CN210572490U - 一种带直流分量消除的交流放大电路和频率特性分析仪 - Google Patents

Abstract

一种带直流分量消除的交流放大电路和频率特性分析仪，包括电压跟随器、低通滤波器和差分放大器，差分放大器的输出端和一个输入端作为交流放大电路的输出端和输入端，电压跟随器和低通滤波器依次串联连接在该电路的输入端与差分放大器的另一个输入端之间。由于将待放大电信号分成两路相同的电信号，并对其中一路电信号滤除交流后与另一路信号进行差分放大后作为交流放大电路的输出信号输出，使得不需采用电容耦合，就可以消除信号中直流分量，进而实现放大叠加在大直流电压上的小交流电信号的电路。由于不采用电容耦合，就不会引入因电容耦合带来的低频段的相位突变，大大减小相位突变的频率范围，其可放大非常低频的信号而不引入大的相位误差。

Description

一种带直流分量消除的交流放大电路和频率特性分析仪

技术领域

本申请涉及信号处理技术领域，具体涉及一种带直流分量消除的交流放大电路和频率特性分析仪。

背景技术

在生产和生活中，往往要求用微弱的电信号去控制较大的功率负载，或为了便于对微弱的电信号进行检测，就需要先对该微弱信号进行放大。交流放大电路就是用于将微弱的交流电信号转化为较强的交流电信号。而在一些实际的应用场景中，需要在存在大的直流电压情况下，对小的交流信号进行放大，例如在对开关电源的环路增益特性进行测量时。

传统的抑制直流的方案是采用电容耦合的电路，虽然采用电容耦合的电路可以隔除直流，但当待放大电信号为低频段时，会引入大的相位突变，且这种相位变化是不太稳定的，其相位突变覆盖的频率范围大，容易引入相位误差。因此需要设计一种能在实现直流耦合的前提下，放大交流信号，并抑制直流信号的电路结构。

发明内容

本申请的目的在于公开一种直流分量消除电路，能够保证放大交流信号的同时，抑制直流信号，即使测量非常低频的信号，也不会引入大的相位误差。

根据第一方面，一种实施例中提供一种带直流分量消除的交流放大电路，包括电压跟随器、低通滤波器和差分放大器；

所述差分放大器的输出端作为所述交流放大电路的输出端；

所述差分放大器的一个输入端作为所述交流放大电路的输入端，所述电压跟随器和所述低通滤波器串联后再连接在所述差分放大器的两个输入端之间，用于将待放大电信号分成两路相同的电信号，一路电信号通过所述电压跟随器和所述低通滤波器进行滤除交流处理后，再与另一路电信号进行差分放大后输出；

所述电压跟随器用于提高所述交流放大电路的输入阻抗；

所述低通滤波器用于对一路电信号滤除交流。

进一步，所述差分放大器包括第一放大器U1、第二放大器U2、第三放大器 U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7；

