專利名稱：二種四象限模擬乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及二種四象限模擬乘法器，屬信號處理與電子設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
模擬乘法器主要有對數(shù)-反對數(shù)型、變跨導(dǎo)型、脈沖高度與寬度調(diào)制型等形式。
對數(shù)-反對數(shù)型模擬乘法器線性度較好，但只能實(shí)現(xiàn)單象限乘法，即輸入變量 均大于零(也不能為零)。
變跨導(dǎo)型模擬乘法器利用半導(dǎo)體器件的可變跨導(dǎo)特性實(shí)現(xiàn)二個(gè)輸入變量乘積， 運(yùn)算速度較高，但精度較低。
對數(shù)-反對數(shù)型模擬乘法器與變跨導(dǎo)型模擬乘法器在應(yīng)用時(shí)外圍元件較多，使用 不夠方便。
脈沖高度與寬度調(diào)制型模擬乘法器精度高、溫漂小，輸出失調(diào)電壓與饋通誤差 較小，應(yīng)用時(shí)外圍元件很少，使用非常方便。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供二種四象限模擬乘法器。 本實(shí)用新型的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種單功能型四象限模擬乘法器，采用雙電源形式供電，有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)乘數(shù)信號輸入端Vx與Vy、 一個(gè)乘 積信號輸出端Vz;其特征在于單功能型四象限模擬乘法器由單輸入互補(bǔ)輸出模擬 信號驅(qū)動器、單功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器、模擬開關(guān)、低通濾波器、電阻 R1與R2組成，單輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即 負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)模擬信號輸入端xxO、 二個(gè)模擬信號輸出端xsl 與xs2，單功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù) 電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)模擬信號輸入端yyO、 二個(gè)開關(guān)信號輸出端ysl與 ys2，模擬開關(guān)有二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)控制信號輸入端scl 與sc2、 二個(gè)模擬信號輸入端ss3與ss4、 一個(gè)復(fù)合信號輸出端ss5，低通濾波器有一 個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)復(fù)合信號輸入端zsO、 一個(gè)模擬信號輸出端zsh模擬信號驅(qū)動器的輸入端xxO接為模擬乘法器的乘數(shù)信號
6輸入端Vx，模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl與xs2分別通過電阻Rl與R2接模擬開關(guān) 的輸入端ss3與ss4， PWM脈沖信號發(fā)生器的輸入端yyO接為模擬乘法器的乘數(shù)信號 輸入端Vy， PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2分別接模擬開關(guān)的輸入端scl 與sc2，模擬開關(guān)的輸出端ss5接低通濾波器的輸入端zsO，低通濾波器的輸出端zsl 接為模擬乘法器的乘積信號輸出端Vz;模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低 通濾波器及模擬開關(guān)的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬乘法器的正負(fù)電 源端+Pv與-Pv，模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低通濾波器的接地端連接 在一起并接為模擬乘法器的接地端GND。
單功能型四象限模擬乘法器的外部連接圖如圖1所示，單功能型四象限模擬乘法 器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
所述的單輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器由運(yùn)算放大器All與A12及電阻RIO、 Rll、 R12組成，運(yùn)放All的正輸入端接為模擬信號驅(qū)動器的輸入端xxO，運(yùn)放All 的負(fù)輸入端與輸出端相連接，運(yùn)放All的輸出端接為模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl， 運(yùn)放A12的正輸入端通過電阻RIO接模擬信號驅(qū)動器的接地端GND，運(yùn)放A12的負(fù) 輸入端通過電阻Rll接運(yùn)放All的輸出端，電阻R12跨接在運(yùn)放A12的輸出端與負(fù) 輸入端之間，運(yùn)放A12的輸出端接為模擬信號驅(qū)動器的輸出端xs2，運(yùn)放A11與A12 的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬信號驅(qū)動器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv; 