正半周信号；当输入正极性信号时，运放因电源负极接地被钳位为0V，信号输出由原始信号分压获得正半周，从而达到测量信号绝对值的目的。该方案的缺陷也是显而易见的：1)信号负半周输入范围超过运放负电源范围，即使运放能工作，通常也不推荐，除非是采用比较昂贵的特殊运放，例如：AD8277等类似运放；2)分压电路阻抗较大，使用时要求后续电路的输入阻抗要很大，否则测量误差不可忽略。

专利号200420091345.4实用新型专利提出了“一种宽频带低误差绝对值电路”，据说可在单电源条件下工作。事实上，也存在上述类似的问题，其主要原因也在于输入电压超过负电源允许的范围。如图2所示，是采用单电源运放同相放大正弦波时的输出波形图，虚线为输入信号波形，实线为输出波形。从图中可以看出，信号负半周时，输出波形已经出现饱和，电路处于非正常工作状态。如图2所示，图中虚线所示为输入信号波形，在常规的绝对值运算电路中，由于采用了二极管作为开关器件，将不可避免地产生正向压降，实际获得的波形出现波形失真，导致测量误差，尤其是对于小信号。

专利号201710348164.7中国发明专利提供的“一种由普通运放构成的无失真绝对值电路”，没有使用二极管，采用了三极管作为开关，是一个不错的电路设计方案，但是，该电路无法在单电源条件下工作。

通常，常规运放在设计时都会提出条件限制，即输入电压Vi不能超过正负电源，否则，电路工作就会失常。试验表明，对于+5V的电源信号，如果采用LM324运放，在输入信号为1.5Vrms时，就会在对应负半周信号出现输出饱和现象，小于此值时，则表现正常，负半周输出信号为0V，说明运放对于小的负信号具有一定的“吸收”能力。显然，当运放负电源接地，负半周的输入电压很容易就超出了该限制条件。因此，这样的设计方案不实用也不具现实意义。

轨对轨运放在实用中具有重要的意义，在同等条件下，通常可以充分利用A/D转换器的有效量程，提高测量的精度，因此单电源运放绝对值电路应用于轨对轨运放极具现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种单电源轨对轨绝对值电路。

本发明要解决的是上述传统绝对值电路的问题。

与现有技术相比，本发明技术方案及其有益效果如下：

一种单电源轨对轨绝对值电路，包括：正半周信号处理电路，所述正半周信号处理电路包括第一电阻和正信号消除器件，所述第一电阻第一端连接输入信号端，所述正信号消除器件的第一端连接所述第一电阻的第二端，所述正信号消除器件的第二端接地；负半周信号处理电路，所述负半周信号处理电路包括第二电阻和负信号消除器件，所述第二电阻第一端连接所述输入信号端，所述负信号消除器件的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述负信号消除器件的第二端接地；绝对值运算处理电路，所述绝对值运算处理电路包括第一运算放大器，所述包括第一运算放大器的同相输入端连接所述负半周信号处理电路的输出端，所述第一运算放大器反相输入端连接所述正半周信号处理电路的输出端。

作为进一步改进的，所述正信号消除器件和所述负信号消除器件均为二极管；所述正信号消除器件的正极连接于所述第一电阻的第二端，所述正信号消除器件的负极接地；所述负信号消除器件的正极接地，所述负信号消除器件的负极连接于所述第二电阻的第二端。

作为进一步改进的，还包括信号调整电路，所述信号调整电路包括：第三电阻，所述第三电阻第一端连接于所述第二电阻第二端，所述第三电阻第一端连接于所述正信号消除器件的负极，所述第三电阻第二端连接于所述第一运算放大器的同相输入端；第四电阻，所述第四电阻第一端连接于所述第三电阻第二端，所述第四电阻第一端连接于所述第一运算放大器的同相输入端，所述第四电阻第二端接地。

作为进一步改进的，所述绝对值运算处理电路还包括：第五电阻，所述第五电阻第一端连接于所述第一电阻第二端，所述第五电阻第一端连接于所述负信号消除器件的正极，所述第五电阻第二端连接于所述第一运算放大器的反相输入端；第六电阻，所述第六电阻第一端连接于所述第五电阻第二端，所述第六电阻第一端连接于所述第一运算放大器的反相输入端，所述第六电阻第二端连接于所述第一运算放大器的输出端。

