全对称共模差模信号分离器及其多输入加减法运算器的制作方法

本发明涉及一种全对称共模差模信号分离器及其多输入加减法运算器，特别是结构对称并具有互补对称差模信号输出的共模差模信号分离器与具有多输入的加减法运算器，属电子电路、模拟信号运算处理电路、模拟信号传输电路。

背景技术：

在电信号的运算与处理中，模拟信号的运算处理是非常重要的。而在模拟信号运算处理中，共模信号与差模信号的运算是很重要的模拟信号运算功能。

特别是在模拟信号的差分传输方式中，输入端转换需要用到信号互补对称输出的放大器，输出端转换需要用到消除共模信号的差模信号放大器，但目前这类放大器比较复杂导致模拟信号差分传输技术的应用受到限制。当输入端转换与输出端转换采用相同的通用电路时，就需要用到共模信号与差模信号分离电路。

在模拟信号处理系统中，两个自然信号所含的共模信号与差模信号的分离运算是必要的，这也需要用到共模差模信号分离电路，以实现差模信号和共模信号的测算，但目前共模差模分离器电路结构较为复杂、实现高精度分离也较为困难。

另外，多输入加减精确运算也是很重要的，这种基础性的运算电路应用非常广泛，目前常用的减法电路两个输入端通常有不同的输入电阻和不同输入特性，导致两个信号不对称，从而影响运算精度，而同时实现加减法、且两个输入端输入特性对称的电路非常复杂，从而限制了电路应用范围。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：

1、具有两个自然信号输入、两个互补对称差模信号输出和一个共模信号输出的电路；

2、具有结构对称且简单、参数设计容易、使用方便的共模差模分离器电路；

3、具有结构对称且简单、多输入运算、使用灵活的多输入加减法运算器电路。

本发明提供了一种全对称共模差模信号分离器及其多输入加减法运算器。

本发明所要解决的技术问题是通过下述技术方案实现的。

一种全对称共模差模信号分离器，有两个自然信号输入端、一个接地端、两个差模信号输出端和一个共模信号输出端；全对称共模差模信号分离器由两个信号叠加放大器和一个共模信号测算电路组成，两个信号叠加放大器结构相同，均采用加法电路或减法电路；每个信号叠加放大器都有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端为自然信号输入端分别接作全对称共模差模信号分离器的自然信号输入端、另一个输入端为共模信号输入端均接共模信号测算电路的输出端，两个信号叠加放大器的输出端分别为全对称共模差模信号分离器的差模信号输出端；共模信号测算电路有两个输入端、一个接地端和一个输出端，两个输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，共模信号测算电路的输出端即为全对称共模差模信号分离器的共模信号输出端，共模信号测算电路将两个输入信号的均值进行高倍放大后输出；全对称共模差模信号分离器结构对称，共模信号测算电路与信号叠加放大器构成闭环并形成负反馈，全对称共模差模信号分离器的两个差模输出信号互补对称。

所述的信号叠加放大器均由运算放大器和电阻组成，运算放大器的同相输入端直接作为信号叠加放大器的电压型自然信号输入端或者通过电阻接作信号叠加放大器的电压型自然信号输入端，运算放大器的反相输入端通过反馈电阻接运算放大器的输出端、同时通过电阻接作信号叠加放大器的共模信号输入端，运算放大器的输出端同时也是信号叠加放大器的输出端；所述的共模信号测算电路主要由电压均值电路和高增益运算放大器组成，电压均值电路由两个阻值相等的电阻串接构成，两个串接电阻的两端作为电压均值电路的输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，两个串接电阻的公共端即为电压均值电路的输出端；高增益运算放大器的反相输入端直接接地或通过电阻接地，高增益运算放大器的同相输入端接电压均值电路的输出端，高增益运算放大器的输出端即为共模信号测算电路的输出端。