所述的單功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器由電壓比較器B21與B22及三角波信 號發(fā)生器組成，三角波信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv 與正電源端+Pv、 一個(gè)三角波信號輸出端，比較器B21的正輸入端與B22的負(fù)輸入端 相連接并接為PWM脈沖信號發(fā)生器的輸入端yyO，比較器B21的負(fù)輸入端、B22的 正輸入端與三角波信號發(fā)生器的三角波信號輸出端相連接，比較器B21與B22的輸 出端分別接為PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2，三角波信號發(fā)生器的接地 端接為PWM脈沖信號發(fā)生器的接地端GND，比較器B21與B22及三角波信號發(fā)生 器的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為PWM脈沖信號發(fā)生器的正負(fù)電源端+Pv 與-Pv;所述的模擬開關(guān)由反相驅(qū)動器B31與B32、雙向開關(guān)S31與S32組成，驅(qū)動 器B31與B32的信號輸入端分別接為模擬開關(guān)的輸入端scl與sc2，驅(qū)動器B31與 B32的信號輸出端分別接雙向開關(guān)S31與S32的通斷控制端，雙向開關(guān)S31與S32 串接后兩端分別接為模擬開關(guān)的輸入端ss3與ss4、公共端接為模擬開關(guān)的輸出端ss5，
7驅(qū)動器B31與B32的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬開關(guān)的正負(fù)電源端 +pv與-pv;所述的低通濾波器由運(yùn)算放大器A4、電阻R40與R41及R42、電容C41 與C42組成，運(yùn)放A4的正輸入端通過電阻R40接濾波器的接地端GND，運(yùn)放A4 的負(fù)輸入端通過電阻R42接濾波器的輸入端zsO，電容C42跨接在濾波器的輸入端zsO 與接地端GND之間，電阻R41與電容C41并聯(lián)并跨接在運(yùn)放A4的輸出端與負(fù)輸入 端之間，運(yùn)放A4的輸出端接為濾波器輸出端zsl，運(yùn)放A4的正負(fù)電源端分別接為濾 波器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv。
單功能型四象限模擬乘法器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。
一種多功能型四象限模擬乘法器，采用雙電源形式供電，有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)差分乘數(shù)信號輸入端Vxl與Vx2、 二個(gè)多功能信號端Vyl與Vy2、 一個(gè)乘積信號輸出端Vz;其特征在于多功能型四 象限模擬乘法器由雙輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器、多功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號 發(fā)生器、模擬開關(guān)、低通濾波器、電阻R1與R2組成，雙輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū) 動器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)差分模擬 信號輸入端xxl與xx2、 二個(gè)模擬信號輸出端xsl與xs2，多功能互補(bǔ)輸出PWM脈 沖信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè) 多功能信號端yyl與yy2、 二個(gè)開關(guān)信號輸出端ysl與ys2，模擬開關(guān)有二個(gè)電源端 即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)控制信號輸入端scl與sc2、 二個(gè)模擬信號輸入 端ss3與ss4、 一個(gè)復(fù)合信號輸出端ss5，低通濾波器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源 端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)復(fù)合信號輸入端zsO、 一個(gè)模擬信號輸出端 zsl;模擬信號驅(qū)動器的差分輸入端xxl與xx2接為模擬乘法器的差分乘數(shù)信號輸入 端Vxl與Vx2，模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl與xs2分別通過電阻Rl與R2接模擬 開關(guān)的輸入端ss3與ss4， PWM脈沖信號發(fā)生器的信號端yyl與yy2分別接為模擬乘 法器的多功能信號端Vyl與Vy2， PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2分別接 模擬開關(guān)的輸入端scl與sc2，模擬開關(guān)的輸出端ss5接低通濾波器的輸入端zsO，低 通濾波器的輸出端zsl接為模擬乘法器的乘積信號輸出端Vz;模擬信號驅(qū)動器、PWM 脈沖信號發(fā)生器、低通濾波器及模擬開關(guān)的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模 擬乘法器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv，模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低通濾 波器的接地端連接在一起并接為模擬乘法器的接地端GND。多功能型四象限模擬乘法器的外部連接圖如圖4所示，多功能型四象限模擬乘法 器的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
