CN101964647A - 一种脉宽信号占空比检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉宽信号占空比检测电路，通过设置斜坡产生电路、脉冲产生电路及采样保持电路，由斜坡产生电路生成一个固定的斜坡信号，由脉冲产生电路通过监测被测脉宽信号输出脉冲信号，而采样保持电路则在脉冲信号的控制下对斜坡信号进行采样，并保持斜坡信号在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值作为采样保持电路的输出信号，保持下来的电压值与被测脉宽信号占空比存在直接函数关系，保持下来的电压值的大小反映了脉宽信号占空比的大小，且具有实时反映脉宽信号占空比大小的功能，能逐周期检测脉宽信号占空比的大小，提高了脉宽信号占空比检测电路的可靠性，同时由于本检测电路不需要很大的电阻和电容，这样大大提高了电路的集成度。

Description

一种脉宽信号占空比检测电路

技术领域

本发明涉及一种占空比（Duty Ratio）检测技术，尤其是涉及一种脉宽信号占空比检测电路。

背景技术

传统的脉宽信号占空比检测电路如图7所示，其包括一电阻71和一电容72，该电阻71和电容72构成一个RC积分器，电阻71的一端接入被测脉宽信号，电阻71的另一端与电容72的一端相连接，电容72的另一端接地，电阻71与电容72的公共连接端为该检测电路的输出端。图7所示的传统的脉宽信号占空比检测电路的基本工作原理是利用RC积分器直接对被测脉宽信号进行积分运算，其稳态输出为一个近似于三角波的电压信号，如图8所示，该三角波电压信号含有较大的纹波，该三角波电压信号的平均值能表示脉宽信号占空比的大小。但是，在实际应用中，往往要求该三角波电压信号具有很小的纹波，根据该传统的脉宽信号占空比检测电路的基本工作原理，需要很大的电阻71和电容72才能满足实际要求。然而，大的电阻71和大的电容72不仅要占用很大的面积，降低集成电路的集成度，而且此RC积分器的零状态响应需要很长时间才能稳定。因此，当脉宽信号占空比发生变化时，该传统的脉宽信号占空比检测电路不能实时监测脉宽信号占空比的大小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效提高集成电路的集成度和可靠性，且能够达到实时监测脉宽信号占空比的目的的脉宽信号占空比检测电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种脉宽信号占空比检测电路，其特征在于包括斜坡产生电路、脉冲产生电路和采样保持电路，所述的斜坡产生电路的输入端输入时钟输入信号，所述的斜坡产生电路根据时钟输入信号输出一个固定的斜坡信号，该斜坡信号的周期与被测脉宽信号的周期大小相同，所述的脉冲产生电路的输入端输入被测脉宽信号，所述的脉冲产生电路通过监测被测脉宽信号输出脉冲信号，所述的脉冲产生电路在被测脉宽信号的每个下降沿时刻输出一个高电平的窄脉冲信号，所述的采样保持电路的输入端输入所述的斜坡产生电路输出的斜坡信号，所述的采样保持电路在所述的脉冲产生电路输出的脉冲信号的控制下对斜坡信号进行采样，并保持斜坡信号在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值，所述的采样保持电路的输出端输出其保持的电压值，当前周期的电压值等于斜坡信号在当前周期开始时刻的斜坡电压加上斜坡信号在当前周期结束时刻的斜坡电压减去斜坡信号在当前周期开始时刻的斜坡电压的值与被测脉宽信号的占空比的乘积。

所述的采样保持电路连接有电压缓冲放大电路，所述的电压缓冲放大电路的输入端输入所述的采样保持电路输出的电压值，所述的电压缓冲放大电路对输入的电压值进行放大处理，所述的电压缓冲放大电路的输出端输出放大后的电压值，该放大后的电压值等于所述的电压缓冲放大电路的增益与所述的采样保持电路输出的电压值的乘积。

所述的斜坡产生电路主要由电流源、偏置电压源、PMOS管、NMOS管和第一电容器组成，所述的PMOS管的栅极与所述的NMOS管的栅极相连接，其公共连接端接入时钟输入信号，所述的PMOS管的漏极与所述的电流源的一端相连接，所述的电流源的另一端接电源电压，所述的电流源的电流的参考方向为电源电压指向所述的PMOS管的漏极，所述的PMOS管的源极和衬底均与所述的NMOS管的漏极相连接，所述的NMOS管的源极和衬底均与所述的偏置电压源的正极相连接，所述的偏置电压源的负极接地，所述的第一电容器连接于所述的NMOS管的漏极与所述的偏置电压源的负极之间，所述的PMOS管的源极和衬底与所述的NMOS管的漏极的公共连接端为所述的斜坡产生电路的输出端，所述的斜坡产生电路的输出端输出斜坡信号。

