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1、(10)申请公布号 CN 104238608 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104238608 A (21)申请号 201410454824.6 (22)申请日 2014.09.09 G05F 1/46(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301 号 (72)发明人 李仲兴 于文浩 陈玄异 陈燎 张田 江洪 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 楼高潮 (54) 发明名称 一种全频域直流电压信号降压放大电路 (57) 摘要 本发明公开一种全频域直流电压信号降压放 大电路， 可调电阻器。
2、 R5 一端接地， 另一端连接双 电源， 可调电阻器R5的调整端连接运算放大器U2 的同相输入端， 运算放大器 U2 的输出端连接反相 输入端 ； 电阻 R1、 R2 依次串联， 电阻 R1 另一端连 接到信号输入端， 电阻R2另一端接地 ； 电阻R3、 R4 依次串联， 电阻R3另一端连接运算放大器U1的输 出端， 电阻 R4 另一端连接运算放大器 U2 的输出 端 ； 运算放大器 U1 同相输入端连接在电阻 R1 与 电阻R2之间， 运算放大器U1反相输入端连接在电 阻 R3 与电阻 R4 之间 ； 用于将传感器信号的高偏 置电压、 小波动幅值的直流电压信号转换为大动 态、 低偏置的电压信。
3、号 ； 电路中不存在对频率敏 感的电子元器件， 对所有频率段信号的放大降压 效果相同。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104238608 A CN 104238608 A 1/1 页 2 1. 一种全频域直流电压信号降压放大电路， 包括电阻、 可调电阻器和运算放大器， 其特 征是 ： 可调电阻器 R5 一端接地， 另一端连接双电源， 可调电阻器 R5 的调整端连接运算放大 器 U2 的同相输入端， 运算放大器 U2 的输出端连接。
4、运算放大器 U2 的反相输入端 ； 电阻 R1、 电阻 R2 依次串联， 电阻 R1 另一端连接到信号输入端， 电阻 R2 另一端接地 ； 电阻 R3、 电阻 R4 依次串联， 电阻 R3 另一端连接运算放大器 U1 的输出端， 电阻 R4 另一端连接运算放大器 U2 的输出端 ； 运算放大器 U1 同相输入端连接在电阻 R1 与电阻 R2 之间， 运算放大器 U1 反相输 入端连接在电阻 R3 与电阻 R4 之间。 2. 根据权利要求 1 所述一种全频域直流电压信号降压放大电路， 其特征是 ： 运算放大 器 U2 的同相输入端和可调电阻器 R5 的调整端之间连接电阻 R6、 电阻 R9 组成。
5、的电阻网络， 电阻 R6 一端和电阻 R9 一端相连接， 电阻 R6 另一端接可调电阻器 R5 的调整端， 电阻 R9 另 一端接地， 运算放大器 U2 同相输入端连接在电阻 R6 和电阻 R9 之间 ； 运算放大器 U2 反相输 入端与输出端的连接电阻 R7 和电阻 R8 组成的电阻网络， 运算放大器 U2 反相输入端连接在 电阻 R7、 电阻 R8 之间， 电阻 R7 一端和电阻 R8 一端相连， 电阻 R8 另一端接地， 电阻 R7 另一 端连接运算放大器 U2 输出端。 3. 根据权利要求 1 所述一种全频域直流电压信号降压放大电路， 其特征是 ： 运算放大 器U2的同相输入端和可调电。
6、阻R5的调整端之间串入一个电阻R6， 运算放大器U2的反相输 入端与运算放大器 U2 输出端之间串入一个电阻 R7。 4.根据权利要求1所述一种全频域直流电压信号降压放大电路， 其特征是 ： 电阻R1、 电 阻 R2、 电阻 R3、 电阻 R4 皆可用可变电阻器替换。 5. 根据权利要求 1 所述一种全频域直流电压信号降压放大电路， 其特征是 ： 运算放大 器 U1 和运算放大器 U2 的型号均是 OP-07。 6. 根据权利要求 1 所述一种全频域直流电压信号降压放大电路， 其特征是 ： 所述双电 源采用两块铅蓄电池串联组成。 权 利 要 求 书 CN 104238608 A 2 1/3 页。
7、 3 一种全频域直流电压信号降压放大电路 技术领域 0001 本发明涉及一种应用于机电系统振动监测及控制领域中的压电类传感器， 属于将 高偏置小振幅电压信号转换为低偏置大振幅电压信号的传感器信号转换装置， 具体涉及其 中的直流电压信号降压放大电路。 背景技术 0002 压电类传感器在机电系统的振动监测及控制领域有着十分广泛的应用。然而， 不 同类型甚至同一类型不同型号的传感器， 其精度及偏置电压均可能有非常显著的差异， 如 果不同传感器仅需孤立应用固然无碍， 但在诸如汽车底盘等复杂机电系统中， 为实现结构 的简洁紧凑， 整体功能的协调完备， 一个传感器所采集的振动、 压力、 温度等信息往往需要。
