IET Science, Measurement amp; Technology

Design and Characterization of Analog Voltage Compressor and Decompressor

Fayu Wan^1*, Jian Wang¹, Blaise Ravelo²

¹Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing, China

²Normandy University UNIROUEN, ESIGELEC, IRSEEM, EA 4353, F-76000 Rouen, France

^*fayu.wan@nuist.edu.cn

Abstract: This paper introduces an innovative circuit theory of an analog voltage compressor (AVC) and a decompressor (AVD). This electronic function can also be assumed as an analog voltage converter. Analytically, it acts as power function synthesizer topology designed with an analog nonlinear circuit. The AVC/AVD topologies are based on the operational amplifier associated with resistor and non-linear diode components. Given the positive parameter agt;0, the main x-y characteristic of the AVC/AVD is formulated by y=x^a for the input and output x and y, respectively. The synthesis formulas allowing determining the AVC/AVD parameters in function of a are established. To validate the original AVC/AVD concept, static and dynamic simulations and experimentations with a proof-of-concept circuit using the operational amplifier UA741 are carried out. As expected, well correlated x^(1/2)-AVC and x^2-AVD characteristics are realized with the static testing for the voltage range varied from 0 to 9-V and 0 to 3-V for the AVC and AVD circuits, respectively. The same, dynamic test results in good agreement are obtained for the sine wave voltages with frequency varied from DC to 1-kHz. The simulated and experimental results confirm the relevance of the developed compressor/decompressor analog circuit. The AVC/AVD functions for instrumentation system applications can be potentially applied to the amplitude matching especially for digital system.

Keywords: Analog voltage compressor (AVC), analog voltage decompressor (AVD), circuit theory, power function, x-y characteristic, voltage convertor, instrumentation application.

1. Introduction

Nowadays, behind the technological progress, the instrumentations of modern embedded equipmentrsquo;s as aircraft [1-2] and automobile [3-4] systems become more and more complex. Various types of mechanical, hydraulic, magnetic and electrical instrumentations can be found in systems [5-8]. The diagnosis and fault analyses of those systems requires advanced electronic functions [9-10].The constituting electronic systems are usually designed with cohabitation of mixed low- and high-power electronic circuit [11]. To meet the expected standards, different specifications including unexpected transient phenomena must be fulfilled [12]. The electrostatic discharge (ESD) and electromagnetic interference (EMI) [13-15] constitute one high voltage effects susceptible to appear in the low power and digital circuitries. The identification and measurement of these transient effects remains a challenging task for the design and manufacturing engineers [16].

To ensure the functionality notably with the online control and cyber systems [8, 17, 18], adequate interfaces enabling to match the signal level dynamics are necessary. Among proposal solutions against this technological challenge, we would suggest innovative compression and decompression functions applied to analog signal voltages.

• 1. State of the Art on the Voltage Compressor Function

Further attention in terms of reliability, robustness and integrity must be paid against this technological progress [19-20]. The technological constraints can be linked to the fabrication material as conductors, system complexity or the signal distortion. These critical points play on the performances of analog and digital electronic sensors and receiver-transmitter system [21-22]. Different design solutions as mixed mode combination [21], implementation of switched-current analog RAM [22] and low-power high number of bits ADC/DAC [23] were proposed. Innovative architecture of configurable 802.11 standard transmitter has been recently introduced [24]. In addition to these digital and mixed function, improvement was also made on the analog electronic function as amplifier and attenuator [25] for the dynamic signal amplitude matching. Variable and regulated attenuators were introduced to ensure the signal level matching [26-28]. Different technologies of attenuator with parameters control in frequency- and time-domain were invented last two decades [28-34]. Those inventions require further research work facing to the issues of signal and power integrity [35-37]. However, so far, most of technological solutions against digital or mixed circuit interface signal level mismatching were focusing on the familiar concept as the classical function (amplifier, attenuator, phase shifter, delay line hellip;) [21-37].

• 1. Need for Innovative Voltage Compressor

Traditionally, with the spectacular development of digital circuit technology, the electronic functions transmute more and more into numerical function. However, numerical functions are dedicated to operate with a steady state level of voltage corresponding to “1” logic state by assuming that “0” corresponds to GND level. However, the electronic signals usually vary continuously and instantaneously in different range of value. This limitation requires an improvement which can be performed with analog voltage compression (AVC) and decompression (AVD) circuits by using for example compressor or decompressor.

