基于运放实现交流信号的平移

多数ADC都是单极性的，在用ADC进行模数转换时，常要对双极性信号进行正向平移和缩放，变为一定范围内的单极性信号后，才能被ADC所使用；为简化电路设计，常用单电源供电的运放，对交流信号进行放大，此时也要对信号进行直流偏移。以下对交流信号单独平移电路和对交流信号平移并放大电路予以说明。

一. 对已经放大好的交流信号或不需放大的信号进行正向平移，使之成为变化的直流信号，以供单极性ADC进行数字化转换;或对单极性DAC输出的信号，进行负向平移，以输出交流信号。为实现以上目的，可以用运放构成的加法电路和减法电路加以实现。运放内部均为直接耦合放大电路，既可缩放交流信号，也可以缩放直流信号。图一为用加法电路实现的正向平移电路。

图一 用加法电路正向平移

平移电压Vref加在同相输入端，Up为Ui和Vref的叠加，

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

Uo=2Up=Ui+Vref

可见，交流信号Ui正向平移了Vref 。例如，如Ui是幅值为2V（峰峰值Vpp=4V）的正弦交流信号，则取Vref=2V就可将信号平移为单极性直流信号，供ADC采样使用。

图二 用减法电路负向平移

图二为利用减法电路实现信号负向偏移的电路，能将DAC输出的单极性信号，平移成交流信号。DAC信号由同相端输入，而偏移电压Vref由反相端输入。

由Un=Up=0.5Ui

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

得到Uo=0.5Ui+0.5Ui-Vref=Ui-Vref

可见将输入信号向下平移了Vref 。例如，将峰峰值Vpp=3.3V，最小值为0V的三角波，向负向平移Vref=1.65V,将变成双极性三角波信号。

二. 当既要对交流输入信号进行放大，又要对放大后的信号进行平移时，由于加在运放输入端的平移参考电压也要被放大，难以确定一个合适的偏移量，此时可采用图三所示的电路，其巧妙之处在于采用了隔直电容C1,交流信号Ui与C1串联后加到反相输入端，使平移参考电压Vref与闭环增益无关。

图三 交流信号反相放大与平移电路

在线路处于静态，即Ui=0时，Un=Up=Vref,C1将被充至等于Vref的电压，极性为右正左负;

运放输入虚断，i-=0,Rf与R1中电流相等：

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

得到：Uo=-Rf/R1 *Ui+Vref

可见，输入信号被放大了-Rf/R1倍，而平移的参考电压与增益无关。

也可叠加原理推出相同的结论，输出Uo由直流分量和交流分量叠加而成。静态时，直流分量起作用，C1对直流而言，电阻为无穷大（断路），此时运放构成电压跟随器，即Uo1=Vref;

交流信号Ui单独作用时，其被反相放大-Rf/R1倍，即Uo2=-Rf/R1*Ui,叠加后：

Uo=Uo2+Uo1=-Rf/R1*Ui+Vref,与前一结论相同。

按图示参数，Uo=-10Ui+2.5 ,表示将Ui放大-10倍，再正向平移2.5V 。

与图三类似，交流信号也可从同相输入端施加，来对交流信号进行同相放大并平移。如图示图四所示，利用叠加原理易求出输出表达式。

图四 交流信号同相放大与平移电路

对于直流平移参考电压，C1电阻为无穷大，运放构成电压跟随器，对应输出Uo1=Vref ；而交流信号单独作用时，运放构成同相放大电路，对应输出Uo2=(1+Rf/R1)Ui ;叠加后得到输出Uo:

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

按图示参数，Uo=10Ui+2.5 ,即将交流信号同相放大10倍，正向平移2.5V .

三. 使用单电源给运放供电并放大交流信号的，就可利用到前面介绍的直流偏移电路，示例如图五所示。

图五 单电源反相放大电路

为了得到最大的无畸变输出，放大器的静态偏移电压应控制在电源电压VCC的二分之一处，即R3和R4的阻值应相等;要输出纯交流信号，可直接在运放输出端加隔直电容C2,将信号耦合到负载RL;C3有助于滤掉进入同相输入端的电源噪声，并稳定平移参考电压，降低等效内阻。

 

 

 

　　审核编辑：汤梓红