所述的雙輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器由運(yùn)算放大器All、 A12、 A13、 A14及 電阻Rll、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18組成，運(yùn)放All與A12的正輸 入端分別接為模擬信號驅(qū)動器的輸入端xxl與xx2，運(yùn)放All與A12的負(fù)輸入端分 別與各自輸出端相連接，運(yùn)放A13與A14的正輸入端分別通過電阻R17與R18接模 擬信號驅(qū)動器的接地端GND、同時(shí)通過電阻R13與R14分別接運(yùn)放A12與All的 輸出端，運(yùn)放A13與A14的負(fù)輸入端通過電阻Rll與R12分別接運(yùn)放All與A12 的輸出端，電阻R15與R16分別跨接在運(yùn)放A13與A14的輸出端與負(fù)輸入端之間， 運(yùn)放A13與A14的輸出端分別接為模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl與xs2，運(yùn)放All、 A12、 A13、 A14的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬信號驅(qū)動器的正負(fù)電 源端+Pv與-Pv;所述的多功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器由電壓比較器B21與 B22、三角波信號發(fā)生器及電阻R20組成，三角波信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)三角波信號輸出端，比較器B21的 正輸入端與B22的負(fù)輸入端相連接并接為PWM脈沖信號發(fā)生器的信號端yy2,三角 波信號發(fā)生器的三角波信號輸出端通過電阻R20與比較器B21的負(fù)輸入端、B22的 正輸入端及PWM脈沖信號發(fā)生器的信號端yyl相連接，比較器B21與B22的輸出 端分別接為PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2，三角波信號發(fā)生器的接地端 接為PWM脈沖信號發(fā)生器的接地端GND，比較器B21與B22及三角波信號發(fā)生器 的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為PWM脈沖信號發(fā)生器的正負(fù)電源端+Pv與 -Pv;所述的模擬開關(guān)由反相驅(qū)動器B31與B32、雙向開關(guān)S31與S32組成，驅(qū)動器 B31與B32的信號輸入端分別接為模擬開關(guān)的輸入端scl與sc2，驅(qū)動器B31與B32 的信號輸出端分別接雙向開關(guān)S31與S32的通斷控制端，雙向開關(guān)S31與S32串接 后兩端分別接為模擬開關(guān)的輸入端ss3與ss4、公共端接為模擬開關(guān)的輸出端ss5，驅(qū) 動器B31與B32的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬開關(guān)的正負(fù)電源端+Pv 與-Pv;所述的低通濾波器由運(yùn)算放大器A4、電阻R40與R41及R42、電容C41與 C42組成，運(yùn)放A4的正輸入端通過電阻R40接濾波器的接地端GND，運(yùn)放A4的負(fù) 輸入端通過電阻R42接濾波器的輸入端zsO，電容C42跨接在濾波器的輸入端zsO與 接地端GND之間，電阻R41與電容C41并聯(lián)并跨接在運(yùn)放A4的輸出端與負(fù)輸入端之間，運(yùn)放A4的輸出端接為濾波器輸出端zsl，運(yùn)放A4的正負(fù)電源端分別接為濾波 器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv。
多功能型四象限模擬乘法器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。
所述的單功能型四象限模擬乘法器集成在一個(gè)單片上作為一個(gè)單片四象限模擬 乘法器使用，單片四象限模擬乘法器共有六個(gè)引腳 一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端 即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)乘數(shù)信號輸入端Vx與Vy、 一個(gè)乘積信號輸出 端Vz，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算功能。
單功能型四象限模擬乘法器的外部連接圖如圖1所示，單功能型四象限模擬乘法 器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。
