CN101841301A - 欠采样混频电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠采样混频电路，其包括采样控制信号发生器、第一级欠采样电路、第二级欠采样电路以及带通滤波器，采样控制信号发生器的第一输出端连接第一级欠采样电路的控制信号输入端，采样控制信号发生器的第二输出端连接第二级欠采样电路的控制信号输入端，第一级欠采样电路的信号输出端与第二级欠采样电路的信号输入端连接，第二级欠采样电路的信号输出端连接带通滤波器。本发明的优点在于成本低，能够将高频信号转变为低频信号，特别适用于元件检测装置中。

Description

欠采样混频电路

技术领域

本发明涉及信号混频技术领域，特别是一种用欠采样的原理将高频信号混频到低频信号的混频电路。

背景技术

在高频测试电路中，从信号发生器产生的高频信号加载到待测元件上之后产生的测试信号仍然为高频信号，对这些高频信号进行数字化处理的时候，往往因为采样芯片采样频率较低无法满足要求，而导致无法对待测元件进行准确的检测，如果选择采样频率高的采样芯片，成本会很高，而且需要配置相应的高性能的处理芯片，最终导致成本极高或者是根本无法实现对待测元件的检测。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中所述的现有的高频测试电路中现有的采样芯片的采样频率较低，无法满足高频测试电路的需要的问题，提供一种欠采样混频电路。

实现本发明的技术方案如下：

一种欠采样混频电路，其特征在于：其包括采样控制信号发生器、第一级欠采样电路、第二级欠采样电路以及带通滤波器，采样控制信号发生器的第一输出端连接第一级欠采样电路的控制信号输入端，采样控制信号发生器的第二输出端连接第二级欠采样电路的控制信号输入端，第一级欠采样电路的信号输出端与第二级欠采样电路的信号输入端连接，第二级欠采样电路的信号输出端连接带通滤波器。

所述的采样控制信号发生器包括采样频率输入端、D触发器、或门以及非门，所述的采样频率输入端与D触发器的CLK端、第一或门和第二或门的输入端连接，D触发器的输出端Q端连接第一或门的输入端，端连接第二或门的输入端以及D触发器的D端，D触发器的CLR端和PR端连接电源，第一或门的输出端连接第一非门，第二或门的输出端连接第二非门，第一或门的输出端为第二级采样电路的正控制信号输入端，第一非门的输出端为第二级采样电路的负控制信号的输入端，第二或门的输出端为第一级采样电路的正控制信号输入端，第二非门的输出端为第一级采样电路的负控制信号的输入端。

所述的第一级采样电路的正控制信号输入端与第一场效应管、第三场效应管以及第四场效应管的栅极连接，第一场效应管的源极连接待采样信号，第一场效应管的漏极连接第一运放的正输入端和第一电阻，第一电阻另一端接地，第一运放的输出端通过第二电阻连接第一运放的负输入端，第一运放输出端通过第三电阻连接第二场效应管的漏极，第二场效应管的栅极连接第一级采样电路的负控制信号输入端，第二场效应管的源极接地，第三电阻与第三场效应管的源极连接，第三场效应管的漏极连接第二运放的负输入端，第四场效应管的漏极接地，第四场效应管的源极连接第二运放的正输入端，第二运放的输出端为第一级欠采样电路的信号输出端，第四场效应管的源极和漏极之间连接有第一电容，第二运放的负输入端与输出端之间连接有第二电容，第二运放的输出端通过第四电阻与第二场效应管的漏极连接。

所述第一级欠采样电路的信号输出端为第二级欠采样电路的信号输入端，第二极采样电路的信号输入端连接第五场效应管的源极，第二极采样电路的正控制信号输入端连接第五场效应管、第七场效应管以及第八场效应管的栅极，第五场效应管的漏极通过第五电阻连接第六场效应管的漏极，第六场效应管的栅极连接第二极采样电路的负控制信号输入端，第六场效应管的源极接地，第六场效应管的漏极连接第七场效应管的源极，第七场效应管的源极与第三运放的负输入端连接，第八场效应管的源极连接第三运放的正输入端，第八场效应管的漏极接地，第八场效应管的源极与漏极之间连接有第三电容，第三运放的输出端通过第三电容连接第三运放的负输入端，第三运放的输出端通过第六电阻连接第六场效应管的漏极，第三运放的输出端为第二级欠采样电路的信号输出端。