第一放大器U1的正输入端作为所述差分放大器的一个输入端；

电阻R2串联在第一放大器U1的负输入端与输出端之间；

电阻R4串联在第一放大器U1的负输入端与第三放大器U3的负输入端之间；

第三放大器U3的正输入端作为所述差分放大器的另一个输入端；

电阻R5串联在第三放大器U3的负输入端与输出端之间；

电阻R3串联在第一放大器U1的输出端与第二放大器U2的正输入端之间；

电阻R6串联在第三放大器U3的输出端与第二放大器U2的负输入端之间；

第二放大器U2的输出端作为所述差分放大器的输出端；

电阻R1串联在第二放大器U2的正输入端与地之间；

电阻R7串联在第二放大器U2的负输入端与输出端之间。

进一步，所述差分放大器还包括电容C1、电容C1、电容C1和/或电容C4；

电容C1与电阻R1并联连接；电容C2与电阻R1并联连接；电容C3与电阻 R5并联连接；电容C4与电阻R7并联连接。

进一步，所述电压跟随器包括第四放大器U4，其正输入端作为所述电压跟随器的输入端，其负输入端与输出端连接作为所述电压跟随器的输出端。

进一步，所述低通滤波器是一阶低通滤波器、二阶低通滤波器或高阶低通滤波器。

进一步，所述低通滤波器包括第五放大器U5、电阻R8、电阻R9、电容C5 和电容C6；

电阻R8的一端作为所述低通滤波器的输入端；

电阻R9串联在电阻R8的另一端与第五放大器U5的正输入端之间；

电容C6串联在电阻R8的另一端与第五放大器U5的负输入端之间；

电容C5串联在第五放大器U5的正输入端与地之间；

第五放大器U5的输出端作为所述低通滤波器的输出端。

进一步，还包括开关电路，连接在所述电压跟随器的输入端与输出端之间，用于当所述待放大电信号电压幅度小于一预设值时旁路掉所述电压跟随器。

根据第二方面，一种实施例中提供一种频率特性分析仪，包括上位机、信号发射电路和两个结构相同的信号接收电路；

所述信号发射电路与所述上位机连接，用于当接收到所述上位机发出的控制电信号时，产生一参考信号并输入到被测电路中；

每个所述信号接收电路分别与所述上位机连接，用于分别获取和处理所述被测电路输出的模拟信号，并将其转换成数字信息发送给所述上位机；

所述上位机，用于向所述信号发射电路发送控制电信号，还用于依据接收的两路信号接收电路发送的数字信号获取所述被测电路的频率特性；

所述信号接收电路包括第一方面所述的交流放大电路。

依据上述实施例的一种带直流分量消除的交流放大电路，包括电压跟随器、低通滤波器和差分放大器，差分放大器的输出端作为交流放大电路的输出端，差分放大器的一个输入端作为交流放大电路的输入端，电压跟随器和低通滤波器依次串联连接在交流放大电路的输入端与差分放大器的另一个输入端之间。由于将待放大电信号分成两路相同的电信号，并对其中一路电信号滤除交流后与另一路信号进行差分放大后作为交流放大电路的输出信号输出，使得不需采用电容耦合，就可以消除信号中直流分量，进而实现放大叠加在大直流电压上的小交流电信号的电路。

附图说明

图1为一种频率特性分析仪的结构示意图；

图2为一实施例中交流放大电路的结构示意图；

图3为一实施例中交流放大电路的结构示意图；

图4为一实施例中交流放大电路的电路示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

频率特性分析仪主要是通过发射一个扫频信号输入给被测电路，发射信号通过被测电路后将发生相位或者幅度的变化，频率特性分析仪对这些发生变化的信号进行处理分析,提取相位和幅度信息就能将电路的频率特性反映输出。请参考图1，为一种频率特性分析仪的结构示意图，包括上位机1、信号发射电路 3和两个结构相同的信号接收电路4和信号接收电路5。信号发射电路3与上位机1连接，用于当接收到上位机1发出的控制电信号时，产生一参考信号并输入到被测电路2中。信号接收电路4和信号接收电路5分别与上位机1连接，用于分别获取和处理被测电路2输出的模拟信号，并将其转换成数字信息发送给上位机1。上位机1用于向信号发射电路3发送控制电信号，还用于依据接收的信号接收电路4和信号接收电路5发送的数字信号获取被测电路2的频率特性。因频率特性分析仪只处理和分析交流信号，为了提高测量精度，信号接收电路4和信号接收电路5需对被测电路2输出的模拟信号进行消直流处理，并同时对其进行放大处理。一实施例中，信号接收电路5包括前端保护电路51、前端降噪电路52、一阶放大电路53和二阶放大电路54。前端保护电路51用于对被测电路2输出的模拟信号的频率范围和强度进行限制，以对前端降噪电路 52起保护作用。前端降噪电路52用于对被测电路2输出的模拟信号进行降噪处理后输出给一阶放大电路53。一阶放大电路53与二阶放大电路54连接，用对前端降噪电路52输出的模拟信号进行滤直流、低通滤波和/或程控放大处理。二阶放大电路54与上位机1连接，用于依据一阶放大电路53输出的模拟信号的频率，对其进行程控放大或与一预设信号混频后进行程控放大，再进行模数转后输出给上位机1。其中，前端降噪电路52、一阶放大电路53和二阶放大电路 54都需要对待处理信号的直流分量进行消除，对其交流分量进行放大。

在本申请实施例中公开了一种带直流分量消除的交流放大电路，由于将待放大电信号分成两路相同的电信号，并对其中一路电信号滤除交流后与另一路信号进行差分放大后作为交流放大电路的输出信号输出，使得不需采用电容耦合，就可以消除信号中直流分量，进而实现放大叠加在大直流电压上的小交流电信号的电路。

