基于運放實現(xiàn)交流信號的平移

多數(shù)ADC都是單極性的，在用ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，常要對雙極性信號進(jìn)行正向平移和縮放，變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)的單極性信號后，才能被ADC所使用；為簡化電路設(shè)計，常用單電源供電的運放，對交流信號進(jìn)行放大，此時也要對信號進(jìn)行直流偏移。以下對交流信號單獨平移電路和對交流信號平移并放大電路予以說明。

一. 對已經(jīng)放大好的交流信號或不需放大的信號進(jìn)行正向平移，使之成為變化的直流信號，以供單極性ADC進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換;或?qū)螛O性DAC輸出的信號，進(jìn)行負(fù)向平移，以輸出交流信號。為實現(xiàn)以上目的，可以用運放構(gòu)成的加法電路和減法電路加以實現(xiàn)。運放內(nèi)部均為直接耦合放大電路，既可縮放交流信號，也可以縮放直流信號。圖一為用加法電路實現(xiàn)的正向平移電路。

圖一 用加法電路正向平移

平移電壓Vref加在同相輸入端，Up為Ui和Vref的疊加，

Up=Ui/2+Vref/2=(Ui+Vref)/2

Uo=2Up=Ui+Vref

可見，交流信號Ui正向平移了Vref 。例如，如Ui是幅值為2V（峰峰值Vpp=4V）的正弦交流信號，則取Vref=2V就可將信號平移為單極性直流信號，供ADC采樣使用。

圖二 用減法電路負(fù)向平移

圖二為利用減法電路實現(xiàn)信號負(fù)向偏移的電路，能將DAC輸出的單極性信號，平移成交流信號。DAC信號由同相端輸入，而偏移電壓Vref由反相端輸入。

由Un=Up=0.5Ui

(Uo-0.5Ui)/R =(0.5Ui-Vref)/R

得到Uo=0.5Ui+0.5Ui-Vref=Ui-Vref

可見將輸入信號向下平移了Vref 。例如，將峰峰值Vpp=3.3V，最小值為0V的三角波，向負(fù)向平移Vref=1.65V,將變成雙極性三角波信號。

二. 當(dāng)既要對交流輸入信號進(jìn)行放大，又要對放大后的信號進(jìn)行平移時，由于加在運放輸入端的平移參考電壓也要被放大，難以確定一個合適的偏移量，此時可采用圖三所示的電路，其巧妙之處在于采用了隔直電容C1,交流信號Ui與C1串聯(lián)后加到反相輸入端，使平移參考電壓Vref與閉環(huán)增益無關(guān)。

圖三 交流信號反相放大與平移電路

在線路處于靜態(tài)，即Ui=0時，Un=Up=Vref,C1將被充至等于Vref的電壓，極性為右正左負(fù);

運放輸入虛斷，i-=0,Rf與R1中電流相等：

(Uo-Vref)/Rf=(Vref-Vref-Ui)/R1

得到：Uo=-Rf/R1 *Ui+Vref

可見，輸入信號被放大了-Rf/R1倍，而平移的參考電壓與增益無關(guān)。

也可疊加原理推出相同的結(jié)論，輸出Uo由直流分量和交流分量疊加而成。靜態(tài)時，直流分量起作用，C1對直流而言，電阻為無窮大（斷路），此時運放構(gòu)成電壓跟隨器，即Uo1=Vref;

交流信號Ui單獨作用時，其被反相放大-Rf/R1倍，即Uo2=-Rf/R1*Ui,疊加后：

Uo=Uo2+Uo1=-Rf/R1*Ui+Vref,與前一結(jié)論相同。

按圖示參數(shù)，Uo=-10Ui+2.5 ,表示將Ui放大-10倍，再正向平移2.5V 。

與圖三類似，交流信號也可從同相輸入端施加，來對交流信號進(jìn)行同相放大并平移。如圖示圖四所示，利用疊加原理易求出輸出表達(dá)式。

圖四 交流信號同相放大與平移電路

對于直流平移參考電壓，C1電阻為無窮大，運放構(gòu)成電壓跟隨器，對應(yīng)輸出Uo1=Vref ；而交流信號單獨作用時，運放構(gòu)成同相放大電路，對應(yīng)輸出Uo2=(1+Rf/R1)Ui ;疊加后得到輸出Uo:

Uo=Uo2+Uo1=(1+Rf/R1)Ui+Vref

按圖示參數(shù)，Uo=10Ui+2.5 ,即將交流信號同相放大10倍，正向平移2.5V .

三. 使用單電源給運放供電并放大交流信號的，就可利用到前面介紹的直流偏移電路，示例如圖五所示。

圖五 單電源反相放大電路

為了得到最大的無畸變輸出，放大器的靜態(tài)偏移電壓應(yīng)控制在電源電壓VCC的二分之一處，即R3和R4的阻值應(yīng)相等;要輸出純交流信號，可直接在運放輸出端加隔直電容C2,將信號耦合到負(fù)載RL;C3有助于濾掉進(jìn)入同相輸入端的電源噪聲，并穩(wěn)定平移參考電壓，降低等效內(nèi)阻。

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