8、 提供给不同的模块， 以实现结构共用、 信息融合及控制协调。然而， 不同模块对信号的精度 和偏置电压多有区别， 难以选择合适的传感器同时满足不同模块的需求。 此时， 可首先选择 合适传感器， 满足某一模块的需求， 再利用信号转换装置， 转变其灵敏度和偏置电压， 使其 符合其他模块的需求。 0003 直流电压信号降压放大模块是一种典型的信号转换装置， 广泛的应用于对直流、 脉冲电压的测量中。但在实际操作过程中， 大部分模块存在面对不同类型甚至同一类型不 同型号的传感器的不同精度及偏置电压时无法进行预期的信号转换的问题。 甚至即使能够 对信号进行转换可是因为电路中存在电容的缘故对不同频率的信号的转。
9、换效果不尽相同 反而引起信号采集的更大的误差。 因此需要一种电路能够对现有的信号在放大的同时对其 进行降压处理， 并且此电路需保证在全频率段内保持相同的放大效果及放大倍数与信号频 率无关以保证数据采集的误差要求。 0004 专利公开号为 CN201828595 U、 名称为直流电压信号隔离放大电路， 公开了不同场 合的直流、 脉冲电压 3.3V5V 之间的隔离转换。其中， 整个电路的输入信号电压最大为 5V， 无法接收某些传感器的高偏置输出电压的信号， 同时对不同频率的信号， 放大效果也不同， 对实验数据的采集造成一定的误差。整个电路外围复杂， 既造成资源浪费又无法满足某些 数据的采集要求。 。
10、发明内容 0005 本发明针对现有技术的不足， 提供了一种简单可靠、 性能稳定的全频域段直流电 压信号降压放大电路， 对信号在放大的同时对其进行降压处理， 并且能在全频率段内保持 相同的放大效果， 保证数据采集的误差要求， 实现传感器精度、 灵敏度及偏置电压的缩放与 跃迁。 0006 本发明采用的技术方案如下 ： 本发明包括有电阻、 可调电阻器和运算放大器， 可调 电阻器 R5 一端接地， 另一端连接双电源， 可调电阻器 R5 的调整端连接运算放大器 U2 的同 相输入端， 运算放大器U2的输出端连接运算放大器U2的反相输入端 ； 电阻R1、 电阻R2依次 串联， 电阻 R1 另一端连接到信号。
11、输入端， 电阻 R2 另一端接地 ； 电阻 R3、 电阻 R4 依次串联， 说 明 书 CN 104238608 A 3 2/3 页 4 电阻 R3 另一端连接运算放大器 U1 的输出端， 电阻 R4 另一端连接运算放大器 U2 的输出端 ； 运算放大器 U1 同相输入端连接在电阻 R1 与电阻 R2 之间， 运算放大器 U1 反相输入端连接 在电阻 R3 与电阻 R4 之间。 0007 本发明采用上述技术方案后具有的优点是 ： 1、 本发明的输出电压零电位可以调整， 可用于将传感器信号的高偏置电压、 小波动幅 值的直流电压信号转换为大动态、 低偏置的电压信号以适用于某些信号采集仪器对信号电 。
12、压的要求。同时由于电路中不存在对频率敏感的电子元器件， 所以其对所有频率段信号的 放大降压效果相同 ； 对于不同的传感器所输出的直流电压信号， 只需调整输出零点调整电 路中的可调电阻的阻值即可。 0008 2、 本发明输入阻抗高， 使得电路安全性大为增强。电路采用两块铅蓄电池串联组 成双电源供电， 可使电路输出信号噪声更小， 工作电流不超过 25mA。 0009 3、 本发明可拓展传感器的应用范围， 有利于现代系统工程所提倡的结构共用、 信 息融合、 控制协调的实现， 也可在一定程度上降低工业产品的生产成本。 附图说明 0010 图 1 为本发明一种全频域直流电压信号降压放大电路图 ； 图 2。
13、 为图 1 中输出零点调整电路的第一种实例图 ； 图 3 为图 1 中输出零点调整电路的第二种实例图 ； 图 4 为本发明一种全频域直流电压信号降压放大电路的应用于悬架特性试验框图。 具体实施方式 0011 如图 1 所示， 本发明包括输出零点调整电路和可以放大直流电压信号的减法电 路。其中， 所述输出零点调整电路的输出端连接所述可以放大直流电压信号的减法电路的 输入端。 0012 所述输出零点调整电路包括可调电阻器R5和运算放大器U2。 其中， 可调电阻器R5 一端接地 GND， 另一端连接双电源 VCC 的正极， 可调电阻器 R5 的调整端连接运算放大器 U2 的同相输入端。采用两块铅蓄电。
14、池串联组成双电源 VCC 供电。运算放大器 U2 的输出端连 接运算放大器 U2 的反相输入端。输出零点调整电路可以输出一个可调的恒定电压值。输 出零点调整电路也可以由可调电阻器 R5、 运算放大器 U2 加上附加电阻网络构成相同功能 的电路组成。如图 2 和图 3 所示的两种附加电阻网络的电路皆可以作为本发明的输出零点 调整电路。 0013 所述可以放大直流电压信号的减法电路包括电阻 R1、 电阻 R2、 电阻 R3、 电阻 R4 和 运算放大器 U1。其中， 所述电阻 R1、 电阻 R2 构成传感器直流电压信号采集通路， 连接运算 放大器U1同相输入端。 电阻R3、 所述电阻R4构成零点电。