所述的脉冲产生电路主要由第一反相器、第二反相器、第三反相器、与非门和延时电容器组成，所述的第一反相器的输入端输入被测脉宽信号，所述的第一反相器的输出端分别与所述的第二反相器的输入端和所述的与非门的第二输入端相连接，所述的第二反相器的输出端分别与所述的与非门的第一输入端和所述的延时电容器的上极板相连接，所述的延时电容器的下极板接地，所述的与非门的输出端与所述的第三反相器的输入端相连接，所述的第三反相器的输出端为所述的脉冲产生电路的输出端，所述的脉冲产生电路的输出端输出脉冲信号，所述的脉冲产生电路在被测脉宽信号的每个下降沿时刻输出一个高电平的窄脉冲信号。

所述的采样保持电路主要由可控开关和第二电容器组成，所述的可控开关的一端接入所述的斜坡产生电路的输出端输出的斜坡信号，所述的可控开关的闭合与断开由所述的脉冲产生电路的输出端输出的脉冲信号控制，当脉冲信号为高电平时所述的可控开关闭合，当脉冲信号为低电平时所述的可控开关断开，所述的可控开关的另一端与所述的第二电容器的一端相连接，所述的第二电容器的另一端接地，所述的可控开关与所述的第二电容器的公共连接端为所述的采样保持电路的输出端，所述的采样保持电路的输出端输出斜坡信号在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值。

    与现有技术相比，本发明的优点在于通过设置斜坡产生电路、脉冲产生电路及采样保持电路，由斜坡产生电路生成一个固定的斜坡信号，由脉冲产生电路通过监测被测脉宽信号输出脉冲信号，而采样保持电路则在脉冲信号的控制下对斜坡信号进行采样，并保持斜坡信号在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值作为采样保持电路的输出信号，采样保持电路保持下来的电压值与被测脉宽信号占空比存在直接函数关系，保持下来的电压值的大小反映了脉宽信号占空比的大小，且具有实时反映脉宽信号占空比大小的功能，能逐周期检测脉宽信号占空比的大小，提高了脉宽信号占空比检测电路的可靠性，同时由于本发明的检测电路不需要很大的电阻和电容，这样大大提高了脉宽信号占空比检测电路的集成度。本发明的脉宽信号占空比检测电路的输出电压的大小可通过调节斜坡产生电路在周期开始时刻的斜坡电压和周期结束时刻的斜坡电压的大小实现。在采样保持电路的输出端连接一个电压缓冲放大电路，可通过调节电压缓冲放大电路的增益，方便地得到后续电路所需要的电压值，从而达到不同应用下的电压要求。

附图说明

图1为本发明实施例一的脉宽信号占空比检测电路的整体框图；

图2为本发明的斜坡产生电路的电路图；

图3为本发明的脉冲产生电路的电路图；

图4为本发明的采样保持电路的电路图；

图5为本发明实施例二的脉宽信号占空比检测电路的整体框图；

图6a为被测脉宽信号的时序图；

图6b为脉冲产生电路输出的窄脉冲信号的时序图；

图6c为斜坡产生电路输出的斜坡信号的时序图；

图6d为采样保持电路输出的电压信号的时序图；

图6e为电压缓冲放大电路输出的电压信号的时序图；

图7为传统的脉宽信号占空比检测电路的电路图；

图8为传统的脉宽信号占空比检测电路输出的电压信号的时序图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本发明提出的一种脉宽信号占空比检测电路，其框图如图1所示，其包括斜坡产生电路11、脉冲产生电路12和采样保持电路13，斜坡产生电路11的输入端输入时钟输入信号，斜坡产生电路11根据时钟输入信号输出一个固定的斜坡信号Vramp（如图6c所示），该斜坡信号Vramp的周期与被测脉宽信号（如图6a所示）的周期大小相同，且该斜坡信号Vramp的电压值在一个周期内由电压值V1变化到电压值V2，如图6c所示；脉冲产生电路12用来监测被测脉宽信号的下降沿，脉冲产生电路12的输入端输入如图6a所示的被测脉宽信号，脉冲产生电路12通过监测被测脉宽信号输出如图6b所示的脉冲信号Vpulse，脉冲产生电路12在被测脉宽信号的每个下降沿时刻输出一个高电平的窄脉冲信号，如图6b所示；采样保持电路13的输入端输入斜坡产生电路11输出的斜坡信号Vramp，采样保持电路13在脉冲产生电路12输出的脉冲信号Vpulse的控制下对斜坡信号Vramp进行采样，并保持斜坡信号Vramp在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值Vt2，采样保持电路13的输出端输出其保持的电压值Vsh，其时序图如图6d所示；采样保持电路13的输出端输出的当前周期的电压值Vsh等于斜坡信号Vramp在当前周期开始时刻t1的斜坡电压V1加上斜坡信号Vramp在当前周期结束时刻t1+T的斜坡电压V2减去斜坡信号Vramp在当前周期开始时刻t1的斜坡电压V1的值与被测脉宽信号的占空比D的乘积，即Vsh＝Vt2＝V1＋（V2－V1）×D。

