一種信號幅度的轉換裝置的製作方法

2023-09-10 15:10:45 2

專利名稱：一種信號幅度的轉換裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於電子信號轉換和自動控制領域的電路裝置，具 體的說，是一種對任意信號輸出幅度能夠進行程控的轉換裝置，主要應用 於電子信號轉換領域和機電結合的自動控制領域。
背景技術：
在現有技術的電子設備和電子控制領域等信號頻率不是很高的環境 中，很多情況下都需要對一個信號的幅度進行控制，特別是在一些電子控 制領域，經常需要對信號的幅度進行縮放的控制，而對信號頻率、相位等 特徵不做改變，也就是it，只改變信號的幅度大小。
在電子機械方面，就相當於只改變機械的動作幅度，而不改變動作的 軌跡路線形狀。在電子設備中，就相當於只改變信號傳輸的增益，而不改 變信號的其它特性。
在專利號為CN200510092193的日本石田琢磨的專利"自動增益控制電 路"中，公開了一電路，包括可變增益放大電路，具有由增益控制信號 控制的增益，整流電路，整流上述可變增益放大電路的輸出信號，電壓比 較器，將由上述整流電路整流了的整流信號與閾值電壓比較，增/減序計 數器，對應上述電壓比較器的輸出電壓電平切換增序計數動作和減序計數 動作，D/A轉換電路，輸出對應於上述增/減序計數器的計數值的電壓， 另外提供給上述可變增益放大電路的增益控制信號對應於上述D/A轉換 電路輸出的電壓，且上述電壓比較器的閾值電壓是對應於上述D/A轉換 電路輸出電壓的電壓。
在專利號為CN03219245的中國南京航空航天大學的專利"微弱信號程
控放大器"中，公開的電路包括前後級的放大電路和程控晶片。它是一種 微弱信號程控放大器，由運算放大器組成前級放大，由程控放大器組成二 級放大，由阻容濾波電路和運算放大器組成一級濾波電路，由阻容濾波電 路和運算放大器組成二級濾波電路。其放大器具有極高的交流共模抑制
比，且隨著增益的增加而增大，對工頻噪聲和諧波有高效的抑制作用；放 大器增益具有程控放大作用，根據輸入信號的強弱，選擇程控增益的大小； 具有低通濾波器，濾出高頻幹擾；體積小，模塊式器件，最大放大倍數可 達16000倍。
但是，對於申請專利號為CN200510092193的專利文獻，它所 >開的 是一種自動增益控制電路,也就是說輸出的信號和輸入的信號的增益會自 動變化，滿足輸出信號的要求，但對於需要可控增益的需求卻無法滿足。
對於專利號為CN03219245的專利，由於程控晶片的控制只能分1、 2、 4、 8、 16倍這5級，對輸出信號的放大倍數控制能力比較弱，其放大倍 數固定，對於象5、 6、 7、 11、 1000等其它比較隨意的程控放大倍數的需 求無法滿足要求。
因此，現有技術還有待於改進和發展。

發明內容
本發明的目的在於提供一種信號幅度的轉換裝置，根據對信號進行的 幅度轉換提出 一種簡單有效的量程轉換裝置，可以對信號變化頻率在一定 範圍內的任意信號進行程控轉換輸出，頻率的變化範圍受電路結構和使用 器件特性的限制。
為了實現上述發明目的，本發明的技術方案包括
一種信號幅度的轉換裝置，其中，其包括 一信號預處理單元、 一控 制單元、一 D/A轉換器單元、 一輸出信號處理單元和一指令接口單元； 其中，
所述信號預處理單元用於接收外界輸入信號，經過轉換之後把信號輸
送到所述d/a轉換器單元的參考電平輸入端；
所迷指令接口單元用於接收外部命令，處理成所述控制器單元能夠識
別的指令信號，傳遞給所述控制器單元；
所述控制單元用於傳輸控制信號到所述d/a轉換器單元；
所述d/a轉換器單元的輸出接口與所述輸出信號處理單元連接，所
述輸出信號處理單元對所述d/a轉換器單元的輸出信號進行處理之後，
輸出到後續電路。
所述的裝置，其中，所述信號預處理單元用於對輸入信號進行電平轉 換，進行相應的限幅保護，對信號幅度進行適當的縮放以及濾波。
所述的裝置，其中，所述控制單元和所述d/a轉換器單元之間通過 串型通信接口或者並口連接。
所述的裝置，其中，所述指令接口單元與所述控制單元之間通過 rs232或鍵盤接口連接。
所述的裝置，其中，所述信號預處理單元採用運放、三極體或阻容網 絡實現。
所述的裝置，其中，所述信號預處理單元還包括第一晶片lm324及 其外圍器件，以形成一個放大2倍，中心電壓在vcc/2附近的處理電路； 同時與第一晶片並聯的電容和電阻對高頻部分進行濾波，該第一晶片的輸 出電壓輸送到所述d/a轉換器單元的參考電壓輸入端。
所述的裝置，其中，所述d/a轉換器單元採用的d/a轉換器晶片為 max535。