所述的多功能型四象限模擬乘法器集成在一個(gè)單片上作為一個(gè)單片四象限模擬 乘法器使用，單片PWM發(fā)生器共有八個(gè)引腳 一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù) 電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)差分乘數(shù)信號輸入端Vxl與Vx2、 二個(gè)多功能信號 端Vyl與Vy2、 一個(gè)乘積信號輸出端Vz，應(yīng)用時(shí)四象限模擬乘法器通過外圍電路與 輸入信號的各種不同接法實(shí)現(xiàn)多種乘法運(yùn)算功能。
多功能型四象限模擬乘法器的外部連接圖如圖4所示，多功能型四象限模擬乘法 器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖6所示。
單功能型四象限模擬乘法器，其模擬信號驅(qū)動器的輸入端輸入模擬信號電壓Ux， 輸出二個(gè)極性相反(互補(bǔ))的模擬電壓信號Ux與-Ux; PWM脈沖信號發(fā)生器的輸入 端輸入模擬信號電壓Uy，與三角波信號發(fā)生器輸出的三角波信號電壓進(jìn)行比較，輸 出二個(gè)極性相反(互補(bǔ))的PWM脈沖電壓信號；模擬開關(guān)在二個(gè)PWM脈沖電壓信 號的控制下輪流切換來自模擬信號驅(qū)動器的二個(gè)模擬電壓信號，輸出一個(gè)脈沖幅度與 差合比分別受輸入模擬信號Ux與Uy調(diào)制的脈沖波形，該輸出等效為一個(gè)具有一定 內(nèi)阻的正負(fù)脈沖高度為Ux或-Ux、且脈沖波形差合比為Uy/K的脈沖電壓源輸出； 低通濾波器對脈沖波形進(jìn)行濾波，除去高頻電壓分量，輸出端輸出一個(gè)由二個(gè)模擬輸 入信號相乘得到的模擬乘積信號Uz。四象限模擬乘法器的工作波形圖如圖7所示。
四象限模擬乘法器輸入端Vx輸入模擬電壓Ux，輸入端Vy輸入模擬電壓Uy， 輸出端Vz輸出模擬電壓Uz。
PWM脈沖電壓信號的脈寬差合比(簡稱差合比)g定義為正脈寬T2與負(fù)脈
寬n的差(r2-7v)與整周期(rvD)之比。即0 = i^A
0在正負(fù)脈沖寬度相同時(shí)為O，僅有正脈沖時(shí)為i，僅有負(fù)脈沖時(shí)為-i。
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其中L(p為PWM脈沖信號發(fā)生器中三角波發(fā)生器輸出三角波電壓波形的幅值。
取電阻R1-R2，且從電阻R1、 R2輸入至低通濾波器的輸出，其直流電壓放大
倍數(shù)的絕對值為1。
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其中K=L!p為常數(shù)，四象限模擬乘法器實(shí)現(xiàn)以三角波電壓波形幅值為基準(zhǔn)的模擬
信號乘法功能。四象限模擬乘法器的傳輸特性如圖8a、 8b所示。
多功能型四象限模擬乘法器，其模擬信號驅(qū)動器的二個(gè)輸入端分別輸入模擬電壓
Uxl與Ux2， 二個(gè)輸出端分別輸出模擬電壓(Ux2-Uxl)與(Ux卜Ux2); PWM脈沖信號 發(fā)生器的輸入端yyl通過外接電阻R0輸入模擬電壓Uyl ，輸入端yy2輸入模擬電壓 Uy2，三角波信號發(fā)生器輸出的三角波信號與模擬電壓Uyl分別通過內(nèi)部電阻R20 與外接電阻RO進(jìn)行比例疊加，疊加后的電壓信號與模擬電壓Uy2進(jìn)行比較，輸出二 個(gè)極性相反(互補(bǔ))的PWM脈沖電壓信號，控制模擬開關(guān)輪流切換來自模擬信號驅(qū) 動器的二個(gè)模擬電壓信號，輸出一個(gè)脈沖幅度與差合比分別受輸入模擬信號(Ux2-Uxl) 與(Uy2-AUyl)調(diào)制的脈沖波形，該輸出等效為一個(gè)具有一定內(nèi)阻的正負(fù)脈沖高度為 (Ux2-Uxl)或(Ux1-Ux2)、且脈沖波形差合比為(Uy2-AUyl)/K的脈沖電壓源輸出，經(jīng) 低通濾波輸出乘積信號(Ux2-Uxl)x(Uy2-AUyl一KUz，而A與K為由電阻R0、 R20 及三角波幅值電壓Up決定的比例常數(shù)。
四象限模擬乘法器的輸出信號極性(相對輸入信號)可以通過交換模擬信號驅(qū)動 器與模擬開關(guān)的二個(gè)信號連接、交換PWM脈沖信號發(fā)生器與模擬開關(guān)的二個(gè)信號連 接、模擬開關(guān)驅(qū)動器B31和B32的反相驅(qū)動或同相驅(qū)動設(shè)計(jì)的變化或低通濾波器輸 入輸出反相或同相設(shè)計(jì)的變化即可改變。組成四象限模擬乘法器的PWM脈沖信號發(fā)生器除三角波比較法外還可以用其 它直接生成PWM脈沖的方法實(shí)現(xiàn)，模擬開關(guān)電路除采用二路單刀單擲型的開關(guān)外還 可以采用一路單刀雙擲型的模擬開關(guān)；組成四象限模擬乘法器的電壓比較器可以采用 運(yùn)算放大器或具有類似功能的電路代替，電阻R1與R2也可以放置在開關(guān)S31、 S32 之后或合為一個(gè)電阻置于模擬開關(guān)輸出端與低通濾波器輸入端之間，低通濾波器也可 以采用其它有源或無源、低階或高階形式的濾波器。
通常取電阻R卜R2^R42，其阻值通常(但不限于)取5KQ 50KQ，通常(但不 限于)取電阻R11=R12=R13=R14=R15=R16=R17=R18，通常(但不限于)取電阻 R41=2*R42，電阻RIO、 Rll、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、 R20、 R40、 R41、 R42的阻值通常(但不限于)取5KQ 50KQ。
本四象限模擬乘法器采用雙極性脈沖幅度與差合比雙調(diào)制方式，屬于脈沖高度與 寬度調(diào)制類型的模擬乘法器，由于采用對稱電路使模擬乘法器具有精度高、溫漂小、 輸出失調(diào)電壓與饋通誤差較小等特性，應(yīng)用時(shí)本四象限模擬乘法器所需要的外圍元件 很少，使用非常方便。