所述的信号叠加放大器均由运算放大器和电阻组成，运算放大器的同相输入端直接接地或通过电阻接地，运算放大器的反相输入端直接作为信号叠加放大器的电流型自然信号输入端、且通过反馈电阻接运算放大器的输出端、同时通过电阻接作信号叠加放大器的共模信号输入端，运算放大器的输出端同时也是信号叠加放大器的输出端；所述的共模信号测算电路主要由电压均值电路和高增益运算放大器组成，电压均值电路由两个阻值相等的电阻串接构成，两个串接电阻的两端作为电压均值电路的输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，两个串接电阻的公共端即为电压均值电路的输出端；高增益运算放大器的反相输入端直接接地或通过电阻接地，高增益运算放大器的同相输入端接电压均值电路的输出端，高增益运算放大器的输出端即为共模信号测算电路的输出端。

所述的信号叠加放大器均由运算放大器和电阻组成，运算放大器的同相输入端直接接地或通过电阻接地，运算放大器的反相输入端通过电阻接作信号叠加放大器的低阻电压型自然信号输入端、且通过反馈电阻接运算放大器的输出端、同时通过电阻接作信号叠加放大器的共模信号输入端，运算放大器的输出端同时也是信号叠加放大器的输出端；所述的共模信号测算电路主要由电压均值电路和高增益运算放大器组成，电压均值电路由两个阻值相等的电阻串接构成，两个串接电阻的两端作为电压均值电路的输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，两个串接电阻的公共端即为电压均值电路的输出端；高增益运算放大器的反相输入端直接接地或通过电阻接地，高增益运算放大器的同相输入端接电压均值电路的输出端，高增益运算放大器的输出端即为共模信号测算电路的输出端。

一种包含全对称共模差模信号分离器的多输入加减法运算器，多输入加减法运算器有两个自然电压信号输入端、两个自然电流信号输入端、一个辅助电压信号输入端、两个差模信号输出端和一个共模信号输出端；所述的信号叠加放大器均由运算放大器和电阻组成，运算放大器的同相输入端直接作为信号叠加放大器的电压型自然信号输入端或者通过电阻接作信号叠加放大器的电压型自然信号输入端，运算放大器的反相输入端直接作为信号叠加放大器的电流型自然信号输入端、且通过反馈电阻接运算放大器的输出端、同时通过电阻接作信号叠加放大器的共模信号输入端，运算放大器的输出端同时也是信号叠加放大器的输出端；所述的共模信号测算电路主要由电压均值电路和高增益运算放大器组成，电压均值电路由两个阻值相等的电阻串接构成，两个串接电阻的两端作为电压均值电路的输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，两个串接电阻的公共端即为电压均值电路的输出端；高增益运算放大器的反相输入端直接或通过电阻接作辅助信号输入端，高增益运算放大器的同相输入端接电压均值电路的输出端，高增益运算放大器的输出端即为共模信号测算电路的输出端。

另一种全对称共模差模信号分离器的多输入加减法运算器，多输入加减法运算器有两个高阻自然电压信号输入端、两个低阻自然电压信号输入端、一个辅助电压信号输入端、两个差模信号输出端和一个共模信号输出端；所述的信号叠加放大器均由运算放大器和电阻组成，运算放大器的同相输入端直接作为信号叠加放大器的高阻自然电压信号输入端或者通过电阻接作信号叠加放大器的高阻自然电压信号输入端，运算放大器的反相输入端通过电阻接作信号叠加放大器的低阻自然电压信号输入端、且通过反馈电阻接运算放大器的输出端、同时通过电阻接作信号叠加放大器的共模信号输入端，运算放大器的输出端同时也是信号叠加放大器的输出端；所述的共模信号测算电路主要由电压均值电路和高增益运算放大器组成，电压均值电路由两个阻值相等的电阻串接构成，两个串接电阻的两端作为电压均值电路的输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，两个串接电阻的公共端即为电压均值电路的输出端；高增益运算放大器的反相输入端直接或通过电阻接作辅助信号输入端，高增益运算放大器的同相输入端接电压均值电路的输出端，高增益运算放大器的输出端即为共模信号测算电路的输出端。