作为进一步改进的，还包括信号跟随电路，所述信号跟随电路包括第二运算放大器，所述第三电阻第二端连接于所述第二运算放大器的同相输入端，所述第四电阻第一端连接于所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接于所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端连接于所述第一运算放大器的同相输入端。

作为进一步改进的，所述信号跟随电路还包括：第七电阻，所述第七电阻第一端连接于所述第二运算放大器的输出端，所述第七电阻第二端连接于所述第一运算放大器的同相输入端；第一电容，所述第一电容一端连接于所述第二运算放大器的电源正极，所述第一电容另一端接地。

作为进一步改进的，所述第一运算放大器的型号为SGM8054。

作为进一步改进的，所述第二运算放大器的型号为SGM8054。

作为进一步改进的，所述正信号消除器件和所述负信号消除器件均为肖特基二极管。

本发明的有益效果为：本发明采用普通轨对轨运算放大器，配合电阻和肖特基二极管使用单电源组成绝对值电路，电路简单，逻辑清晰，方便调整，一方面解决了使用整流二极管存在正向压降，无法高精度测量绝对值电压的问题，另一方面，电路使用单电源轨对轨工作，不仅简化了设计，提高了测量精度，降低了产品成本，同时也节省了空间，因而在实用中极具现实意义。

附图说明

图1是本发明背景技术提供的常见的绝对值电路图。

图2是本发明背景技术的采用单电源运放同相放大正弦波时的输出波形图。

图3是本发明实施例一提供的一种单电源轨对轨绝对值电路的结构框图。

图4是本发明实施例一提供的一种单电源轨对轨绝对值电路图。

图5是本发明实施例二提供的一种单电源轨对轨绝对值电路图。

图中：1.正半周信号处理电路 2.负半周信号处理电路

3.绝对值运算处理电路 4.信号调整电路 5.信号跟随电路

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图3至图4所示，一种单电源轨对轨绝对值电路，包括：正半周信号处理电路1，所述正半周信号处理电路1包括第一电阻R5和正信号消除器件D2，所述第一电阻R5第一端连接输入信号端,所述正信号消除器件D2的第一端连接所述第一电阻R5的第二端，所述正信号消除器件D2的第二端接地；负半周信号处理电路2，所述负半周信号处理电路2包括第二电阻R1和负信号消除器件D1，所述第二电阻R1第一端也连接所述输入信号端,所述负信号消除器件D1的第一端连接所述第二电阻R1的第二端，所述负信号消除器件D1的第二端接地；绝对值运算处理电路3，所述绝对值运算处理电路3包括第一运算放大器U1B，所述包括第一运算放大器U1B的反相输入端连接所述正半周信号处理电路1的输出端；信号调整电路4，所述信号调整电路4的第一端连接于所述负半周信号处理电路2的输出端，所述信号调整电路4的第二端连接于所述第一运算放大器U1B同相输入端。本发明的单电源绝对值电路，采用单个电源，减少了电源种类，节省了空间，降低了成本；本发明不使用普通二极管作为换向元件，最大限度地减少了测量误差，提高了测量精度；本发明采用普通轨对轨运放，无需采用昂贵的专用I C，最大限度地利用A/D转换器量程，也提高了信号的测量精度；本发明的电路拓扑逻辑清晰，电路调整简单，使用方便，具有重大的现实意义。

参照图4所示，所述正信号消除器件D2和所述负信号消除器件D1均为二极管；所述正信号消除器件D2的正极连接于所述第一电阻R5的第二端，所述正信号消除器件D2的负极接地；所述负信号消除器件D1的正极接地，所述负信号消除器件D1的负极连接于所述第二电阻R1的第二端。

参照图4所示，一种单电源轨对轨绝对值电路还包括信号调整电路4，所述信号调整电路4包括：第三电阻R2，所述第三电阻R2第一端连接于所述第二电阻R1第二端，所述第三电阻R2第一端连接于所述正信号消除器件D2的负极；第四电阻R3，所述第四电阻R3第一端连接于所述第三电阻R2第二端，所述第四电阻R3第二端接地。