本发明与现有的技术相比具有的有益效果在于因为本发明的欠采样混频电路中设置有采样控制信号发生器、第一级欠采样电路、第二极欠采样电路以及带通滤波器，根据奈奎斯特定理：时间连续信号转换成离散信号时，在一个周期内的采样次数要多于两次，如果采样次数不够，将无法恢复丢失的信号。欠采样后的波形频率会发生变化，但是，如果对电流和电压两信号同步采样的话，生成的两个波形的相对幅度和相位不变，因此，通过欠采样获得的波形仍然能够保证元件测试所需的参量不变，进而保证元件检测的精确性。第一级欠采样电路的采样控制信号fs1为高电平、nfs1为低电平时，第一场效应管、第三场效应管、第四场效应管导通，第二场效应管截止，第一运放完成跟随功能，第二运放完成反向功能，整个第一级欠采样电路可以一比一反向跟随输入信号的变化，当采样控制信号fs1为低电平、nfs1为高电平时，第一场效应管、第三场效应管、第四场效应管截止，第二场效应管导通，第二运放完成保持功能，整个第一级欠采样电路进入保持状态。因为第一级采样电路的采样的孔径时间很长，导致采样到的波形里面采样阶段有很多原来的信号波形，因此需要通过第二级采样电路把这部分波形去掉，第二级欠采样电路的采样控制信号fs2为高电平、nfs2为低电平时，第五场效应管、第七场效应管和第八场效应管导通，第六场效应管截止，第三运放完成反向一比一放大的作用，当采样控制信号fs2为低电平、nfs2为高电平时，第五场效应管、第七场效应管和第八场效应管截止，第六场效应管导通，第三运放完成保持功能。第二级欠采样电路与第一级欠采样电路的采样控制信号不同，因此在第一欠采样电路保持的地方第二级欠采样电路进行采样，因为第一级欠采样电路保持的时候波形时相对平稳的，因此第二极欠采样电路采样时的波形也是平稳的，最终第二欠采样电路的输出波形也是相对平稳的。第二欠采样电路的输出波形经过带通滤波器使输出波形变为平滑的正弦波，该正弦波的频率与输入信号相比发生了改变，实现了高频信号向低频信号的转变，输出波形的频率能够满足通用的采样芯片的采样频率的要求，极大的节省了检测系统的制造成本，而且保证了检测系统的准确性。

附图说明

图1为本发明的方框原理示意图；

图2为本发明的采样控制信号发生器的电路原理图；

图3为本发明的欠采样电路的电路原理图；

图4为本发明的采样控制信号的波形示意图；

图5为经过第一级欠采样电路后的信号示意图；

图6为经过第二级采样电路后的信号示意图；

图7为带通滤波器电路示意图；

图8为经过带通滤波器后的信号示意图；

图9为混频后的信号与输入信号的对比示意图；

图10为应用本发明进行元件检测的检测系统的电路原理图；

具体实施方式

参照附图1至附图9所示的一种欠采样混频电路，其包括采样控制信号发生器、第一级欠采样电路、第二极欠采样电路以及带通滤波器，采样控制信号发生器包括采样频率输入端、D触发器、或门以及非门，所述的采样频率输入端与D触发器的CLK端、第一或门U1A和第二或门U1B的输入端连接，D触发器的输出端Q端连接第一或门U1A的输入端，