具有两个自然信号输入端、两个差模信号输出端和一个共模信号输出端的全对称共模差模信号分离器由A侧信号叠加放大器、B侧信号叠加放大器和共模信号测算电路组成，信号叠加放大器通常采用模拟信号加法电路或减法电路，而共模信号测算电路由电压均值电路和高增益运算放大器组成，其框图如图1所示。A侧与B侧的信号叠加放大器各有两个输入端分别接自然信号输入端和共模信号测算放大器的输出端，而两个信号叠加放大器的输出端即为两个差模信号输出端，电压均值电路的两个输入端分别接两个信号叠加放大器的输出端，高增益运算放大器的两个输入端一个接电压均值电路的输出端、另一个直接接地或通过电阻接地，高增益运算放大器的输出端也是共模信号测算电路的输出端输出共模信号。

电压均值电路的输出信号是两个差模信号的平均值，该均值信号进入高增益运算放大器与接地零信号比较，由于高增益运算放大器具有极高的放大倍数，共模信号测算电路与信号叠加放大器构成闭环并形成负反馈，而信号叠加放大器的放大倍数为低倍有限确定值，共模信号测算电路输出有限大小的信号，两个差模信号平均值的大小趋于零，两个差模信号输出端输出的信号互补对称，即大小相等、极性相反的信号。

总体上共模信号测算电路的高增益运算放大器通过电压均值电路同时与两个信号叠加放大器构成负反馈，共模信号测算放大器输出一个与两个自然信号相加成比例的信号，这个信号视为共模信号。由于两个信号叠加放大器结构对称，两个信号叠加放大器输出端之间的电压与两个自然输入信号差值成比例，两个信号叠加放大器的输出端输出互补对称且与两个自然输入信号差值成比例的信号，这两个信号视为差模信号。由此，可以通过全对称共模差模信号分离器将两个自然输入信号分解一个共模信号和两个互补对称的差模信号，实现共模信号与差模信号的分离。

由于共模输出信号也是两个自然输入信号的加法，差模输出信号也是两个自然输入信号的减法，全对称共模差模信号分离器或多输入加减法运算器同时还具有加法与减法的功能，由于结构的对称性其加减法比普通的加减法器效果更好。特别是多输入加减法运算器由于有四个两组不同类型的输入和一个辅助电压信号输入，使用更加灵活、功能更为多样。

采用运算放大器与电阻实现的全对称共模差模信号分离器及其多输入加减法运算器采用深负反馈技术其输出信号的大小仅取决于输入信号与电路中的电阻参数，极易构成高精度模拟信号运算处理电路，实现高性能信号处理功能。

全对称共模差模信号分离器及其多输入加减法运算器由运算放大器与电阻构成，具有结构简单、性能良好、成本低廉、参数整定方便、使用灵活、功能多样等特点，在模拟信号变换与处理、信号运算、模拟信号差分传输等电子电路应用中有着广泛的实用价值。

附图说明

图1全对称共模差模信号分离器框图。

图2a普通电压型全对称共模差模信号分离器。

图2b常规电压型全对称共模差模信号分离器。

图2c简约电压型全对称共模差模信号分离器。

图3a普通电流型全对称共模差模信号分离器。

图3b常规电流型全对称共模差模信号分离器。

图3c简约电流型全对称共模差模信号分离器。

图4a普通电压电流型多输入加减法运算器。

图4b常规电压电流型多输入加减法运算器。

图4c简约电压电流型多输入加减法运算器。

图5低阻型全对称共模差模信号分离器。

图6高阻低阻双电压型多输入加减法运算器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

普通电压型全对称共模差模信号分离器如图2a所示，两个信号叠加放大器A侧信号叠加放大器和B侧信号叠加放大器结构相同，分别由运算放大器A1a、A1b和电阻R₁、R₂、R₄组成，共模信号测算电路由电压均值电路和高增益运算放大器A0及电阻R₀组成，而电压均值电路由两个电阻R₃组成。

运算放大器A1a、A1b的同相输入端通过电阻R₄接作自然信号输入端u_ia、u_ib，运算放大器A1a、A1b的反相输入端通过反馈电阻R₂接运算放大器A1a、A1b的输出端、同时通过电阻R₁接运算放大器A0的输出端，运算放大器A1a、A1b的输出端即为全对称共模差模信号分离器的差模信号输出端u_od-、u_od+。