参照图4所示，所述绝对值运算处理电路3还包括：第五电阻R6，所述第五电阻R6第一端连接于所述第一电阻R5第二端，所述第五电阻R6第一端连接于所述正信号消除器件D2的正极，所述第五电阻R6第二端连接于所述第一运算放大器U1B的反相输入端；第六电阻R7，所述第六电阻R7第一端连接于所述第五电阻R6第二端，所述第六电阻R7第一端连接于所述第一运算放大器U1B的反相输入端，所述第六电阻R7第二端连接于所述第一运算放大器U1B的输出端。其中，所述第五电阻R6与第六电阻R7的阻值相同。

参照图4所示，一种单电源轨对轨绝对值电路还包括信号跟随电路5，所述信号跟随电路5包括第二运算放大器U1A，所述第三电阻R2第二端连接于所述第二运算放大器U1A的同相输入端，所述第四电阻R3第一端连接于所述第二运算放大器U1A的同相输入端，所述第二运算放大器U1A的反相输入端连接于所述第二运算放大器U1A的输出端，所述第二运算放大器U1A的输出端连接于所述第一运算放大器U1B的同相输入端。

参照图4所示，所述信号跟随电路5还包括：第七电阻R4，所述第七电阻R4第一端连接于所述第二运算放大器U1A的输出端，所述第七电阻R4第二端连接于所述第一运算放大器U1B的同相输入端；第一电容C1，所述第一电容C1一端连接于所述第二运算放大器U1A的电源正极，所述第一电容C1另一端接地。

参照图4所示，所述第一运算放大器U1B的型号为SGM8054。

参照图4所示，所述第二运算放大器U1A的型号为SGM8054。

参照图4所示，所述正信号消除器件D2和所述负信号消除器件D1均为肖特基二极管。

参照图3所示，给出了本发明由普通轨对轨运放构成的单电源无失真绝对值电路的原理框图，其工作原理是：输入信号同时送入“同相端负信号处理”和“反相端正信号处理”环节进行信号预处理，以消除影响运放的工作的“负半周”和“正半周”信号，即：运放反相输入端“怕”正信号，就在反相输入端消除正信号，同相输入端“怕”负信号，就在同相输入端消除负信号，然后进行信号合成，输出信号就变成了输入信号的绝对值。

本实施例提供的一种单电源轨对轨绝对值电路的工作原理为：

输入信号Vi，上端接电阻R5反相输入通路。电阻R5和肖特基二极管D2组成正半周信号处理电路1。D2采用正向压降较低的肖特基二极管，正向压降在电流1mA左右时仅0.2～0.3V，这样，电压UB在信号的正半周将被钳位在+0.2～0.3V，而在信号的负半周，D2反向偏置，不起作用，因此UB电压值不受影响。对于电压UB，信号为负值时，通过电阻R6、R7、运放U1B构成反相放大器，输出信号Vo为正。因UB正电压仅为0.2～0.3V，运放不能输出为负电压，且很容易将信号钳位在0V，从而将负半周信号转化为正半周输出；

输入信号Vi，下端接电阻R1同相输入通路。电阻R1和肖特基二极管D1组成负半周信号处理电路2。和D2一样，D1亦采用正向压降较低的肖特基二极管，电压UA在信号的负半周将被钳位在-0.2～-0.3V，而在信号的正半周，D1反向偏置，不起作用，因此UA电压值不受影响。运放U1A同U1B一样为普通轨对轨运放。电压UA通过R2、R3分压后接入U1A运放的3脚同相端。R2主要是起到保护和信号调整作用，R3的作用也是起信号调整和运放失调调节作用。运放U1A接成跟随器工作方式，可直接将信号进行阻抗变换，方便U1B作为同相端输入信号使用。因此，对于电压UA而言，运放U1B工作在同相放大状态。通过调整各电阻阻值，可以方便地将信号的正、负半周增益调整为相同，实现了在单电源条件下信号无误差高精度绝对值的测量。电阻R4主要起到隔离和调节失调的作用。因采用普通轨对轨运放，能够最大限度地利用A/D转换器量程，从而提高了信号测量的精度，降低了产品成本。

