CN208174645U - 一种基于幂函数的信号缩放电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于幂函数的信号缩放电路，包括依次级联的第一级对数运算电路、第二级线性反向运放电路、第三级指数运算电路和第四级线性反向运放电路。通过该电路实现输入信号的幂函数运算，能够快速有效地实现将较小电压范围的输入信号放大至较大范围电压或者将较大电压范围的输入信号压缩至较小电压范围，从而方便进行后续的模数转换，并且提高了模数转换的准确度。

Description

一种基于幂函数的信号缩放电路

技术领域

本实用新型属于信号采样技术领域，特别涉及了一种基于幂函数的信号缩放电路。

背景技术

随着数字电子技术的不断发展，电路中的模拟信号越来越多地需要被采集转化为数字信号，通常设定数字逻辑“0”对应GND电平左右一定范围，数字逻辑“1”对应某一高电压左右一定范围，然而模拟信号常常在一定范围内连续瞬时变化。在一些系统测试中进行模拟信号采样时，如果模拟电压变化范围较大时就会超过这个模数转换测量范围导致采样失败，如果模拟电压信号变化范围较小就会导致不能正确被采样。因此，需要一种改进技术先将变化范围较大模拟信号压缩转化为模数转换可测量的范围，或者将小范围模拟信号放大为大范围信号，然后再进行采样，以便提高模数转化的准确度。

实用新型内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本实用新型旨在提供一种基于幂函数的信号缩放电路，通过对输入模拟信号进行幂函数运算，实现对模拟信号的非线性放大或压缩。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案为：

一种基于幂函数的信号缩放电路，包括依次级联的第一级对数运算电路、第二级线性反向运放电路、第三级指数运算电路和第四级线性反向运放电路；所述第一级对数运算电路包括第一放大器、第一二极管和第一电阻，第一电阻的一端接收输入信号，第一电阻的另一端连接第一放大器的负输入端，第一放大器的正输入端接地，第一二极管的阳极连接第一放大器的负输入端，第一二极管的阴极连接第一放大器的输出端；所述第二级线性反向运放电路包括第三放大器、第三电阻和第四电阻，第四电阻的两端分别连接第一放大器的输出端和第三放大器的负输入端，第三放大器的正输入端接地，第三电阻的两端分别连接第三放大器的负输入端和输出端；所述第三级指数运算电路包括第二放大器、第二二极管和第二电阻，第二二极管的阳极连接第三放大器的输出端，第二二极管的阴极连接第二放大器的负输入端，第二放大器的正输入端接地，第二电阻的两端分别连接第二放大器的负输入端和输出端；所述第四级线性反向运放电路包括第四放大器、第五电阻和第六电阻，第六电阻的两端分别连接第二放大器的输出端和第四放大器的负输入端，第四放大器的正输入端接地，第五电阻的两端分别连接第四放大器的负输入端和第四放大器的输出端；通过上述电路实现输入信号的幂函数运算：y＝bx^a，y为输出信号，x为输入信号，b为系数，a为幂指数，其中幂指数a的值为第一级运放电路中第三电阻与第四电阻阻值的比值，当a>1时，实现信号的放大，当a<1时，实现信号的压缩。

基于上述技术方案的优选方案，在第一级对数运算电路的输入端增加电阻网络，从而调节输入信号的动态范围。

基于上述技术方案的优选方案，所述电阻网络包括第七电阻和第八电阻，第七电阻串联在输入信号与第一电阻之间，第七电阻与第一电阻的公共端经第八电阻接地。

基于上述技术方案的优选方案，幂函数的系数b的取值与第一二极管和第二二极管的参数以及第一电阻和第二电阻的阻值相关。

基于上述技术方案的优选方案，幂函数的系数b的取值与第五电阻和第六电阻的阻值相关。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本实用新型只需调节电路中的电阻阻值就可以实现任意幂次方电路，还可以调节幂函数前的系数，能够快速有效地实现将较小电压范围的输入信号放大至较大范围电压或者将较大电压范围的输入信号压缩至较小电压范围，从而方便进行后续的模数转换，并且提高了模数转换的准确度。