Fig. 1. Illustration of AVC function utility:

(a)distorted, (b) compressed dynamic signals

The main purpose of the present paper is to develop an original electronic function named analog voltage compression (AVC). This innovative electronic function allows to matc

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

模拟电压压缩和减压器的设计与描述

万发雨，王健，Blaise Ravelo

南京信息工程大学，南京，中国

诺曼底大学乌鲁昂，埃西勒克，IRSEEM, EA 4353, F-76000鲁昂，法国

摘要:介绍了一种新颖的模拟电压压缩器(AVC)和减压器(AVD)电路原理。这个电子函数也可以假设为一个模拟电压转换器。在分析上，它作为功率函数合成器拓扑结构设计了一个模拟非线性电路。AVC/AVD拓扑结构是基于与电阻和非线性二极管元件相关联的运算放大器。给定正参数agt;0, AVC/AVD的主要x-y特性由y=x^a分别表示为输入和输出x和y。建立了以a为函数确定AVC/AVD参数的综合公式。为了验证原有的AVC/AVD概念，采用运算放大器UA741进行了概念验证电路的静态和动态仿真实验。通过对AVC和AVD电路电压范围分别为0 ~ 9-V和0 ~ 3-V的静态测试，实现了良好的x^(1/2)-AVC和x^2-AVD特性。对频率为1-kHz的正弦波电压进行了动态测试，得到了较好的一致性。仿真和实验结果验证了所研制的压缩器/减压器模拟电路的实用性。AVC/AVD功能在仪器仪表系统的应用中具有潜在的应用前景，尤其是在数字系统中。

关键词:模拟电压压缩器(AVC)，模拟电压解压缩器(AVD)，电路原理，功率函数，x-y特性，电压变换器，仪表应用。

1.介绍

如今，在技术进步的背后，现代嵌入式设备的仪器如飞器[1-2]和汽车[3-4]系统变得越来越复杂。在系统中可以找到各种类型的器械、液压、磁力和电气仪表[5-8]。这些系统的诊断和故障分析需要先进的电子功能[9-10]。组成电子系统的设计通常采用低功率和大功率混合电路[11]共存的方式。为了满足预期的标准，必须满足不同的规格，包括意外的瞬态现象。静电放电(ESD)和电磁干扰(EMI)[13-15]是低功耗和数字电路中容易出现的一种高压效应。识别和测量这些瞬态效应对设计和制造工程师[16]来说仍然是一个具有挑战性的任务。

为了确保在线控制和网络系统的功能[8,17,18]，需要足够的接口来匹配信号级动态。在针对这一技术挑战的解决方案中，我们建议将创新的压缩和解压缩函数应用于模拟信号电压。

1.1关于压缩器功能的最新状态

在可靠性和完整性方面，必须进一步关注这一技术进步[19-20]。技术约束可以与制作材料如导体、系统复杂性或信号失真等联系起来。这些临界点影响着模拟和数字电子传感器和收发系统的性能[21-22]。提出了混合模式组合[21]、开关电流模拟RAM[22]和低功耗高比特数ADC/DAC[23]的设计方案。最近，[24]引入了可配置802.11标准发射器的创新体系结构。除了这些数字和混合功能外，还对模拟电子功能作为放大器和衰减器[25]进行了改进，实现了动态信号幅度匹配。引入可变衰减器和调节衰减器，保证信号电平匹配[26-28]。近二十年来，人们发明了不同的频率和时域参数控制衰减器技术[28-34]。这些发明需要进一步的研究工作来面对信号和电力完整性的问题[35-37]。然而，到目前为止，针对数字或混合电路接口信号电平失配的技术解决方案大多集中在我们熟悉的经典函数(放大器、衰减器、移相器、延迟线hellip;hellip;)等概念[21-37]。