在另一实施例中，参照图5所示，一种单电源轨对轨绝对值电路不具备信号跟随电路5，所述第四电阻R3第一端连接于所述第一运算放大器U1B的同相输入端，所述第三电阻R2第二端连接于所述第一运算放大器U1B的同相输入端。

参照图5所示，所述绝对值运算处理电路3还包括第二电容C2，所述第二电容C2一端连接所述第一运算放大器U1B的正极，所述第二电容C2另一端接地。

该改进设计只采用一个普通轨对轨运放，将正负半周的波形运算由同一个运放完成，在极端情况下，也可去掉保护电阻R2，以便进一步简化设计，节省空间、降低成本。

本实施例的工作原理和工作过程等内容可以参照前述实施例相应内容。

本说明书中的上述各个实施例之间相同或相似部分可相互参照，每个实施方式重点说明与其他实施方式不同之处，但并不限定它们的不同之处不能相互替换或叠加。

以上实施例仅用以解释说明本发明的技术方案而非对其限制。本领域技术人员应当理解，未脱离本发明精神和范围的任何修改和等同替换，均应落入本发明权利要求的保护范围中。

Claims (9)

1.一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，包括：

正半周信号处理电路，所述正半周信号处理电路包括第一电阻和正信号消除器件，所述第一电阻第一端连接输入信号端，所述正信号消除器件的第一端连接所述第一电阻的第二端，所述正信号消除器件的第二端接地；

负半周信号处理电路，所述负半周信号处理电路包括第二电阻和负信号消除器件，所述第二电阻第一端连接所述输入信号端，所述负信号消除器件的第一端连接所述第二电阻的第二端，所述负信号消除器件的第二端接地；

绝对值运算处理电路，所述绝对值运算处理电路包括第一运算放大器，所述包括第一运算放大器的同相输入端连接所述负半周信号处理电路的输出端，所述第一运算放大器反相输入端连接所述正半周信号处理电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，所述正信号消除器件和所述负信号消除器件均为二极管；所述正信号消除器件的正极连接于所述第一电阻的第二端，所述正信号消除器件的负极接地；所述负信号消除器件的正极接地，所述负信号消除器件的负极连接于所述第二电阻的第二端。

3.根据权利要求1所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，还包括信号调整电路，所述信号调整电路包括：

第三电阻，所述第三电阻第一端连接于所述第二电阻第二端，所述第三电阻第一端连接于所述正信号消除器件的负极，所述第三电阻第二端连接于所述第一运算放大器的同相输入端；

第四电阻，所述第四电阻第一端连接于所述第三电阻第二端，所述第四电阻第一端连接于所述第一运算放大器的同相输入端，所述第四电阻第二端接地。

4.根据权利要求1所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，所述绝对值运算处理电路还包括：

第五电阻，所述第五电阻第一端连接于所述第一电阻第二端，所述第五电阻第一端连接于所述负信号消除器件的正极，所述第五电阻第二端连接于所述第一运算放大器的反相输入端；

第六电阻，所述第六电阻第一端连接于所述第五电阻第二端，所述第六电阻第一端连接于所述第一运算放大器的反相输入端，所述第六电阻第二端连接于所述第一运算放大器的输出端。

5.根据权利要求3所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，还包括信号跟随电路，所述信号跟随电路包括第二运算放大器，所述第三电阻第二端连接于所述第二运算放大器的同相输入端，所述第四电阻第一端连接于所述第二运算放大器的同相输入端，所述第二运算放大器的反相输入端连接于所述第二运算放大器的输出端，所述第二运算放大器的输出端连接于所述第一运算放大器的同相输入端。

6.根据权利要求5所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，所述信号跟随电路还包括：

第七电阻，所述第七电阻第一端连接于所述第二运算放大器的输出端，所述第七电阻第二端连接于所述第一运算放大器的同相输入端；

第一电容，所述第一电容一端连接于所述第二运算放大器的电源正极，所述第一电容另一端接地。

7.根据权利要求1所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，所述第一运算放大器的型号为SGM8054。

8.根据权利要求5所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，所述第二运算放大器的型号为SGM8054。

9.根据权利要求2所述的一种单电源轨对轨绝对值电路，其特征在于，所述正信号消除器件和所述负信号消除器件均为肖特基二极管。

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