本實(shí)用新型四象限模擬乘法器僅采用半導(dǎo)體器件與阻容元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單可 靠、體積小、成本低廉、易于集成化，在信號運(yùn)算與處理、自控系統(tǒng)及電子儀器設(shè)備 等方面有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

圖l單功能型四象限模擬乘法器的外部連接圖。 圖2單功能型四象限模擬乘法器的結(jié)構(gòu)框圖。 圖3單功能型四象限模擬乘法器的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖4多功能型四象限模擬乘法器的外部連接圖。 圖5多功能型四象限模擬乘法器的結(jié)構(gòu)框圖。 圖6多功能型四象限模擬乘法器的結(jié)構(gòu)原理圖。 圖7四象限模擬乘法器的工作波形圖。 圖8a、 8b四象限模擬乘法器的傳輸特性。 圖9四象限模擬除法器結(jié)構(gòu)框圖。 圖10a、 10b四象限模擬除法器的傳輸特性。 圖11開立方器的結(jié)構(gòu)框圖。圖12開立方器的傳輸特性。 圖13平方器的結(jié)構(gòu)框圖。 圖14平方器的傳輸特性。
圖15多功能型四象限模擬乘法器的簡單運(yùn)算應(yīng)用電路。
圖16多功能型四象限模擬乘法器的雙模擬輸入乘法運(yùn)算電路。
圖17a、 17b多功能型四象限模擬乘法器外接基準(zhǔn)三角波乘法運(yùn)算電路。
圖18a、 18b多功能型四象限模擬乘法器的直接PWM輸入乘法運(yùn)算電路。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述。
實(shí)施例l
四象限模擬除法器
四象限模擬除法器結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。
四象限模擬除法器由四象限模擬乘法器M1、 M2、 M3與運(yùn)算放大器A1及電容 Cl組成。
四象限模擬除法器有一個(gè)被除數(shù)信號輸入端(輸入信號Uia)、 一個(gè)除數(shù)信號輸
入端(輸入信號Uib)、 一個(gè)商數(shù)信號輸出端(輸出信號Uo)。
四象限模擬乘法器Ml輸入U(xiǎn)xl=Uia與Uyl=Uib，輸出KiUzl-UiaxUib。 四象限模擬乘法器M2輸入U(xiǎn)x2=Uy2=Uib，輸出K2Uz2=UibxUib。 電容C1跨接在運(yùn)放A1的輸出端與負(fù)輸入端之間，具有穩(wěn)定系統(tǒng)狀態(tài)作用。 運(yùn)放A1的正輸入端接乘法器M1的輸出端，運(yùn)放A1的負(fù)輸入端接乘法器M3
的輸出端，運(yùn)放Al的輸出端接乘法器M3的輸入端Vx，乘法器M2的輸出端接乘法
器M3的輸入端Vy，運(yùn)放Al的輸出端即為四象限模擬除法器的輸出端(輸出電壓
Uo)，艮卩K3Uz3=Ux3xUy3=UoxUz2。
乘法器M2接成平方器，輸出Uz2恒為正(零無效)，即乘法器M3的輸入U(xiǎn)y3
為正，乘法器M3的輸出Uz3與輸入U(xiǎn)x3呈同相關(guān)系，運(yùn)放Al與乘法器M3構(gòu)成負(fù)
反饋系統(tǒng)，由于運(yùn)放A1的調(diào)節(jié)作用，使Uz3二Uzl，故有
其中K=K3*K2/Kl為常數(shù)。
13四象限模擬除法器的傳輸特性如圖10a、 10b所示。
模擬除法器的輸入電壓信號的極性正負(fù)均可，從而實(shí)現(xiàn)四象限模擬除法功能。實(shí)施例2
開立方器
開立方器結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。
開立方器由四象限模擬乘法器M1、 M2與運(yùn)算放大器A1及電容C1組成。開立方器有一個(gè)信號輸入端(輸入信號Ui)、 一個(gè)信號輸出端(輸出信號Uo)。電容C1跨接在運(yùn)放A1的輸出端與負(fù)輸入端之間，具有穩(wěn)定系統(tǒng)狀態(tài)作用。運(yùn)放Al的正輸入端接開立方器的輸入信號Ui，運(yùn)放Al的負(fù)輸入端接乘法器M2的輸出端，運(yùn)放Al的輸出端接乘法器Ml的輸入端Vx與Vy及乘法器M2的輸入端Vx，乘法器M1的輸出端接乘法器M2的輸入端Vy，運(yùn)放A1的輸出即為開立方器的輸出Uo。
四象限模擬乘法器Ml輸入U(xiǎn)xl=Uyl=Uo，輸出KiUzl-UoxUo。四象限模擬乘法器M2輸入U(xiǎn)x2二Uo、 Uy2=Uzl，輸出K2Uz2=UoxUzl 。貝!]: K2Uz2=UoxUzl=UoxUoxUo/Ki。
艮P:乘法器M2的輸出Uz2與Uo同相，運(yùn)放Al與乘法器Ml、 M2構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，由于運(yùn)放A1的調(diào)節(jié)作用，使Uz2-Ui，則有-
其中尺-V^為常數(shù)。開立方器的傳輸特性如圖12所示。開立方器的輸入電壓信號的極性正負(fù)均可。實(shí)施例3
運(yùn)算電路
平方器的結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示，模擬乘法器的輸入端Vx與Vy接同一個(gè)輸入信號，平方器的傳輸特性如圖14所示。
多功能型四象限模擬乘法器的簡單運(yùn)算應(yīng)用電路如圖15所示，乘法器的信號端Vyl懸空，電路實(shí)現(xiàn)(Ux2-Uxl)xUy2=KUz的功能。