所述的裝置，其中，所述輸出信號處理單元採用運放電路構成電壓跟 隨電路。
所述的裝置，其中，應用到閉環控制系統中時，在所述控制單元外圍 添加一個a/d轉換器和整流濾波電路，所述控制單元不斷讀取a/d轉換
器的信息，接收外部返回的信號；並通過對控制單元預先編程，自動判斷 增減，以實現自動增益控制電路。
本發明所提供的一種信號幅度的轉換裝置，精確的實現了多級程控增 益控制，適用於對輸出信號幅度需要分級程控的任何電子信號控制場合或 者電子機械領域。


圖1為本發明裝置的實現框圖2為本發明的信號幅度的轉換裝置具體實施例的電路原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖，將對本發明的技術方案做進一步的說明。 本發明的信號幅度的轉換裝置，如圖l所示的，其包括信號預處理單 元101、控制單元102、 D/A轉換器單元103、輸出信號處理單元104和 指令接口單元105。其中，所述信號預處理單元101接收外界的輸入信號， 輸出一參考電壓到所述D/A轉換器單元103的參考電壓輸入端；所述指 令接口單元105連接所述控制單元102，所述控制單元102的輸出連接到 所述D/A轉換器單元103的控制接口 ；所述D/A轉換器單元103的輸出 連接到所述輸出信號處理單元104,並由所述輸出信號處理單元104輸出 信號。
在本發明的上述裝置中，所述信號預處理單元101接收外界的輸入信 號，進行變換之後輸送到D/A轉換器單元103的參考電壓輸入接口。它 主要有四個任務， 一是完成對輸入信號進行電平轉換，二是對輸入信號進 行相應的限幅保護，三是對信號幅度進行適當的縮放，四是濾波。
首先，由於輸入信號電平各種各樣，有很多信號無法滿足D/A轉換 器單元103作為參考電壓的輸入範圍的需要，所以需要對輸入信號中心電
平進行適當的平移，把輸入信號的中心值移到參考電壓輸入範圍的中心值 附近，保證輸入信號的幅度變化範圍最大。
其次，預處理需要對輸入信號進行相應的限幅保護，避免由於輸入信
號的幅度過大，超出D/A器件參考電壓輸入範圍，而導致D/A器件損壞。 第三，如果輸入信號的幅度比較大，就需要先對輸入信號衰減；如杲 輸入信號的幅度過小，就需要對輸入信號先進行適當的放大，最大限度的 適應D/A轉換器單元參考電壓的變動區域，保證D/A轉換器單元的程控 效果比較顯著。
第四，濾波是為了防止輸入的頻率過高，超過D/A轉換器單元參考 輸入端能夠響應的最快速度，導致嚴重的失真。
在本發明上述裝置中，所述控制單元102主要是用於從指令接口單元 105接收控制指令和對D/A轉換器單元進行編程控制。它接收的控制指令 多種多樣，可以通過任何接口和任何協議接收外界的控制指令，控制指令 主要是告訴控制單元102，讓D/A轉換器單元輸出信號的幅度增加還是減 少，程控值是多少。具體設計可以使用小型CPU或者EPLD邏輯電路來 實現，只要能夠滿足D/A轉換器單元的操作時序要求就可以。
本發明所述D/A轉換器單元103是用於根據控制單元102寫入的程 控數據、參考電壓輸入端輸入的外界信號和輸入端的穩壓電壓輸入值，完 成信號的轉換輸出。眾所周知，D/A轉換器單元輸出的信號Vout- (參考端輸入電壓 Vref—in/參考端電壓推薦最大值Vref—max) x (程控數據/最大程控數據)x 輸出最大值Vout—max。輸出最大值不變(此值由器件決定的，是不變的), 如果程控數據不變，則輸出電壓與輸入參考端的電壓成正比，即Vout = kxVref一in。 k是一個係數，可以通過改變程控數據，實現k的改變 (0<=k<=Vout—max/Vref_max )。在上面公式中，每個參數的最大值是由 器件本身參數決定的，是一個定值。所以輸出端Vout的電壓只與參考端
Vref輸入值和D/A轉換器單元的程控數據值有關。
本發明的所述輸出信號處理單元104用於接收D/A的輸出信號，進 行相應的處理之後輸出。它主要也有三個任務 一是完成對D/A輸出信 號進行電平轉換，二是對D/A輸出信號進行相應的限幅保護，三是對D/A 輸出信號幅度進行適當的縮放。
首先，由於D/A轉換器單元103輸出信號電平不一定滿足外界需要， 所以需要對D/A轉換器單元輸出信號的中心電平進行適當的平移，把D/A 轉換器單元103輸出信號的中心值移到外界信號需要的範圍中心值附近。
其次，所述輸出信號處理單元104的後處理需要對D/A轉換器單元 輸出信號進行相應的限幅保護，避免由於輸出信號的幅度過大，超出外部 器件的電壓範圍，而導致外部器件損壞。