实施例一

请参考图2，为一实施例中交流放大电路的结构示意图，包括电压跟随器 30、低通滤波器20和差分放大器10。差分放大器10的输出端作为交流放大电路的输出端，差分放大器10的一个输入端作为交流放大电路的输入端，电压跟随器30和低通滤波器20串联后再连接在差分放大器10的两个输入端之间，用于将待放大电信号分成两路相同的电信号，一路电信号通过所述电压跟随器和所述低通滤波器进行滤除交流处理后，再与另一路电信号进行差分放大后输出。电压跟随器30用于提高交流放大电路的输入阻抗，低通滤波器20用于对一路电信号滤除交流。

请参考图3，为一实施例中交流放大电路的结构示意图，一实施例中，该交流放大电路包括电压跟随器30、低通滤波器20和差分放大器10，还包括开关电路40，连接在电压跟随器30的输入端与输出端之间，用于当待放大电信号电压幅度小于一预设值时旁路掉所述电压跟随器。即，若交流放大电路对阻抗要求不高时，可将电压跟随器30旁路掉。一实施例中，开关电路40导通时，电压跟随器30相当于被开关电路40短路掉，即待放大电信号绕开电压跟随器30 输入到低通滤波器20中。

请参考图4，为一实施例中交流放大电路的电路示意图，包括差分放大器、电压跟随器和低通滤波器。其中，差分放大器包括第一放大器U1、第二放大器 U2、第三放大器U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6 和电阻R7。第一放大器U1的正输入端作为差分放大器的一个输入端。电阻R2 串联在第一放大器U1的负输入端与输出端之间。电阻R4串联在第一放大器U1 的负输入端与第三放大器U3的负输入端之间。第三放大器U3的正输入端作为所述差分放大器的另一个输入端。电阻R5串联在第三放大器U3的负输入端与输出端之间。电阻R3串联在第一放大器U1的输出端与第二放大器U2的正输入端之间。电阻R6串联在第三放大器U3的输出端与第二放大器U2的负输入端之间。第二放大器U2的输出端作为差分放大器的输出端。电阻R1串联在第二放大器U2的正输入端与地之间。电阻R7串联在第二放大器U2的负输入端与输出端之间。一实施例中，差分放大器还包括电容C1、电容C1、电容C1和/或电容 C4。电容C1与电阻R1并联连接，电容C2与电阻R1并联连接，电容C3与电阻R5并联连接，电容C4与电阻R7并联连接。电压跟随器包括第四放大器U4，其正输入端作为电压跟随器的输入端，其负输入端与输出端连接作为电压跟随器的输出端。低通滤波器可以是一阶低通滤波器、二阶低通滤波器或高阶低通滤波器。一实施例中，低通滤波器包括第五放大器U5、电阻R8、电阻R9、电容 C5和电容C6。电阻R8的一端作为低通滤波器的输入端。电阻R9串联在电阻R8 的另一端与第五放大器U5的正输入端之间。电容C6串联在电阻R8的另一端与第五放大器U5的负输入端之间。电容C5串联在第五放大器U5的正输入端与地之间。第五放大器U5的输出端作为低通滤波器的输出端。差分放大器对两路信号进行相减并放大，电容C1、电容C2、电容C3和电容C4为相位补偿电容，用来保正放大电路的稳定。

本实施例中交流放大电路的原理是，输入的待放大电信号包含无用的直流信号以及有用的交流信号，待放大电信号进入交流放大电路后被分为两路，一路直接进入差分放大器其中一个输入端；另外一路先经过电压跟随器再经过低通滤波器将输入中的交流信号滤除，只保留直流信号。两路待放大电信号进入差分放大器时，其中一路包含直流和交流信号，另外一路只包含直流信号，两路直流信号幅度相等，差分放大器对两路信号进行相减并放大，最终输出直流信号被消除，交流信号则被放大。其中，电压跟随器可以提高输入阻抗，并保证输入与低通滤波器之间的隔离。低通滤波器截止频率可以设置成极低的频率值，可以设计成高阶低通滤波器，具体截止频率及滤波器阶数的取值根据需要电路响应时间和需要放大交流信号频率来定。本实施例中公开的电路中采用的是二阶低通滤波器。

本申请公开的一种带直流分量消除的交流放大电路，不采用电容耦合，而直接采用直流耦合，不会引入因为电容耦合带来的低频段的相位突变，大大减小相位突变的频率范围，能够保证同时出现直流和交流信号时，只放大交流信号，直流信号被抑制，其可测量非常低频的信号，而并不引入大的相位误差。