在此具体实施例中，斜坡产生电路11的电路图如图2所示，其主要由电流源IB、偏置电压源VB、PMOS管P1、NMOS管N1和第一电容器C1组成，PMOS管P1的栅极与NMOS管N1的栅极相连接，其公共连接端接入时钟输入信号，PMOS管P1的漏极与电流源IB的一端相连接，电流源IB的另一端接电源电压，电流源IB的电流的参考方向为电源电压指向PMOS管P1的漏极，PMOS管P1的源极和衬底均与NMOS管N1的漏极相连接，NMOS管N1的源极和衬底均与偏置电压源VB的正极相连接，偏置电压源VB的负极接地，第一电容器C1连接于NMOS管N1的漏极与偏置电压源VB的负极之间，PMOS管P1的源极和衬底与NMOS管N1的漏极的公共连接端为斜坡产生电路11的输出端，斜坡产生电路11的输出端输出斜坡信号Vramp。

斜坡产生电路11生成的斜坡信号Vramp的初始值为电压值V1，经过一个周期的时间后逐渐上升到电压值V2，该斜坡信号Vramp和被测脉宽信号的同步，即在t1时刻斜坡电压为V1，t2时刻斜坡电压为Vt2，在t1＋T时刻斜坡电压为V2；当时钟输入信号为低电平时，PMOS管P1导通，NMOS管N1截止，电流源IB通过PMOS管P1以恒定电路对第一电容器C1充电，时钟输入信号在高电平结束时，第一电容器C1上的电压被充到V2；当时钟输入信号为高电平时，PMOS管P1截止，NMOS管N1导通，第一电容器C1将通过NMOS管N1和偏置电压源VB以很大的电容放电，在极短时间内放电完毕，放电完毕时的电压约等于偏置电压源VB的电压V1，由此得到如图6c所示的斜坡电压Vramp。

在此，斜坡产生电路11主要用于生成上述斜坡电压，其电路结构无特别要求，除上述的电路结构外还可用现有的其他很多方式实现。

在此具体实施例中，脉冲产生电路12的电路图如图3所示，其主要由第一反相器31、第二反相器32、第三反相器33、与非门34和延时电容器C3组成，第一反相器31的输入端输入被测脉宽信号，第一反相器31的输出端分别与第二反相器32的输入端和与非门34的第二输入端相连接，第二反相器32的输出端分别与与非门34的第一输入端和延时电容器C3的上极板相连接，延时电容器C3的下极板接地，与非门34的输出端与第三反相器33的输入端相连接，第三反相器33的输出端为脉冲产生电路的输出端，脉冲产生电路12的输出端输出脉冲信号Vpulse，脉冲产生电路12在被测脉宽信号的每个下降沿时刻输出一个高电平的窄脉冲信号，如图6b所示。

在被测脉宽信号的下降沿，第一反相器31输出上升沿，第二反相器32输出下降沿，由于反相器存在固有延时，因此第二反相器32的下降沿略滞后于第一反相器31的上升沿，因此这两个信号在输入到与非门34的时候存在同时为高电平的时间，与非门34在这段时间内输出低电平，则第三反相器33输出高电平。由于这段时间由第二反相器32的固有延时产生，时间很短，因此在第二反相器32的输出连接一个延时电容器C3来延长这段时间，使第三反相器33输出高电平的时间足以控制采样保持电路13。当被测脉宽信号为上升沿时，第二反相器32的上升沿略滞后于第一反相器31的下降沿，这两个信号输入到与非门34时存在同时为低电平的时间，而在这段时间内与非门34输出高电平，第三反相器33输出低电平。在其他时间段内，由于与非门34的两个输入端的信号总是保持一高一低，与非门34则保持输出高电平，第三反相器33则保持输出低电平。综上所述，该脉冲产生电路12只有在被测脉宽信号的下降沿时才会输出一个高电平的窄脉冲信号，实现了检测被测脉宽信号下降沿的功能。在此，通过调节延时电容器C3的大小，还可调节在被测脉宽信号的下降沿时输出的高电平的窄脉冲信号的宽度。

