CN115686120A - 一种基于运放的电压输入调制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运放的电压输入调制电路，涉及采样电路技术领域，包括第一反相运算电路、第二反相运算电路、反相加法运算电路；第一反相运算电路内置一个通用运算放大器U1A；第二反相运算电路内置一个精密运算放大器U2；反相加法运算电路内置一个通用运算放大器U1B；其中，通用运算放大器U1A的输出端和精密运算放大器U2的输出端连接通用运算放大器U1B的阴极。本发明将原有的电阻分压电路改为运放加法器，同比例放大输入信号，最终得到ADC所需的电压范围，这样改进了原有的电路不能兼容且驱动能力较弱问题的缺点。

Description

一种基于运放的电压输入调制电路

技术领域

本发明属于采样电路技术领域，具体涉及一种基于运放的电压输入调制电路、方法及其应用。

背景技术

工业控制电路中，经常需要采集外部电压信号，通常有±10V，0-10V输入的两种量程。

为了实现上述模拟采集方案，现有的电路如说明书附图1是所示，通常采用电阻分压方式，外部输入源经电阻R1、R2分压，得到ADC需要的采样电压范围。

这种实现方式有两个缺点：

1.应用上不能兼容±10V，0-10V两个方案；

2.电阻阻值不易确定，电阻过大，电阻误差就大，影响精度；电阻过小，对外部电压源驱动能力又有要求；

3.此电路驱动能力较弱，容易受外部复杂的现场环境干扰，可靠性不足。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于运放的电压输入调制电路。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种基于运放的电压输入调制电路，包括第一反相运算电路、第二反相运算电路、反相加法运算电路；

所述第一反相运算电路内置一个通用运算放大器U1A；

所述第二反相运算电路内置一个精密运算放大器U2；

所述反相加法运算电路内置一个通用运算放大器U1B；

其中，所述通用运算放大器U1A的输出端和所述精密运算放大器U2的输出端连接所述通用运算放大器U1B的阴极。

进一步的，所述通用运算放大器U1A的阳极连接一个弱下拉电阻R6的一端和钳位电路一；

所述通用运算放大器U1A的引脚4连接一个电源RC滤波电路；

所述通用运算放大器U1A的引脚11连接一个电阻R7的一端和一个电容C3的一端；

所述通用运算放大器U1A的输出端与所述通用运算放大器U1B的阴极之间串联一个反相输入电阻R1。

进一步的，所述精密运算放大器U2的阴极连接一个电阻R11的一端和一个电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端连接所述精密运算放大器U2的输出端，所述电阻R11的另一端连接高精度基准源；

所述精密运算放大器U2的阳极连接一个电阻R12的一端；

所述精密运算放大器U2的引脚4连接一个电容C6的一端和一个电阻R13的一端；

所述精密运算放大器U2的引脚7连接一个钳位电路二。

进一步的，所述通用运算放大器U1B的阳极连接一个电阻R4；

所述通用运算放大器U1B的输出端连接一个信号RC滤波电路；反馈电阻R3的一端、相位补偿电容C1的一端；

所述通用运算放大器U1B的阴极和所述精密运算放大器U2的输出端之间串联有一个反相输入电阻R2。

进一步的，所述通用运算放大器U1A和通用运算放大器U1B均采用型号为ADA4062-4的运算放大器。

进一步的，所述精密运算放大器U2采用型号为OP07CSZ的运算放大器。

进一步的，所述反相输入电阻R1的阻值为51KΩ。

进一步的，所述反相输入电阻R2的阻值为10.2KΩ。

进一步的，所述高精度基准源的电压值为+2.5V。

进一步的，所述电阻R11和电阻R10的阻值均为10KΩ，所述电阻R12的阻值为2.2KΩ。

本发明提出的一种基于运放的电压输入调制电路，有益效果在于：

(1)、将原有的电阻分压电路改为运放加法器，同比例放大输入信号，最终得到ADC所需的电压范围。

(2)、本发明的电路拓扑是第一级作跟随器，同比例跟随输入信号，提高输入信号的驱动能力，第二级作加法器，得到ADC所需的电压。这样改进了原有的电路不能兼容且驱动能力较弱问题的缺点。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的电压采样电路的电路图。