信号叠加放大器采用减法电路形式，其输入输出的关系为：

电压均值电路的两个电阻R₃串接，两端分别接运算放大器A1a、A1b的输出端，高增益运算放大器A0的同相输入端接两个电阻R₃的公共端，高增益运算放大器A0的反相输入端通过电阻R₀接地，高增益运算放大器A0的输出端即为全对称共模差模信号分离器的共模信号输出端u_oc。

共模信号测算电路将全对称共模差模信号分离器的两个差模输出信号的均值与零电位比较，由于电路采用深负反馈，两个差模信号输出电压满足：

由此即可得到：

显然，共模输出信号u_oc与两个自然输入信号u_ia、u_ib之和成正比，差模输出信号u_od-、u_od+与两个自然输入信号u_ia、u_ib之差成正比，从而实现对两个自然信号的共模差模信号分离功能。

为简化电路的输入输出关系，取R₂＝R₁＝R，得到常规电压型全对称共模差模信号分离器，如图2b所示，此时共模输出信号、差模输出信号与两个自然输入信号的关系为：

u_oc＝u_ia+u_ib

u_od-＝u_ia-u_ib

u_od+＝u_ib-u_ia

为进一步简化电路可以取R₃＝R₂＝R₁＝R，并将R₀、R₄短路，得到简约电压型全对称共模差模信号分离器，如图2c所示，电路进一步简化，但共模输出信号、差模输出信号与两个自然输入信号的关系与常规电压高阻型全对称共模差模信号分离器的相同。

实施例2

普通电流型全对称共模差模信号分离器如图3a所示，两个信号叠加放大器A侧信号叠加放大器和B侧信号叠加放大器结构相同，分别由运算放大器A1a、A1b和电阻R₁、R₂、R₄组成。

运算放大器A1a、A1b的同相输入端通过电阻R₄接地，运算放大器A1a、A1b的反相输入端接作自然信号输入端i_ib、i_ia、且通过反馈电阻R₂接运算放大器A1a、A1b的输出端、同时通过电阻R₁接运算放大器A0的输出端，运算放大器A1a、A1b的输出端即为全对称共模差模信号分离器的差模信号输出端u_od-、u_od+。

信号叠加放大器采用加法电路形式，其输入输出的关系为：

由于电路采用深负反馈，两个差模信号输出电压满足：

由此即可得到：

显然，共模输出信号u_oc与两个自然输入信号i_ia、i_ib之和成正比，差模输出信号u_od-、u_od+与两个自然输入信号i_ia、i_ib之差成正比，从而实现对两个自然信号的共模差模信号分离功能。

为简化电路的输入输出关系，取R₂＝R₁＝R，得到常规电流型全对称共模差模信号分离器，如图3b所示，此时共模输出信号、差模输出信号与两个自然输入信号的关系为：

为进一步简化电路可以取R₃＝R₂＝R₁＝R，并将R₀、R₄短路，得到简约电压高阻型全对称共模差模信号分离器，如图3c所示，电路进一步简化，但共模输出信号、差模输出信号与两个自然输入信号的关系与常规电流型全对称共模差模信号分离器的相同。

实施例3

普通电压电流型多输入加减法运算器如图4a所示，两个信号叠加放大器A侧信号叠加放大器和B侧信号叠加放大器结构相同，分别由运算放大器A1a、A1b和电阻R₁、R₂、R₄组成。

运算放大器A1a、A1b的同相输入端通过电阻R₄接作自然信号输入端u_ia、u_ib，运算放大器A1a、A1b的反相输入端接作自然信号输入端i_ib、i_ia、且通过反馈电阻R₂接运算放大器A1a、A1b的输出端、同时通过电阻R₁接运算放大器A0的输出端，运算放大器A1a、A1b的输出端即为全对称共模差模信号分离器的差模信号输出端u_od-、u_od+。