第三，如果D/A轉換器單元103輸出信號的幅度比較大，就需要先 對D/A轉換器單元輸出信號衰減；如果D/A轉換器單元輸出信號的幅度 過小，就需要對D/A轉換器單元輸出信號先進行適當的放大，以滿足外 部器件需求的變動區域。
所述指令接口單元105的作用主要是接收外部指令，接口的形式可以 是有線、無線、串行或並行，其通過處理，把指令轉換為控制單元102 能夠接收的形式後，傳遞給該控制單元102。
以下結合圖2所示，對本發明的較佳實施例進行具體說明 信號預處理單元101:根據本發明的技術構思要求，可以採用運放、三 極管、阻容網絡等方法完成。具體電路可根據具體情況組建， 一般通過運 放和電阻網絡實現電平轉移，同時進行信號的縮放和濾波。
對運放電路進行選擇，主要考慮輸入電壓的範圍、運放的電源供給情 況、運放的噪聲等參數、運放的放大情況、運放的輸出電源範圍等多種因 素，以保證信號的變化範圍滿足後續D/A轉換器單元的需求。
在圖2中，構成所述信號預處理單元101部分的，主要包括第一晶片U1(LM324)及其外圍器件組成，以形成一個放大2倍(R2/R1),中心電壓 在VCC/2附近的處理電路(其中電阻R3和R4構成分壓形成)。其中同時 與第一晶片Ul並聯的電容C1和電阻R2對高頻部分進行一定的濾波,該 第一晶片Ul的輸出電壓經過電阻R3輸送到所述D/A轉換器單元的參考 電壓輸入端Ref端。
本發明所述控制單元102可以採用滿足D/A接口的控制器及其相關組 件。 一般D/A接口有並口、 IIC接口、 SPI接口等。所以一旦選定D/A轉 換器單元103後，對控制單元102的接口也就限定了 。在選擇控制單元的 時候，只要選擇有相關接口的即可。
另外，本發明所述控制單元102還需要接收外界的命令，可以是本地 命令，也可以是遠程命令，接口多種多樣，可以是並口，串口或者鍵盤接 口等。在圖2中，並沒有具體設計電路，可以採用AT89C52單片機，這 樣可以通過串口接收外部命令或者通過鍵盤接口人工輸入指令。當然控制 單元也可以使用EPLD之類的邏輯電路設計，時序滿足D/A控制要求即 可。在圖2中，由於D/A轉換器單元使用SPI接口，所以單片機完全可 以使用3個IO接口或者專用的SPI接口控制D/A轉換器單元。應當理解 的是，上述本發明的技術構思中，顯然可以根據實際需要^L更多變化和選 擇，而無須創造性勞動。
對本發明的所述D/A轉換器單元103的選擇，主要是考慮解析度、電 源供應範圍、輸入輸出電壓範圍、頻率響應範圍。最主要的是要選擇帶有 參考電壓輸入端的D/A轉換器單元，因為有些D/A轉換器晶片內部提供 參考電壓，無法實現外部參考電壓輸入。在圖2中，具體的採用了串口輸 入的D/A轉換器晶片MAX535,也可以採用其它接口形式的D/A轉換器， 只要有外部參考電壓REF輸入端即可。在選擇D/A轉換器的時候， 一定 要注意REF的輸入電壓響應範圍和頻率響應範圍。
本發明所述信號後處理單元104, —般也是由運放實現電平轉移和信號
縮放，但是不限於使用運放，其它純電阻網絡、三極體等都可以實現這個
功能，需要根據實際情況確定最佳方案。在圖2中，只是使用了一個運放 U3構成電壓跟隨電路，提高驅動能力。
本發明所述指令接口單元105,用於把指令信號轉換為控制單元102 的接口形式，輸出到控制單元102中。在圖2中，沒有給出具體設計，但 對本領域技術人員來說，顯然可以根據本發明的技術構思無須創造性勞動 的獲知其具體實現方式，通常所述控制單元102如果採用單片機，該指令 接口單元可以使用串口或者鍵盤構成指令輸入單元。
因此，本發明的整個裝置如圖1所示，所述信號預處理單元101接收 外界輸入信號，經過轉換之後把信號輸送到D/A轉換器單元103的參考 電平(Vref)輸入端。所述控制單元102和所述D/A轉換器單元103之間 一般通過串型通信接口或者並口連接。所述指令接口單元105接收外部命 令，可以通過RS232、鍵盤等接口實現方式，傳遞給所述控制器單元102。 所述D/A轉換器單元103的輸出接口 ( Vout)和所述輸出信號處理單元 104連接，所述輸出信號處理單元104對D/A轉換器單元103的輸出信號 進行處理之後，可輸出到後續電路。
本發明的上述信號幅度的轉換裝置精確的實現多級程控增益控制。 本發明裝置對於信號的幅度進行精確的控制，控制的精度與D/A轉 換器單元的解析度有關，如果D/A是8位的，則輸出信號幅度可以劃分 為2的8次方等級，即256等級；如果D/A是12位的，則輸出分為2的 12次方等級，即4096等級；如果是16位就是2的16次方等級。也就是 說，在外圍處理電路和電源非常穩定的情況下，對信號的幅度控制完全依 賴於D/A轉換器單元的解析度和D/A器件本身的性質，可以達到很高的 精度控制。對於一般的開路控制電路，可以很好的滿足要求。