多功能型四象限模擬乘法器的雙模擬輸入乘法運(yùn)算電路如圖16所示，電阻R0與PWM脈沖信號發(fā)生器中電阻R20構(gòu)成輸入信號Uyl與三角波信號的疊加電路，四象限模擬乘法器的輸出信號(Ux2-Uxl)x(Uy2-AUy 1 )=KUz 。
多功能型四象限模擬乘法器外接基準(zhǔn)三角波乘法運(yùn)算電路如圖17a、 17b所示，模擬乘法器采用外置的三角波發(fā)生器代替其內(nèi)部的三角波發(fā)生器，外置的三角波發(fā)生器輸出的三角波信號直接接入四象限模擬乘法器的信號端Vyl或Vy2，而信號端Vy2或Vyl直接輸入模擬電壓信號Uy2或Uyl ，實(shí)現(xiàn)(Ux2-Uxl)xUy2=KUz或(Ux2-Uxl)x(-Uyl)=KUz的運(yùn)算功能。
多功能型四象限模擬乘法器的直接PWM輸入乘法運(yùn)算電路如圖18a、 18b所示，乘法器的一個(gè)信號端Vyl或Vy2接地，另一個(gè)信號端Vy2或Vyl直接輸入PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn)模擬信號與PWM脈沖信號差合比的乘積運(yùn)算功能。
1權(quán)利要求1、一種單功能型四象限模擬乘法器，采用雙電源形式供電，有一個(gè)接地端GND、二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、二個(gè)乘數(shù)信號輸入端Vx與Vy、一個(gè)乘積信號輸出端Vz；其特征在于單功能型四象限模擬乘法器由單輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器、單功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器、模擬開關(guān)、低通濾波器、電阻R1與R2組成，單輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器有一個(gè)接地端GND、二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、一個(gè)模擬信號輸入端xx0、二個(gè)模擬信號輸出端xs1與xs2，單功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、一個(gè)模擬信號輸入端yy0、二個(gè)開關(guān)信號輸出端ys1與ys2，模擬開關(guān)有二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、二個(gè)控制信號輸入端sc1與sc2、二個(gè)模擬信號輸入端ss3與ss4、一個(gè)復(fù)合信號輸出端ss5，低通濾波器有一個(gè)接地端GND、二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、一個(gè)復(fù)合信號輸入端zs0、一個(gè)模擬信號輸出端zs1；模擬信號驅(qū)動器的輸入端xx0接為模擬乘法器的乘數(shù)信號輸入端Vx，模擬信號驅(qū)動器的輸出端xs1與xs2分別通過電阻R1與R2接模擬開關(guān)的輸入端ss3與ss4，PWM脈沖信號發(fā)生器的輸入端yy0接為模擬乘法器的乘數(shù)信號輸入端Vy，PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ys1與ys2分別接模擬開關(guān)的輸入端sc1與sc2，模擬開關(guān)的輸出端ss5接低通濾波器的輸入端zs0，低通濾波器的輸出端zs1接為模擬乘法器的乘積信號輸出端Vz；模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低通濾波器及模擬開關(guān)的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬乘法器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv，模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低通濾波器的接地端連接在一起并接為模擬乘法器的接地端GND。
2、 按權(quán)利要求1所述的單功能型四象限模擬乘法器，其特征在于所述的單輸入互 補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器由運(yùn)算放大器All與A12及電阻R10、 Rll、 R12組成， 運(yùn)放All的正輸入端接為模擬信號驅(qū)動器的輸入端xxO，運(yùn)放All的負(fù)輸入端與 輸出端相連接，運(yùn)放All的輸出端接為模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl，運(yùn)放A12 的正輸入端通過電阻R10接模擬信號驅(qū)動器的接地端GND，運(yùn)放A12的負(fù)輸入 端通過電阻Rll接運(yùn)放All的輸出端，電阻R12跨接在運(yùn)放A12的輸出端與負(fù) 輸入端之間，運(yùn)放A12的輸出端接為模擬信號驅(qū)動器的輸出端xs2，運(yùn)放A11與 A12的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬信號驅(qū)動器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv;所述的單功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器由電壓比較器B21與B22 