电压均值电路的两个电阻R₃串接，两端分别接运算放大器A1a、A1b的输出端，高增益运算放大器A0的同相输入端接两个电阻R₃的公共端，高增益运算放大器A0的反相输入端通过电阻R₀接辅助信号输入端u_i0，高增益运算放大器A0的输出端即为全对称共模差模信号分离器的共模信号输出端u_oc。

信号叠加放大器采用加减法电路形式，根据叠加原理可以得到输入输出关系为：

显然，共模输出信号u_oc、差模输出信号u_od-、u_od+与两个电压自然输入信号u_ia、u_ib及两个电流自然输入信号i_ia、i_ib相关，从而实现更多的模拟运算功能。

为简化电路的输入输出关系，取R₂＝R₁＝R，得到常规电压电流型多输入加减法运算器，如图4b所示，此时输入输出关系为：

为进一步简化电路可以取R₃＝R₂＝R₁＝R，并将R₀、R₄短路，得到简约电压电流型多输入加减法运算器，如图4c所示，电路进一步简化，但输入输出关系与常规电压电流型多输入加减法运算器的相同。

实施例4

低阻型全对称共模差模信号分离器如图5所示，两个信号叠加放大器A侧信号叠加放大器和B侧信号叠加放大器结构相同，分别由运算放大器A1a、A1b和电阻R₁、R₂、R₄、R₅组成。

运算放大器A1a、A1b的同相输入端通过电阻R₄接地，运算放大器A1a、A1b的反相输入端通过电阻R₅接作自然信号输入端v_ib、v_ia、且通过反馈电阻R₂接运算放大器A1a、A1b的输出端、同时通过电阻R₁接运算放大器A0的输出端，运算放大器A1a、A1b的输出端即为全对称共模差模信号分离器的差模信号输出端u_od-、u_od+。

信号叠加放大器采用加法电路形式，其输入输出的关系为：

由于电路采用深负反馈，两个差模信号输出电压满足：

由此即可得到：

显然，共模输出信号u_oc与两个自然输入信号v_ia、v_ib之和成正比，差模输出信号u_od-、u_od+与两个自然输入信号v_ia、v_ib之差成正比，从而实现对两个自然信号的共模差模信号分离功能。

当R₂＝R₁＝R₅时，共模输出信号、差模输出信号与两个自然输入信号的关系为：

当R₂＝R₁＝2R₅时，共模输出信号、差模输出信号与两个自然输入信号的关系为：

u_oc＝-(v_ia+v_ib)

u_od-＝v_ia-v_ib

u_od+＝v_ib-v_ia

显然，取不同的电阻值可以得到不同系数输入输出关系。

实施例5

高阻低阻双电压型多输入加减法运算器如图6所示，两个信号叠加放大器A侧信号叠加放大器和B侧信号叠加放大器结构相同，分别由运算放大器A1a、A1b和电阻R₁、R₂、R₄、R₅组成。

运算放大器A1a、A1b的同相输入端通过电阻R₄接作第一组自然电压信号输入端u_ia、u_ib，运算放大器A1a、A1b的反相输入端通过电阻R₅接作第二组自然电压信号输入端v_ib、v_ia、且通过反馈电阻R₂接运算放大器A1a、A1b的输出端、同时还通过电阻R₁接运算放大器A0的输出端，运算放大器A1a、A1b的输出端即为全对称共模差模信号分离器的差模信号输出端u_od-、u_od+。

电压均值电路的两个电阻R₃串接，两端分别接运算放大器A1a、A1b的输出端，高增益运算放大器A0的同相输入端接两个电阻R₃的公共端，高增益运算放大器A0的反相输入端通过电阻R₀接辅助信号输入端u_i0，高增益运算放大器A0的输出端即为全对称共模差模信号分离器的共模信号输出端u_oc。

信号叠加放大器采用加减法电路形式，共模输出信号u_oc、差模输出信号u_od-、u_od+与两个高阻电压自然输入信号u_ia、u_ib和两个低阻电压自然输入信号v_ia、v_ib及辅助输入信号u_i0相关，从而实现更多的模拟运算功能。