图2是本发明的基于运放的电压输入调制电路的电路图。

图中标记为：

1、钳位电路；

2、弱下拉电阻；

3、电源RC滤波电路；

4、通用运算放大器U1A；

5、反相输入电阻一；

6、反相输入电阻二；

7、反馈电阻；

8、相位补偿电容；

9、通用运算放大器U1B；

10、信号RC滤波电路；

11、精密运算放大器U2；

12、高精度基准源。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

工业控制电路中，经常需要采集外部电压信号，通常有±10V，0-10V输入的两种量程。为了实现上述模拟采集方案，现有的电路如图1是所示，通常采用电阻分压方式，外部输入源经电阻R1、R2分压，得到ADC需要的采样电压范围。

现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。

参见图2，一种基于运放的电压输入调制电路，其为一种改进型的电压采样电路，将原有的电阻分压电路改为运放加法器，同比例放大输入信号，最终得到ADC所需的电压范围，包括两个反相运算电路和一个反相加法电路。

第一反相运算电路内置一个通用运算放大器U1A。第二反相运算电路内置一个精密运算放大器U2。反相加法运算电路内置一个通用运算放大器U1B。其中，通用运算放大器U1A的输出端和精密运算放大器U2的输出端连接通用运算放大器U1B的阴极。

具体的，通用运算放大器U1A的阳极连接一个弱下拉电阻R6的一端和钳位电路一。通用运算放大器U1A的引脚4连接一个电源RC滤波电路。通用运算放大器U1A的引脚11连接一个电阻R7的一端和一个电容C3的一端。通用运算放大器U1A的输出端与通用运算放大器U1B的阴极之间串联一个反相输入电阻R1。

精密运算放大器U2的阴极连接一个电阻R11的一端和一个电阻R10的一端，电阻R10的另一端连接精密运算放大器U2的输出端，电阻R11的另一端连接高精度基准源。精密运算放大器U2的阳极连接一个电阻R12的一端。精密运算放大器U2的引脚4连接一个电容C6的一端和一个电阻R13的一端。精密运算放大器U2的引脚7连接一个钳位电路二。

通用运算放大器U1B的阳极连接一个电阻R4。通用运算放大器U1B的输出端连接一个信号RC滤波电路。反馈电阻R3的一端、相位补偿电容C1的一端。通用运算放大器U1B的阴极和精密运算放大器U2的输出端之间串联有一个反相输入电阻R2。

需要补充的是，在本实施方式中，通用运算放大器U1A和通用运算放大器U1B均采用型号为ADA4062-4的运算放大器。精密运算放大器U2采用型号为OP07CSZ的运算放大器。反相输入电阻R1的阻值为51KΩ。反相输入电阻R2的阻值为10.2KΩ。高精度基准源的电压值为+2.5V。电阻R11和电阻R10的阻值均为10KΩ，电阻R12的阻值为2.2KΩ。

在本实施方式中，当没有外部输入信号时，因电路弱下拉电阻R6，输入低电平，非三态电路，输入浮空状态下，电路可靠稳定。当外部有输入源异常，比如过电压，钳位电路支持过压保护，二极管击穿从而保护后级模拟电路。本模块采用±15V双路电路供电，电路结构简单，一块电源即可搞定，不需要正负电源转换。且对电源纹波要求不高，电路支持电源RC滤波，示波器测量滤波前后的纹波改善明显。电压输入信号经U1A通用运放ADA4062-4跟随输出。使用运放作跟随器有两点优势，一是输出阻抗小，提高输出信号的驱动能力；二是信号隔离作用。U2为OP07高精度运放，用途是反相输出高精度基准源+2.5V，匹配10K输入电阻及10K反馈电阻，精度千分之一，降低功耗，得到精度千分之一的-2.5V电源。电阻R12为静态平衡电阻，常取反相输入电阻与反馈电阻并联的值。图中两输入电阻R1、R2为加法器反相输入电阻，R3为反馈电阻，C1为相位补偿电容，信号RC滤波电路用于防止运放振荡。