附图说明

图1为本实用新型中第一级对数运算电路图；

图2为本实用新型中第三级指数运算电路图；

图3为本实用新型幂函数电路原理框图；

图4为实施例中平方运算电路图；

图5为实施例中平方根运算电路图；

图6为平方运算电路输入输出电压关系仿真示意图；

图7为平方根运算电路输入输出电压关系仿真示意图；

图8为平方运算电路输入输出时域信号仿真示意图；

图9为平方根运算电路输入输出时域信号仿真示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

图1和图2是本实用新型设计的信号缩放电路中的基本组成单元——第一级对数运算电路和第三级指数运算电路。图3是构成幂函数的原理框图，在本实施例中，按照其结构搭建的平方运算电路(信号放大电路)和平方根运算电路(信号压缩电路)如图4和图5所示，它们均由第一级对数运算电路、第二级线性反向运放电路、第三级指数运算电路和第四级线性反向运放电路级联而成。其中放大器U1-U4根据所操作信号范围大小选用合适的运算放大器U1～U4(OPAMP)，VCC和VDD是放大器的供电电源，一般采用正负双电源，二极管D1和D2是普通二极管，电阻均选用通用电阻。不同的二极管和R1、R2的阻值影响幂函数前的系数，通过调节第二级线性反向运放电路的运算比例，即R3与R4的比值来改变函数幂值，例如，在图4的平方运算电路中，设定R3/R4＝2，在图5的平方根运算电路中，设定R3/R4＝1/2。改变第四级线性反向运放比例，即R5和R6的比值来调节幂函数的系数。对于信号放大电路，在输入端增加电阻网络R7和R8用来调节可操作的输入信号的动态范围。在本实施例中，图4对应的输入输出关系为y＝x²，其仿真如图6所示，图5对应的输入输出关系为其仿真如图7所示。

图8和图9是平方运算电路和平方根运算电路的时域仿真结果示意图，从图中能够明显看出幂函数电路的对带有直流偏置电压信号的缩放能力，平方运算电路在同样大小输入信号下，放大程度比线性函数要大，平方根运算电路压缩程度也比线性电路要大，提高了转化效率。

实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于幂函数的信号缩放电路，其特征在于：包括依次级联的第一级对数运算电路、第二级线性反向运放电路、第三级指数运算电路和第四级线性反向运放电路；所述第一级对数运算电路包括第一放大器、第一二极管和第一电阻，第一电阻的一端接收输入信号，第一电阻的另一端连接第一放大器的负输入端，第一放大器的正输入端接地，第一二极管的阳极连接第一放大器的负输入端，第一二极管的阴极连接第一放大器的输出端；所述第二级线性反向运放电路包括第三放大器、第三电阻和第四电阻，第四电阻的两端分别连接第一放大器的输出端和第三放大器的负输入端，第三放大器的正输入端接地，第三电阻的两端分别连接第三放大器的负输入端和输出端；所述第三级指数运算电路包括第二放大器、第二二极管和第二电阻，第二二极管的阳极连接第三放大器的输出端，第二二极管的阴极连接第二放大器的负输入端，第二放大器的正输入端接地，第二电阻的两端分别连接第二放大器的负输入端和输出端；所述第四级线性反向运放电路包括第四放大器、第五电阻和第六电阻，第六电阻的两端分别连接第二放大器的输出端和第四放大器的负输入端，第四放大器的正输入端接地，第五电阻的两端分别连接第四放大器的负输入端和第四放大器的输出端；通过上述电路实现输入信号的幂函数运算：y＝bx^a，y为输出信号，x为输入信号，b为系数，a为幂指数，其中幂指数a的值为第一级运放电路中第三电阻与第四电阻阻值的比值，当a>1时，实现信号的放大，当a<1时，实现信号的压缩。

2.根据权利要求1所述基于幂函数的信号缩放电路，其特征在于：在第一级对数运算电路的输入端设置电阻网络，用于调节输入信号的动态范围。

3.根据权利要求2所述基于幂函数的信号缩放电路，其特征在于：所述电阻网络包括第七电阻和第八电阻，第七电阻串联在输入信号与第一电阻之间，第七电阻与第一电阻的公共端经第八电阻接地。

4.根据权利要求1所述基于幂函数的信号缩放电路，其特征在于：幂函数的系数b的取值与第一二极管和第二二极管的参数以及第一电阻和第二电阻的阻值相关。

5.根据权利要求1所述基于幂函数的信号缩放电路，其特征在于：幂函数的系数b的取值与第五电阻和第六电阻的阻值相关。