15、压调整信号通路， 连接运算放大器 U1 的反相输入端。 0014 电阻R1、 电阻R2依次串联， 电阻R1另一端连接到信号输入端， 电阻R2另一端连接 到地线。电阻 R3、 电阻 R4 依次串联， 电阻 R3 另一端连接到减法电路的输出端， 即运算放大 器 U1 的输出端， 电阻 R4 另一端连接输出零点调整电路的输出端， 即运算放大器 U2 的输出 端。运算放大器 U1 同相输入端连接在电阻 R1 与电阻 R2 之间， 运算放大器 U1 反相输入端 说 明 书 CN 104238608 A 4 3/3 页 5 连接在电阻 R3 与电阻 R4 之间。 0015 电阻 R1、 电阻 R2、 电阻。
16、 R3、 电阻 R4 皆可以换成可变电阻器以达到改变放大倍数的 目的。当更换电阻 R2 为可变电阻器后， 放大倍数随可变电阻器的阻值变化不大。当电阻 R1、 R3 更换为可变电阻后， 放大倍数随着可变电阻器阻值的增大而增大， 同时放大倍数变化 比较明显。当电阻 R4 更换为可变电阻器后， 放大倍数随着可变电阻器的阻值减小而显著增 大。 0016 本发明电路中不存在对频率敏感的电子元器件， 所以其对所有频率段信号的放大 降压效果相同。电路的输出电压零电位可以调整， 专门用于信号传感器的高偏置电压， 小 波动的直流电压信号转换为大动态， 低偏置的直流电压信号以用于某些信号采集设备的场 所。对于不同。
17、的传感器所输出的直流电压信号， 只需调整输出零点调整电路中的可调电阻 值即可。 0017 如图 2 和图 3 所示的两种电路皆可以作为输出零点调整电路。如图 2 所示的电 路， 在运算放大器 U2 的同相输入端和可调电阻器 R5 的调整端之间连接电阻 R6 和电阻 R9 组成的电阻网络， 电阻 R6 的一端和电阻 R9 的一端相连接， 电阻 R6 的另一端接可调电阻器 R5 的调整端， 电阻 R9 的另一端接地， 运算放大器 U2 的同相输入端连接在电阻 R6 和电阻 R9 之间。运算放大器 U2 的反相输入端与运算放大器 U2 输出端的连接电路为电阻 R7、 电阻 R8 组成的电阻网络并同样。
18、实现了可以输出一个可调的恒定电压值的功能， 运算放大器 U2 的 反相输入端连接在电阻 R7、 电阻 R8 之间， 电阻 R7 一端和电阻 R8 一端相连， 电阻 R8 另一端 接地， 电阻 R7 的另一端连接运算放大器 U2 输出端。 0018 如图 3 所示的电路， 在运算放大器 U2 的同相输入端和可调电阻 R5 的调整端之间 串入一个电阻 R6， 在运算放大器 U2 的反相输入端与运算放大器 U2 输出端之间串入一个电 阻 R7 并同样实现了可以输出一个可调的恒定电压值的功能。 0019 运算放大器 U1 和运算放大器 U2 的型号均是 OP-07。 0020 以下提供本发明的一个应用。
19、例 ： 如图 4 所示， 本发明应用于汽车监测及控制中， 具体是应用于汽车的悬架特性试验。汽 车悬架包括空气弹簧 11 和阻尼器 13， 空气弹簧 11 的上端安装簧上质量加速度传感器 10， 阻尼器 13 的下端安装簧下质量加速度传感器 14。将本发明全频域直流电压信号降压放大 电路的输入端连接汽车的簧上质量加速度传感器 10 的输出端或者簧下质量加速度传感器 14 的输出端， 将本发明全频域直流电压信号降压放大电路的输出端连接 D2P 控制器的信号 采集端口， 簧上质量加速度传感器 10 和簧下质量加速度传感器 14 的输出端还都连接信号 采集仪的输入端口。信号采集仪和电脑 PC 通过连接。
20、线双向互联， 电脑通过相应的测试软件 来记录信号采集仪数据， 而 D2P 控制器的控制端口与连接汽车阻尼器 13 的阻尼控制器 12 的输入端口相连接。减法电路的输出电压是 50/9 倍的所述加速度传感器信号电压与输出 零点调整电路输出电压的差值。本发明全频域直流电压信号降压放大电路将汽车性能测 试所用簧下或者簧上加速度传感器的高偏置低波动幅值的直流电压信号的偏置电压进行 降压的同时， 并放大有效信号， 使得输出信号的最大值控制在 5V 以内， 同时使得波动幅值 大大增加， 使得供 D2P 控制器的采集端能更好的采集到所述加速度传感器信号的波动来使 D2P 控制器能够更好的控制阻尼控制器的动作。 说 明 书 CN 104238608 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104238608 A 6 2/2 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104238608 A 7 。