两电压信号作为加法器的两反相输入端及反馈电阻Rf作用下得到所需的ADC采样电压。图中电路涉及反相运算电路，反相加法运算电路，公式整理如下：

反相比例电路

根据虚短虚断概念对反相节点应用KCL定律：

加法运算电路

根据虚短虚断概念对反相节点应用KCL定律

i1+i2＝i3

根据上述公式，代入±10V、高精度基准源+2.5V、千分之一精度电阻，换算后得到0.25V～2.25V。上述电压输入调制电路能够实现满量程千分之一精度的要求。

上述公式是基于理想运放的基础上推导而来，实际上，运放均是非理想的。当运放输入相等时，输出不为0。为了使运放输出电压等于0，必须在运放两个输入端加入一个小电压，这个加入的小电压即为运放的失调电压。

反相比例电路

采用的运放为ADI精密运放，型号为OP07CSZ，其最大失调电压参数为Low VOS:75μV maximum，代入上述公式。

同理，推算出加法器非理想特性公式，代入失调电压参数，计算结果仍符合满量程千分之一的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，包括第一反相运算电路、第二反相运算电路、反相加法运算电路；

所述第一反相运算电路内置一个通用运算放大器U1A；

所述第二反相运算电路内置一个精密运算放大器U2；

所述反相加法运算电路内置一个通用运算放大器U1B；

其中，所述通用运算放大器U1A的输出端和所述精密运算放大器U2的输出端连接所述通用运算放大器U1B的阴极。

2.根据权利要求1所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述通用运算放大器U1A的阳极连接一个弱下拉电阻R6的一端和钳位电路一；

所述通用运算放大器U1A的引脚4连接一个电源RC滤波电路；

所述通用运算放大器U1A的引脚11连接一个电阻R7的一端和一个电容C3的一端；

所述通用运算放大器U1A的输出端与所述通用运算放大器U1B的阴极之间串联一个反相输入电阻R1。

3.根据权利要求1所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述精密运算放大器U2的阴极连接一个电阻R11的一端和一个电阻R10的一端，所述电阻R10的另一端连接所述精密运算放大器U2的输出端，所述电阻R11的另一端连接高精度基准源；

所述精密运算放大器U2的阳极连接一个电阻R12的一端；

所述精密运算放大器U2的引脚4连接一个电容C6的一端和一个电阻R13的一端；

所述精密运算放大器U2的引脚7连接一个钳位电路二。

4.根据权利要求1所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述通用运算放大器U1B的阳极连接一个电阻R4；

所述通用运算放大器U1B的输出端连接一个信号RC滤波电路；反馈电阻R3的一端、相位补偿电容C1的一端；

所述通用运算放大器U1B的阴极和所述精密运算放大器U2的输出端之间串联有一个反相输入电阻R2。

5.根据权利要求1所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述通用运算放大器U1A和通用运算放大器U1B均采用型号为ADA4062-4的运算放大器。

6.根据权利要求1所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述精密运算放大器U2采用型号为OP07CSZ的运算放大器。

7.根据权利要求2所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述反相输入电阻R1的阻值为51KΩ。

8.根据权利要求4所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述反相输入电阻R2的阻值为10.2KΩ。

9.根据权利要求3所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述高精度基准源的电压值为+2.5V。

10.根据权利要求3所述的一种基于运放的电压输入调制电路，其特征在于，所述电阻R11和电阻R10的阻值均为10KΩ，所述电阻R12的阻值为2.2KΩ。

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