1.2创新压缩器的需求

传统上，随着数字电路技术的迅猛发展，电子函数越来越多地转化为数值函数。然而，数值函数的作用是通过假设“0”对应GND电平，以对应“1”逻辑状态的稳态电压电平运行。然而，电子信号在不同的取值范围内通常是连续和瞬时变化的。这一限制要求改进，可以用模拟电压压缩(AVC)和解压(AVD)电路来执行，例如使用压缩器或解压器。

本文的主要目的是开发一个原始的电子函数，称为模拟电压压缩(AVC)。这种创新的电子功能可以匹配高电压和低电压。如图1所示，可以将动态范围为|xmax-xmin|的工作模拟信号x(t)与分别表示为xsat和xnoise的饱和噪声分辨率的数字处理电路进行匹配。如图1(a)所示，由于数字处理电路电压的限制，处理后的信号xp(t)会发生失真。为了避免这一技术问题，可以在输入信号和数字电路之间插入AVC函数，如图1(b)所示。

图1.AVC功能实用程序说明：

(a)失真；(b)压缩动态信号

1.3论文提纲

本文主要分为五个主要部分。首先，第一节介绍了本文的研究现状和主要目标。第二部分介绍了为什么AVC和AVD函数可以用于接口数字电子电路和范围外电压信号。第三部分主要是对AVC和AVD模拟电子功能的理论描述。介绍了AVC和AVD的电路合成方法和实现。为了验证AVC和AVD功能，设计并制作了概念验证(POC) pcb。第四部分讨论了静态和动态测试的验证结果。最后，第五部分是结论。

模拟电压压缩器(AVC)和解压器(AVD)功能的一般描述

本节描述了创新的AVC和AVD函数的基本实用功能。介绍了利用这些电子函数对信号幅值不匹配进行校正的方法

2.1AVC函数原理

AVC函数原理是通过改变模拟电压的幅值来减小最大值。图2通过假设输入输出信号x (xmingt;0)和y，表示幅值变化原理，使输入信号动态由|xmax-xmin|降为压缩信号动态|ymax-ymin|。

图2.AVC函数原理的说明

2.2基于AVC和AVD函数的信号幅值图

AVC和AVD操作可以用信号电平的预算来解释。x(t)和y(t)表示输入和输出测试信号。图3(a)和图3(b)分别表示相关的时变信号预算。AVC运算的特征是不等式|xmax-xmin| gt; |ymax-ymin|。与AVC相反，AVD函数增加了信号动态|xmax-xmin| lt; |ymax-ymin|。

(a)

(b)

图3.信号电平预算图

(a)AVC；(b)AVD

2.3AVC和AVD函数的应用

如上一节所述，AVC和AVD函数用于将模拟电压与数字电路连接起来。图4给出了该技术方案配置下的信号电平预算。它包括级联一个avc数字avd电路。AVC将输入的暂态信号x(t)转换为xc(t)，以便在数字电路动态范围|Xcmax-Xcmin|中工作。然后，利用具有互反函数的AVD来保证信号的重构。

图4.AVC-数字电路-AVD的信号电平收支图

模拟电压压缩器(AVC)和解压缩器(AVD)的原理

本节介绍了建立的电路理论的创新AVC和AVD功能。分析了实现所引入的信号压缩的拓扑单元。阐述了该电路的电压变换器x-y特性。然后，提出了AVC和AVD的设计与合成方法。

3.1AVC和AVD函数的解析定义

让我们表示时间信号,x (t) gt; 0和y (t)真正的时间变量和alpha;是真实的积极的常数。该合成器的基本原理是基于幂函数的。从分析的角度看，AVC和AVD函数或x-y特征由数学函数定义:

(1)

alpha;是一个正函数。知道指数和对数性质后，这个方程可以重写为：

(2)

或

(3)

基于系统理论，方程(3)可以通过级联三个基本块函数来实现，如图5所示。

图5.方程等价图(1)

该系统的每一个组成部分将在下一段中介绍。

3.2对数和指数电压函数的基本单元

1. 所述的指数函数可以被合成并实现为由两个基本的模拟电路单元组成的模拟电路。一方面，可以通过分析定义为:

(4)

• n是理想因子，也称为质量因子，有时也称为排放系数
• v = 26mv在室温下通常为25℃，是根据二极管材料特性而定的热电压
• I0是反向偏压饱和电流(或标度电流)。