端连接第二或门U1B的输入端以及D触发器的D端，D触发器的CLR端和PR端连接电源，第一或门U1A的输出端连接第一非门U2A，第二或门U1B的输出端连接第二非门，第一或门U1A的输出端为第二级采样电路的正控制信号输入端fs2，第一非门U2A的输出端为第二级采样电路的负控制信号的输入端nfs2，第二或门U1B的输出端为第一级采样电路的正控制信号输入端fs1，第二非门U2B的输出端为第一级采样电路的负控制信号的输入端nfs1。所述的第一级采样电路的正控制信号输入端fs1与第一场效应管Q3、第三场效应管Q1以及第四场效应管Q7的栅极连接，第一场效应管Q3的源极连接待采样信号，第一场效应管Q3的漏极连接第一运放U4A的正输入端和第一电阻R6，第一电阻R6另一端接地，第一运放U4A的输出端通过第二电阻R2连接第一运放U4A的负输入端，第一运放U4A输出端通过第三电阻R4连接第二场效应管Q5的漏极，第二场效应管Q5的栅极连接第一级欠采样电路的负控制信号输入端，第二场效应管Q5的源极接地，第三电阻R4与第三场效应管Q1的源极连接，第三场效应管Q1的漏极连接第二运放U4B的负输入端，第四场效应管Q7的漏极接地，第四场效应管Q7的源极连接第二运放U4B的正输入端，第二运放U4B的输出端为第一级欠采样电路的信号输出端vsmp，第四场效应管Q7的源极和漏极之间连接有第一电容C3，第二运放U4B的负输入端与输出端之间连接有第二电容C1，第二运放U4B的输出端通过第四电阻R1与第二场效应管Q5的漏极连接。所述第一级欠采样电路的信号输出端Vsmp为第二级欠采样电路的信号输入端，第二极采样电路的信号输入端连接第五场效应管Q4的源极，第二极采样电路的正控制信号输入端连接第五场效应管Q4、第七场效应管Q2以及第八场效应管Q8的栅极，第五场效应管Q4的漏极通过第五电阻连接第六场效应管Q6的漏极，第六场效应管Q6的栅极连接第二极采样电路的负控制信号输入端，第六场效应管Q6的源极接地，第六场效应管Q6的漏极连接第七场效应管Q2的源极，第七场效应管Q2的源极与第三运放U5A的负输入端连接，第八场效应管Q8的源极连接第三运放U5A的正输入端，第八场效应管Q8的漏极接地，第八场效应管Q8的源极与漏极之间连接有第三电容C4，第三运放U5A的输出端通过第三电容C4连接第三运放U5A的负输入端，第三运放U5A的输出端通过第六电阻R3连接第六场效应管Q6的漏极，第三运放U5A的输出端为第二级欠采样电路的信号输出端vsmp2。第二级欠采样电路的信号输出端vsmp2连接带通滤波器的输入端。所述的运放为AD826双路、高速电压反馈型运算放大器，特别适合要求单位增益稳定性和高输出驱动能力的应用，如缓冲和电缆驱动等。欠采样控制信号发生器的采样频率输入端将方波加载到D触发器的CLK端以及第一或门U1A和第二或门U1B的输入端，D触发器的D端与D触发器的

端连接，Q端与第一或门U1A的输入端连接，端与第二或门U1B的输入端连接，第一或门U1A的输出端输出第二级采样电路的正控制信号fs2，第二或门U1B的输出端输出第一级采样电路的正控制信号fs1，fs1经过第二非门U2B后输出为第一级采样电路的负控制信号nfs1，fs2经过第一非门U2A后输出为第二级采样电路的负控制信号nfs2，根据D触发器的特性，当CLK为低电平时，输出端Q和

不变，当CLK为高电平时，输出端Q与D端电平相同，

与D端电平相反，如图4可见输出的欠采样控制信号fs1、nfs1、fs2和nfs2的波形图。第一级欠采样电路的采样控制信号fs1为高电平、nfs1为低电平时，第一场效应管Q3、第三场效应管Q1、第四场效应管Q7导通，第二场效应管Q5截止，第一运放U4A完成跟随功能，第二运放U4B完成反向功能，整个第一级欠采样电路可以一比一反向跟随输入信号的变化，当采样控制信号fs1为低电平、nfs1为高电平时，第一场效应管Q3、第三场效应管Q1、第四场效应管Q7截止，第二场效应管Q5导通，第二运放U4B完成保持功能，整个第一级欠采样电路进入保持状态。因为第一级采样电路的采样的孔径时间很长，导致采样到的波形里面采样阶段有很多原来的信号波形，因此需要通过第二级采样电路把这部分波形去掉，第二级欠采样电路的采样控制信号fs2为高电平、nfs2为低电平时，第五场效应管Q4、第七场效应管Q2和第八场效应管Q8导通，第六场效应管Q6截止，第三运放U5A完成反向一比一放大的作用，当采样控制信号fs2为低电平、nfs2为高电平时，第五场效应管Q4、第七场效应管Q2和第八场效应管Q8截止，第六场效应管Q6导通，第三运放U5A完成保持功能。第二级欠采样电路与第一级欠采样电路的采样控制信号不同，因此在第一欠采样电路保持的地方第二级欠采样电路进行采样，因为第一级欠采样电路保持的时候波形时相对平稳的，因此第二极欠采样电路采样时的波形也是平稳的，最终第二欠采样电路的输出波形也是相对平稳的。第二欠采样电路的输出波形经过带通滤波器使输出波形变为平滑的正弦波，该正弦波的频率与输入信号相比发生了改变，实现了高频信号向低频信号的转变，输出波形的频率能够满足通用的采样芯片的采样频率的要求，极大的节省了检测系统的制造成本，而且保证了检测系统的准确性。