及三角波信號發(fā)生器組成，三角波信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即 負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)三角波信號輸出端，比較器B21的正輸入端與 B22的負(fù)輸入端相連接并接為PWM脈沖信號發(fā)生器的輸入端yy0，比較器B21 的負(fù)輸入端、B22的正輸入端與三角波信號發(fā)生器的三角波信號輸出端相連接， 比較器B21與B22的輸出端分別接為PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2, 三角波信號發(fā)生器的接地端接為PWM脈沖信號發(fā)生器的接地端GND，比較器 B21與B22及三角波信號發(fā)生器的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為PWM 脈沖信號發(fā)生器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv;所述的模擬開關(guān)由反相驅(qū)動器B31與 B32、雙向開關(guān)S31與S32組成，驅(qū)動器B31與B32的信號輸入端分別接為模擬 開關(guān)的輸入端scl與sc2，驅(qū)動器B31與B32的信號輸出端分別接雙向開關(guān)S31 與S32的通斷控制端，雙向開關(guān)S31與S32串接后兩端分別接為模擬丌關(guān)的輸入 端ss3與ss4、公共端接為模擬開關(guān)的輸出端ss5，驅(qū)動器B31與B32的正負(fù)電源 端分別連接在一起并分別接為模擬開關(guān)的正負(fù)電源端+Pv與-Pv;所述的低通濾波 器由運(yùn)算放大器A4、電阻R40與R41及R42、電容C41與C42組成，運(yùn)放A4 的正輸入端通過電阻R40接濾波器的接地端GND，運(yùn)放A4的負(fù)輸入端通過電阻 R42接濾波器的輸入端zs0，電容C42跨接在濾波器的輸入端zs0與接地端GND 之間，電阻R41與電容C41并聯(lián)并跨接在運(yùn)放A4的輸出端與負(fù)輸入端之間，運(yùn) 放A4的輸出端接為濾波器輸出端zsl，運(yùn)放A4的正負(fù)電源端分別接為濾波器的 正負(fù)電源端+Pv與-Pv。
3、 一種多功能型四象限模擬乘法器，采用雙電源形式供電，有一個(gè)接地端GND、 二 個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)差分乘數(shù)信號輸入端Vxl與Vx2、 二個(gè)多功能信號端Vyl與Vy2、 一個(gè)乘積信號輸出端Vz;其特征在于多功能型 四象限模擬乘法器由雙輸入互補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器、多功能互補(bǔ)輸出PWM脈 沖信號發(fā)生器、模擬開關(guān)、低通濾波器、電阻R1與R2組成，雙輸入互補(bǔ)輸出模 擬信號驅(qū)動器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)差分模擬信號輸入端xxl與xx2、 二個(gè)模擬信號輸出端xsl與xs2，多功能互 補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器有一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與 正電源端+Pv、 二個(gè)多功能信號端yyl與yy2、 二個(gè)開關(guān)信號輸出端ysl與ys2，模擬開關(guān)有二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 二個(gè)控制信號輸入端scl 與sc2、 二個(gè)模擬信號輸入端ss3與ss4、 一個(gè)復(fù)合信號輸出端ss5，低通濾波器有 一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)復(fù)合信號輸 入端zs0、 一個(gè)模擬信號輸出端zsl;模擬信號驅(qū)動器的差分輸入端xxl與xx2接 為模擬乘法器的差分乘數(shù)信號輸入端Vxl與Vx2，模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl 與xs2分別通過電阻Rl與R2接模擬開關(guān)的輸入端ss3與ss4， PWM脈沖信號發(fā) 生器的信號端yyl與yy2分別接為模擬乘法器的多功能信號端Vyl與Vy2， PWM 脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2分別接模擬開關(guān)的輸入端scl與sc2，模擬開 關(guān)的輸出端ss5接低通濾波器的輸入端zs0，低通濾波器的輸出端zsl接為模擬乘 法器的乘積信號輸出端Vz;模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低通濾波 器及模擬開關(guān)的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬乘法器的正負(fù)電源端 +Pv與-Pv，模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、低通濾波器的接地端連接 在一起并接為模擬乘法器的接地端GND。