另一方面，还可以由电流-电压转换器产生，该转换器具有任意电阻R(根据输入电流灵敏度的函数选择)和基于运算放大器的单元产生函数:

(5)

因此，对于理想的运算放大器，可以用图6(a)所示的基本电路实现指数函数。通过表示x (t) = v (t),

V₀=nV_T (6)

我们有这样的表达:

(7)

(a)

(b)

(c)

图6.基元单元

（a）指数，(b)对数，(c)反相比例电路

这个方程的逆对应于倒数指数函数，它是一个对数函数，可以通过电阻和二极管的过流得到，如图6(b)所示。特征方程表示为:

(8)

该放大器功能可以通过运算放大器逆变器或非逆变单元来实现.图6(C)示出了电路原理图。根据电路理论，这个经典线性函数:

(9)

可以用衰减器(小于1)或放大器(gt;1)来实现。

3.3AVC和AVD电路分析

如前所述，AVC和AVD函数是解析幂函数。所发展的典型电压变换器拓扑的基本原理来自于数学概念：

• 当alt;1时，AVC可以理想地用图5所示的系统实现；
• 在另一种情况下，当agt;1时，该系统表现为AVD。

正如方程(1)中所指出的，并如图5所示，它可以通过级联对数和指数单元来实现。图7表示幂函数拓扑的已产生的配置。T型他认为幂函数的拓扑结构由对数单元、第一放大器单元和级联的单元指数组成。

假设运算放大器是理想的，我们具有分析特性：

(10)

它意味着以下特征关系：

(11)

图7.幂函数的实现

为了获得(1)中引入的目标特性，预处理和后处理校正因子：

(12)

在图7所示的电路的输入和输出处添加。它作为一个无单位因子，表示电压的值，在这里由函数来写，以平衡二极管的固有参数V0和I0。电阻R1、R2、R3、R4的合成关系如下:

(13)

由Rx计算电阻Ry，关系式如下:

(14)

值得注意的是，在解压缩操作下，为了避免末级运算放大器饱和(x(T)lt;vcc)，输入信号必须低于：

(15)

为了验证所开发理论的有效性，下一节将给出示例应用程序。将描述概念验证的设计、仿真和实验。该合成器的可行性将通过静态和动态信号测试得到验证。

AVC和AVD函数的模拟与实验验证

本部分主要是设计、制造、仿真和实验验证。POC电路由德州仪器公司的集成元件、电阻R和二极管D以及运算放大器UA741组成。仿真结果在AVC和AVD电路的ADSreg;环境下运行，并与时域测量结果进行了比较。

4.1POC电路描述

为了进行实验测试，在FR4介质基板上实现了经典的集总电阻、二极管和运算放大器。构成AVC和AVD电路POCs的元件规格如表1所示。图8(a)和图8(b)分别给出了被测AVC和AVD POC电路的原理图和照片。它作为低频pcb与经典的电线互连。

a

b

图8 测试POC PCB的照片

1. AVC， (b) AVD

4.2关于验证结果的讨论

为了验证AVC和AVD的拓扑结构，本节对理想计算、ADS仿真和实验方法进行了比较。

4.2.1实验测试协议:图9(a)为实验测试协议框图。图9(b)显示了测量设备与被测电路(切断)之间的连接。

输入测试电压由任意波形发生器(AWG) Agilentreg;33220A提供。切断由 /-Vcc = /- 15v和30ma直流电源Keysightreg;E3631A供电。测试信号由Agilentreg;DSO9404A数字示波器绘制并记录，该示波器具有4 GHz带宽和20 G采样/s采样速率。本文研究的所有测试结果都是用瞬态信号表示输入和输出信号得到的。

图9.实验装置(a)示意图，(b)照片

4.2.2 x-y表征结果:利用锯齿波输入信号进行AVC和AVD x-y表征。

AVC x^(1/2)特性是由周期为T1= 10ms，振幅为xmax= 9v的瞬态信号x产生的。图10显示了理想的模拟结果(“simu.”)和实测结果(“meas.”)之间的比较。根据目标函数x^(1/2)和图5引入的AVC原理

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[20571]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word