如图10所示为本发明的一种应用，信号源产生20Hz～5MHz的正弦波，通过限流电阻后加到被测件Zx上，后继的电压检测模块和电流检测模块可以检测被测件Zx上的压降V和流过Zx的电流I，把这个V和I传输到后续的混频电路，再送到后续的ADC进行数模转换，最后把转换好的数字量送给CPU进行计算：Zx＝U/I。这里U和I都是复数。要把时域的正弦波形转换频域的复数量，一个正弦波周期至少要有16个采样点，并且需要16bit的分辨率，所以1kHz的信号至少需要16kHz的采样率。从成本和性价比考虑，选择的是48kHz的双声道音频采样芯片，可以看出，按道理这个AD采样芯片只能采样48k/16＝3kHz的测试信号，则从3KHz～5MHz的信号无法采样，一种方案就是提高ADC的采样率，要满足5MHz并且16点的采样，至少需要80MHz的采样率，80MHz采样率能达到16bit精度的双通道ADC芯片市场上几乎没有，即使有价格也是相当高，而且，即使使用了这种ADC芯片，还要要求CPU的数据吞吐率要高，至少总线速度要大于160MHz，成本极高。本发明采用了欠采样混频电路，对高频电压和高频电流进行混频处理，使其频率降低至1KHZ，并保证原始信号的幅度和相位信息不丢失，使ADC芯片能够对其进行采样，采样后，将数据传输到CPU，得到待测件的相关参数。

Claims (4)

1.一种欠采样混频电路，其特征在于：其包括采样控制信号发生器、第一级欠采样电路、第二级欠采样电路以及带通滤波器，采样控制信号发生器的第一输出端连接第一级欠采样电路的控制信号输入端，采样控制信号发生器的第二输出端连接第二级欠采样电路的控制信号输入端，第一级欠采样电路的信号输出端与第二级欠采样电路的信号输入端连接，第二级欠采样电路的信号输出端连接带通滤波器。

2.根据权利要求1所述的欠采样混频电路，其特征在于：所述的采样控制信号发生器包括采样频率输入端、D触发器、或门以及非门，所述的采样频率输入端与D触发器的CLK端、第一或门和第二或门的输入端连接，D触发器的输出端Q端连接第一或门的输入端，端连接第二或门的输入端以及D触发器的D端，D触发器的CLR端和PR端连接电源，第一或门的输出端连接第一非门，第二或门的输出端连接第二非门，第一或门的输出端为第二级采样电路的正控制信号输入端，第一非门的输出端为第二级采样电路的负控制信号的输入端，第二或门的输出端为第一级采样电路的正控制信号输入端，第二非门的输出端为第一级采样电路的负控制信号的输入端。

3.根据权利要求1所述的欠采样混频电路，其特征在于：所述的第一级采样电路的正控制信号输入端与第一场效应管、第三场效应管以及第四场效应管的栅极连接，第一场效应管的源极连接待采样信号，第一场效应管的漏极连接第一运放的正输入端和第一电阻，第一电阻另一端接地，第一运放的输出端通过第二电阻连接第一运放的负输入端，第一运放输出端通过第三电阻连接第二场效应管的漏极，第二场效应管的栅极连接第一级采样电路的负控制信号输入端，第二场效应管的源极接地，第三电阻与第三场效应管的源极连接，第三场效应管的漏极连接第二运放的负输入端，第四场效应管的漏极接地，第四场效应管的源极连接第二运放的正输入端，第二运放的输出端为第一级欠采样电路的信号输出端，第四场效应管的源极和漏极之间连接有第一电容，第二运放的负输入端与输出端之间连接有第二电容，第二运放的输出端通过第四电阻与第二场效应管的漏极连接。

4.根据权利要求1所述的欠采样混频电路，其特征在于：所述第一级欠采样电路的信号输出端为第二级欠采样电路的信号输入端，第二极采样电路的信号输入端连接第五场效应管的源极，第二极采样电路的正控制信号输入端连接第五场效应管、第七场效应管以及第八场效应管的栅极，第五场效应管的漏极通过第五电阻连接第六场效应管的漏极，第六场效应管的栅极连接第二极采样电路的负控制信号输入端，第六场效应管的源极接地，第六场效应管的漏极连接第七场效应管的源极，第七场效应管的源极与第三运放的负输入端连接，第八场效应管的源极连接第三运放的正输入端，第八场效应管的漏极接地，第八场效应管的源极与漏极之间连接有第三电容，第三运放的输出端通过第三电容连接第三运放的负输入端，第三运放的输出端通过第六电阻连接第六场效应管的漏极，第三运放的输出端为第二级欠采样电路的信号输出端。

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