4、按權(quán)利要求3所述的多功能型四象限模擬乘法器，其特征在于所述的雙輸入互 補(bǔ)輸出模擬信號驅(qū)動器由運(yùn)算放大器All、 A12、 A13、 A14及電阻R11、 R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18組成，運(yùn)放All與A12的正輸入端分別接為 模擬信號驅(qū)動器的輸入端xxl與xx2，運(yùn)放All與A12的負(fù)輸入端分別與各自輸 出端相連接，運(yùn)放A13與八14的正輸入端分別通過電阻R17與R18接模擬信號 驅(qū)動器的接地端GND、同時(shí)通過電阻R13與R14分別接運(yùn)放A12與All的輸出 端，運(yùn)放A13與A14的負(fù)輸入端通過電阻R11與R12分別接運(yùn)放A11與A12的 輸出端，電阻R15與R16分別跨接在運(yùn)放A13與A14的輸出端與負(fù)輸入端之間， 運(yùn)放A13與A14的輸出端分別接為模擬信號驅(qū)動器的輸出端xsl與xs2，運(yùn)放A11、 A12、 A13、 A14的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為模擬信號驅(qū)動器的正負(fù) 電源端+Pv與-Pv;所述的多功能互補(bǔ)輸出PWM脈沖信號發(fā)生器由電壓比較器 B21與B22、三角波信號發(fā)生器及電阻R20組成，三角波信號發(fā)生器有一個(gè)接地 端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端+Pv、 一個(gè)三角波信號輸出端， 比較器B21的正輸入端與B22的負(fù)輸入端相連接并接為PWM脈沖信號發(fā)生器的 信號端yy2，三角波信號發(fā)生器的三角波信號輸出端通過電阻R20與比較器B21 的負(fù)輸入端、B22的正輸入端及PWM脈沖信號發(fā)生器的信號端yyl相連接，比較器B21與B22的輸出端分別接為PWM脈沖信號發(fā)生器的輸出端ysl與ys2， 三角波信號發(fā)生器的接地端接為PWM脈沖信號發(fā)生器的接地端GND，比較器 B21與B22及三角波信號發(fā)生器的正負(fù)電源端分別連接在一起并分別接為PWM 脈沖信號發(fā)生器的正負(fù)電源端+Pv與-Pv;所述的模擬開關(guān)由反相驅(qū)動器B31與 B32、雙向開關(guān)S31與S32組成，驅(qū)動器B31與B32的信號輸入端分別接為模擬 開關(guān)的輸入端scl與sc2，驅(qū)動器B31與B32的信號輸出端分別接雙向開關(guān)S31 與S32的通斷控制端，雙向開關(guān)S31與S32串接后兩端分別接為模擬開關(guān)的輸入 端ss3與ss4、公共端接為模擬開關(guān)的輸出端ss5，驅(qū)動器B31與B32的正負(fù)電源 端分別連接在一起并分別接為模擬開關(guān)的正負(fù)電源端+Pv與HPv;所述的低通濾波 器由運(yùn)算放大器A4、電阻R40與R41及R42、電容C41與C42組成，運(yùn)放A4 的正輸入端通過電阻R40接濾波器的接地端GND，運(yùn)放A4的負(fù)輸入端通過電阻 R42接濾波器的輸入端zs0，電容C42跨接在濾波器的輸入端zs0與接地端GND 之間，電阻R41與電容C41并聯(lián)并跨接在運(yùn)放A4的輸出端與負(fù)輸入端之間，運(yùn) 放A4的輸出端接為濾波器輸出端zsl，運(yùn)放A4的正負(fù)電源端分別接為濾波器的 正負(fù)電源端+Pv與-Pv。
5、 按權(quán)利要求1所述的單功能型四象限模擬乘法器，其特征在于單功能型四象限 模擬乘法器集成在一個(gè)單片上作為一個(gè)單片四象限模擬乘法器使用，單片四象限 模擬乘法器共有六個(gè)引腳 一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電 源端+Pv、 二個(gè)乘數(shù)信號輸入端Vx與Vy、 一個(gè)乘積信號輸出端Vz，實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn) 算功能。
6、 按權(quán)利要求3所述的多功能型四象限模擬乘法器，其特征在于多功能型四象限 模擬乘法器集成在一個(gè)單片上作為一個(gè)單片四象限模擬乘法器使用，單片PWM 發(fā)生器共有八個(gè)引腳 一個(gè)接地端GND、 二個(gè)電源端即負(fù)電源端-Pv與正電源端 +Pv、 二個(gè)差分乘數(shù)信號輸入端Vxl與Vx2、 二個(gè)多功能信號端Vyl與Vy2、 一 個(gè)乘積信號輸出端Vz，應(yīng)用時(shí)四象限模擬乘法器通過外圍電路與輸入信號的各種 不同接法實(shí)現(xiàn)多種乘法運(yùn)算功能。
專利摘要本實(shí)用新型涉及二種四象限模擬乘法器，屬信號處理與電子設(shè)備領(lǐng)域。四象限模擬乘法器由模擬信號驅(qū)動器、PWM脈沖信號發(fā)生器、模擬開關(guān)、低通濾波器等組成。模擬信號驅(qū)動器輸入U(xiǎn)x，輸出Ux與-Ux；PWM脈沖信號發(fā)生器輸入U(xiǎn)y，與三角波信號比較，輸出二個(gè)極性相反(互補(bǔ))的PWM脈沖信號控制模擬開關(guān)輪流切換Ux與-Ux，輸出一個(gè)脈沖幅度與差合比均受調(diào)制的脈沖波形，低通濾波器輸出一個(gè)模擬乘積信號Uz＝Ux×Uy/K。本四象限模擬乘法器具有精度高、溫漂小等特性，使用簡便，有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G06G7/161GK201270035SQ20082015465
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者劉宇光, 霞 司, 張金龍, 明 朱, 陳覺曉 申請人:上海大學(xué)