另外，本發明裝置也可以應用到閉環控制系統中，需要在控制單元外 圍添加一個A/D轉換器和整流濾波電路，控制單元不斷讀取A/D轉換器
的信息，接收外部返回的信號，通過對控制單元預先編程，自動判斷增減，
可以實現AGC(自動增益控制電路)的需求，並且控制輸出信號自動達到預 計的要求，而且增益設定還可以通過鍵盤、通信接口等途徑輸入到控制單 元。
本發明裝置適用於對輸出信號幅度需要分級程控的任何電子信號控 制場合或者電子機械領域。
應當理解的是，上述針對本發明具體實施例的描述較為詳細，不能因 此而理解為對本發明專利保護範圍的限制，本發明的專利保護範圍應以所 附權利要求為準。
權利要求
1、一種信號幅度的轉換裝置，其特徵在於，其包括一信號預處理單元、一控制單元、一D/A轉換器單元、一輸出信號處理單元和一指令接口單元；其中，所述信號預處理單元用於接收外界輸入信號，經過轉換之後把信號輸送到所述D/A轉換器單元的參考電平輸入端；所述指令接口單元用於接收外部命令，處理成所述控制器單元能夠識別的指令信號，傳遞給所述控制器單元；所述控制單元用於傳輸控制信號到所述D/A轉換器單元；所述D/A轉換器單元的輸出接口與所述輸出信號處理單元連接，所述輸出信號處理單元對所述D/A轉換器單元的輸出信號進行處理之後，輸出到後續電路。
2、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述信號預處理單元用 於對輸入信號進行電平轉換，進行相應的限幅保護，對信號幅度進行適當的 縮》文以及濾波。
3、 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述控制單元和所述D/A 轉換器單元之間通過串型通信接口或者並口連接。
4、 根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述指令接口單元與所 述控制單元之間通過RS232或鍵盤接口連接。
5、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述信號預處理單元採 用運放、三極體或阻容網絡實現。
6、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述信號預處理單元還 包括第一晶片LM324及其外圍器件，以形成一個放大2倍，中心電壓在 VCC/2附近的處理電路；同時與第一晶片並聯的電容和電阻對高頻部分進行 濾波，該第一晶片的輸出電壓輸送到所述D/A轉換器單元的參考電壓輸入端。7、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在千，所迷D/A轉換器單元採 用的D/A轉換器晶片為MAX535。8、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述輸出信號處理單元 採用運放電路構成電壓跟隨電路。9、 根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，應用到閉環控制系統中 時，在所述控制單元外圍添加一個A/D轉換器和整流濾波電路，所述控制 單元不斷讀取A/D轉換器的信息，接收外部返回的信號；並通過對控制單 元預先編程，自動判斷增減，以實現自動增益控制電路。
全文摘要
本發明公開了一種信號幅度的轉換裝置，其包括一信號預處理單元、一控制單元、一D/A轉換器單元、一輸出信號處理單元和一指令接口單元；其中，所述信號預處理單元用於接收外界輸入信號，經過轉換之後把信號輸送到所述D/A轉換器單元的參考電平輸入端；所述控制單元用於傳輸控制信號到所述D/A轉換器單元；所述D/A轉換器單元的輸出接口與所述輸出信號處理單元連接，所述輸出信號處理單元對所述D/A轉換器單元的輸出信號進行處理。本發明轉換裝置精確的實現了多級程控增益控制，適用於對輸出信號幅度需要分級程控的任何電子信號控制場合或者電子機械領域。
文檔編號H03G3/20GK101098130SQ200610090450
公開日2008年1月2日 申請日期2006年6月27日 優先權日2006年6月27日
發明者嶸 周, 張來喜, 朱紅軍, 磷 郝 申請人:中興通訊股份有限公司