CN220874430U - 一种交流输入信号可控极性变换电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种交流输入信号可控极性变换电路，该电路包括交流输入信号、反相比例运算电路、极性变换控制电路、+Vcc供电电路、‑Vcc供电电路、交流输出信号，电阻R1、R2、R3、运放IC1构成反相比例运算电路，交流信号Ui通过R1连接IC1的2脚，同时Ui通过R3连接IC1的3脚，IC1的6脚通过R2连接IC1的2脚，利用场效应管T1使IC1的3脚连接地，开关K控制T1的导通或截止，T1导通时，电路变为标准的反相比例运算电路，Uo与Ui反相，其增益可以设计为1；T1截止时，Ui与Uo通过R2连接，输出Uo为空载时增益为1，实现交流输入信号可控极性变换。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种控制交流输入信号极性变换的技术，尤其一种一般情况下输出与输入信号极性相同，特殊情况下需要输出端信号与输入端信号极性相反的技术。
背景技术
通常所说极性变换电路一般指直流电压极性自动保护电路，或电池防反接电路，简单说就是首先用四个整流管搭接成一个整流桥，然后按照交流电的接法，输出正负极分别接到用电器的正负极，交流输入端接直流电源，这样无论如何连接直流供电电源，直流供电电器总是能够正常工作。
有这样一种应用，输入信号为一正弦波或其它交流信号，希望输出端可以实现这样一种特性：一般情况下输出与输入信号极性相同，特殊情况下需要输出端信号与输入端信号极性相反。如图1所示。
若采用整流桥实现上述特殊的极性变换需求是不可能完成的，因为整流桥的输出只是单一的直流信号。
可以采用一种反相比例运算电路，交流输入信号从运放的反相端输入，运放的同相端连接工作地的时候，电路变为标准的反相比例运算电路，输出信号与输入信号反相，其增益可以设计为“1”；运放的同相端一旦悬空（或高阻接地），输入信号与输出信号直通，实现同相输出，且增益为“1”。
同相端是悬空抑或短路接地，可以通过一个控制电路实现，控制电路输入为“0”（这里0不是低电平，特指逻辑地）时，运放同相端短路接地；输入为“-Vcc”（负电源供电）时，运放同相端呈现高阻，最终完美完成交流输入信号可控极性变换。
这种交流输入信号可控极性变换可以用作电子仪表等的自动极性变换，或其它应用。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠的可以控制交流输入信号极性变换的技术。
为实现上述目的，本实用新型提供一种交流输入信号可控极性变换电路，其包括交流输入信号、反相比例运算电路、极性变换控制电路、+Vcc供电电路、-Vcc供电电路、交流输出信号，电阻R1、R2、R3、运放IC1构成所述反相比例运算电路，所述交流输入信号Ui通过电阻R1连接运放IC1的反相输入端，同时所述交流输入信号Ui通过电阻R3连接运放IC1的同相输入端，运放IC1的输出端通过电阻R2连接运放IC1的反相输入端，利用所述极性变换电路使运放的同相端连接工作地，电路变为标准的反相比例运算电路，输出信号Uo与输入信号Ui反相，其增益可以设计为-1；运放IC1的同相端一旦悬空或高阻接地，输入信号Ui与输出信号Uo通过电阻R2连接，实现同相输出Uo，且Uo信号为空载时增益为1，所述+Vcc供电电路和-Vcc供电电路作为运放IC1的供电。
所述极性变换控制电路由极性控制信号A、电阻R4、结型场效应管T1，单刀双掷开关K、工作地构成，极性控制信号A通过电阻R4连接T1的栅极G，极性控制信号A同时连接单刀双掷开关K的静触点，单刀双掷开关K的其中一个动触点连接工作地、另一个动触点连接所述-Vcc供电电路，T1的源极连接工作地，T1的漏极连接运放IC1的同相输入端3脚。
所述+Vcc供电电路连接运放IC1的7脚。
所述-Vcc供电电路连接运放IC1的4脚。
附图说明
附图1、附图2、附图3、附图4用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是交流信号极性变换示意图；附图2是反相比例运算电路原理图；附图3是交流输入信号可控极性变换电路原理图；附图4是N沟道结型场效应管的转移特性曲线。
实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。
可控极性变换电路的核心：反相比例运算电路
反相比例运算电路如图2所示，这是一种典型的电压并联负反馈电路，输入电压uI通过电阻R作用于集成运放A的反相输入端，故输出电压uO与输入电压uI反相，同相输入端通过电阻R’接地，R’=R∥Rf。
电路中通过Rf引入负反馈，uN=uP=0，为“虚地”，运放A的同相端与反相端灌入电流皆为“0”，为“虚断”，由于“N”点为虚地，最终整理得出：uO=-Rf/R*uI。
可见，uO与uI成比例关系，比例系数为-Rf/R，负号表示uO与uI反相，比例系数的值可以大于、等于、小于1的任何值。
交流输入信号可控极性变换电路的实现：这种交流信号可控极性变换电路，可以根据需要按照控制输入端A点的电压值产生使反相比例运算电路产生倒相或同相的输出信号，电气原理如图3所示。