实施例二

本申请还公开了一种频率特性分析仪，包括上位机、信号发射电路和两个结构相同的信号接收电路。信号发射电路与上位机连接，用于当接收到上位机发出的控制电信号时，产生一参考信号并输入到被测电路中。每个信号接收电路分别与上位机连接，用于分别获取和处理被测电路输出的模拟信号，并将其转换成数字信息发送给上位机。上位机用于向信号发射电路发送控制电信号，还用于依据接收的两路信号接收电路发送的数字信号获取被测电路的频率特性。其中，每个信号接收电路包括如实施例一中所述的交流放大电路。每个信号接收电路采用的是直流耦合，由于频率特性分析仪并不对直流进行分析，而且电路输入可能存在大的直流分量，带直流分量消除的交流放大电路可以在直流耦合的前提下，有效的消除直流分量。采用带直流分量消除的交流放大电路的频率特性分析仪可测量非常低频的信号，而并不引入大的相位误差。

以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种带直流分量消除的交流放大电路，其特征在于，包括电压跟随器、低通滤波器和差分放大器；

所述差分放大器的输出端作为所述交流放大电路的输出端；

所述差分放大器的一个输入端作为所述交流放大电路的输入端，所述电压跟随器和所述低通滤波器串联后再连接在所述差分放大器的两个输入端之间，用于将待放大电信号分成两路相同的电信号，一路电信号通过所述电压跟随器和所述低通滤波器进行滤除交流处理后，再与另一路电信号进行差分放大后输出；

所述电压跟随器用于提高所述交流放大电路的输入阻抗；

所述低通滤波器用于对一路电信号滤除交流。

2.如权利要求1所述的交流放大电路，其特征在于，所述差分放大器包括第一放大器U1、第二放大器U2、第三放大器U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7；

第一放大器U1的正输入端作为所述差分放大器的一个输入端；

电阻R2串联在第一放大器U1的负输入端与输出端之间；

电阻R4串联在第一放大器U1的负输入端与第三放大器U3的负输入端之间；

第三放大器U3的正输入端作为所述差分放大器的另一个输入端；

电阻R5串联在第三放大器U3的负输入端与输出端之间；

电阻R3串联在第一放大器U1的输出端与第二放大器U2的正输入端之间；

电阻R6串联在第三放大器U3的输出端与第二放大器U2的负输入端之间；

第二放大器U2的输出端作为所述差分放大器的输出端；

电阻R1串联在第二放大器U2的正输入端与地之间；

电阻R7串联在第二放大器U2的负输入端与输出端之间。

3.如权利要求2所述的交流放大电路，其特征在于，所述差分放大器还包括电容C1、电容C1、电容C1和/或电容C4；

电容C1与电阻R1并联连接；电容C2与电阻R1并联连接；电容C3与电阻R5并联连接；电容C4与电阻R7并联连接。

4.如权利要求1所述的交流放大电路，其特征在于，所述电压跟随器包括第四放大器U4，其正输入端作为所述电压跟随器的输入端，其负输入端与输出端连接作为所述电压跟随器的输出端。

5.如权利要求1所述的交流放大电路，其特征在于，所述低通滤波器是一阶低通滤波器、二阶低通滤波器或高阶低通滤波器。

6.如权利要求5所述的交流放大电路，其特征在于，所述低通滤波器包括第五放大器U5、电阻R8、电阻R9、电容C5和电容C6；

电阻R8的一端作为所述低通滤波器的输入端；

电阻R9串联在电阻R8的另一端与第五放大器U5的正输入端之间；

电容C6串联在电阻R8的另一端与第五放大器U5的负输入端之间；

电容C5串联在第五放大器U5的正输入端与地之间；

第五放大器U5的输出端作为所述低通滤波器的输出端。

7.如权利要求1所述的交流放大电路，其特征在于，还包括开关电路，连接在所述电压跟随器的输入端与输出端之间，用于当所述待放大电信号电压幅度小于一预设值时旁路掉所述电压跟随器。

8.一种频率特性分析仪，其特征在于，包括上位机、信号发射电路和两个结构相同的信号接收电路；

所述信号发射电路与所述上位机连接，用于当接收到所述上位机发出的控制电信号时，产生一参考信号并输入到被测电路中；

每个所述信号接收电路分别与所述上位机连接，用于分别获取和处理所述被测电路输出的模拟信号，并将其转换成数字信息发送给所述上位机；

所述上位机，用于向所述信号发射电路发送控制电信号，还用于依据接收的两路信号接收电路发送的数字信号获取所述被测电路的频率特性；

所述信号接收电路包括如权利要求1至7中任意一项所述的交流放大电路。

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