可以看到，该变换器包括交流输入信号电路、反相比例运算电路、极性变换控制电路、+15V供电电路、-15V供电电路、交流输出信号电路。
图3的极性变换电路中，通过反相比例运算电路IC1最终实现极性变换，电路中同样重要的还有极性变换控制电路，由JFET（结型场效应晶体管）T1实现控制信号的输出。
结型场效应晶体管T1型号为BF256C，为一N沟道结型场效应晶体管，JFET是在同一块N形半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极G，N型半导体两端分别引出两个电极，分别称为漏极D、源极S。
结型场效应晶体管是一种具有放大功能的三端有源器件，是单极场效应管中最简单的一种，它可以分N沟道或者P沟道两种。
结型场效应晶体管源极—漏极通道具有很高的截止电阻和很低的导通电阻，对于N沟道结型场效应管BF256C而言，该JFET的夹断电压很高，因此要使其截止，闸极（栅极G）电压至少应比源极低7V左右；而要使其导通，闸极G电压与源极S电压相同即可，其转移特性曲线如图4所示，其中UGS(off)为反向夹断电压，IDSS为uGS=0情况下产生预夹断时的ID，称为饱和漏极电流。
通过图3可以看出，如果场效应管T1的源极与漏极导通且连接工作地，电阻R1、R2、运放IC1将构成一个标准的反相比例运算电路，基于运放“虚断”及“虚短”的特性，其输出电压uO=-R2/R1*uI=-10/10*uI=-uI，即输出信号与输入信号反相。
若场效应管T1的源极与漏极截止，基于运放IC1“虚断”的特性，运放IC1的同相端3脚将处于“悬空”状态，同理，由于IC1的反相输入端“灌入”电流为“0”，输入信号uI将直通输出信号uO，即输出信号与输入信号同相。
故其工作原理比较简单，极性变换控制信号A通过电阻R4控制结型场效应管T1的通断，如果A点电压为0V，根据图4可知，T1的栅极电压等于源极电压，二者都为0V，则场效应管T1的源极S与漏极D导通，运放IC1的同相输入端3脚连接工作地，电阻R1、R2、运放IC1构成一个反相比例运算电路，输出信号与输入信号负号相反，数值相等，即极性反相、增益为“-1”。
反之，如果A点控制电压连接到-Vcc（通过单刀双掷开关K，-Vcc此例为-15V），T1的栅极与源极电压UGS=-15V，根据图4所示，结型场效应管T1将截止，源极与漏极断开，对图3电路的其余部分形成一个高阻抗负载，此时运算放大器输出将不反相，但增益为“1”，输入、输出保持直通，当然这是在Uo信号为空载的情况下得出增益为“1”的结果，若Uo信号加以负载，Uo的增益将不为“1”，而是小于“1”，负载越重，增益越低，但从极性来说，Uo与Ui的极性始终相同，符合设计要求。
注意事项：输入信号Ui的电平极限必须维持在电源电压的±2V之内，即-Vcc+2V≤Ui≤+Vcc-2V，Ui信号源的输出电阻应尽可能地小，这是因为电阻R3的存在，将可能影响Ui的大小，若Ui信号源为理想电压源，场效应管T1导通以后将不会影响Ui的值，否则，Ui的值将发生变化，虽然运放的增益仍然为“1”，但最终实现的极性变换效果不是如图1所示，效果不够理想。
至于T1可否替换为三极管，由于三极管的导通电阻不够小、截止电阻不够大，故图3电路中，T1为三极管实现极性变换的效果不如场效应管理想，因结型场效应晶体管源极—漏极通道具有很高的截止电阻和很低的导通电阻。
以上实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种交流输入信号可控极性变换电路，其特征在于：所述可控极性变换电路包括交流输入信号、反相比例运算电路、极性变换控制电路、+Vcc供电电路、-Vcc供电电路、交流输出信号，电阻R1、R2、R3、运放IC1构成所述反相比例运算电路，所述交流输入信号Ui通过电阻R1连接运放IC1的反相输入端，同时所述交流输入信号Ui通过电阻R3连接运放IC1的同相输入端，运放IC1的输出端通过电阻R2连接运放IC1的反相输入端，利用所述极性变换电路使运放的同相端连接工作地，电路变为标准的反相比例运算电路，输出信号Uo与输入信号Ui反相，其增益可以设计为-1；运放IC1的同相端一旦悬空或高阻接地，输入信号Ui与输出信号Uo通过电阻R2连接，实现同相输出Uo，且Uo信号为空载时增益为1，所述+Vcc供电电路和-Vcc供电电路作为运放IC1的供电。
2.根据权利要求1所述的一种交流输入信号可控极性变换电路，其特征在于：所述极性变换控制电路由极性控制信号A、电阻R4、结型场效应管T1，单刀双掷开关K、工作地构成，极性控制信号A通过电阻R4连接T1的栅极G，极性控制信号A同时连接单刀双掷开关K的静触点，单刀双掷开关K的其中一个动触点连接工作地、另一个动触点连接所述-Vcc供电电路，T1的源极连接工作地，T1的漏极连接运放IC1的同相输入端3脚。
3.根据权利要求1所述的一种交流输入信号可控极性变换电路，其特征在于：所述+Vcc供电电路连接运放IC1的7脚。
4.根据权利要求1所述的一种交流输入信号可控极性变换电路，其特征在于：所述-Vcc供电电路连接运放IC1的4脚。
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