在此具体实施例中，采样保持电路13的电路图如图4所示，其主要由可控开关K和第二电容器C2组成，可控开关K的一端接入斜坡产生电路11的输出端输出的斜坡信号Vramp，可控开关K的闭合与断开由脉冲产生电路12的输出端输出的脉冲信号Vpluse控制，当脉冲信号Vpluse为高电平时可控开关K闭合，当脉冲信号Vpluse为低电平时可控开关K断开，可控开关K的另一端与第二电容器C2的一端相连接，第二电容器C2的另一端接地，可控开关K与第二电容器C2的公共连接端为采样保持电路13的输出端，采样保持电路13的输出端输出斜坡信号Vramp在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值Vt2。

本发明的脉宽信号占空比检测电路的基本工作原理为：首先令如图6a所示的被测脉宽信号的周期为T，占空比为D，在t1时刻该被测脉宽信号处在上升沿，在t2时刻该被测脉宽信号处在下降沿，而脉宽信号的占空比大小可以由脉宽信号的下降沿时刻t2减去脉宽信号的上升沿时刻t1，再除以脉宽信号的周期T得到，则脉宽信号的占空比D＝（t2－t1）/T。在脉宽信号的下降沿时刻t2，脉冲产生电路输出一个高电平的窄脉冲信号，该高电平的窄脉冲信号让采样保持电路开始工作即控制采样保持电路的可控开关闭合，采样保持电路对斜坡产生电路生成的斜坡信号在t2时刻的电压值Vt2进行采样，并将此时刻的电压值Vt2保持在第二电容器中，当脉冲产生电路输出的脉冲信号为低电平时，采样保持电路的可控开关断开，此时第二电容器没有放电通路，根据电荷守恒定理，第二电容器上的电压值将被保持不变，即在被测脉宽信号的下一个下降沿来临时，采样保持电路的输出端输出的电压保持恒定值，且有采样保持电路的输出Vsh（如图5d所示）等于斜坡产生电路的输出端输出的斜坡信号Vramp在t2时刻的电压值Vt2。

当脉宽信号占空比发生变化时，t2－t1的值也会相应的发生变化，为了方便理解，首先假设t1时刻不变，因此可以将脉宽信号的占空比的变化看成是t2时刻的变化，当t2时刻发生变化时，采样保持电路对斜坡产生电路生成的斜坡信号进行采样的时刻也在随着t2时刻变化，即每个t2时刻，采样保持电路将对斜坡产生电路生成的斜坡信号进行采样并保持输出斜坡信号在t2时刻的电压值Vt2，电压值Vt2与t2时刻相关。

分析图6c，可得Vt2与V1、V2、t1、t2、周期T和占空比D之间的关系式为（Vt2－V1）/（t2－t1）＝（V2－V1）/T，由于脉宽信号的占空比D＝（t2－t1）/T，这样可以得到Vt2＝V1＋（V2－V1）×（t2－t1）/T＝V1＋（V2－V1）×D，因此采样保持电路的输出端输出的电压Vsh＝Vt2＝V1＋（V2－V1）×D，由此可见，Vsh与被测脉宽信号的占空比D之间存在一个直接的函数关系，Vsh（Vsh= Vt2）的大小反映了脉宽信号占空比的大小，且具有实时反映脉宽信号占空比大小的功能，能逐周期检测脉宽信号占空比的大小。

实施例二：

本实施例与实施例一的电路结构基本相同，不同之处仅在于采样保持电路13连接有电压缓冲放大电路14，如图5所示，电压缓冲放大电路14用来缓冲由采样保持电路13的输出端输出的电压值Vsh，以提高电路的驱动能力。电压缓冲放大电路14的输入端输入采样保持电路13输出的电压值，电压缓冲放大电路14对输入的电压值进行放大处理，电压缓冲放大电路14的输出端输出放大后的电压值Vo，如图6e所示，该放大后的电压值Vo等于电压缓冲放大电路14的增益A与采样保持电路13输出的电压值Vsh的乘积，即Vo＝A×Vsh＝A×[ V1＋（V2－V1）×D]。在此，通过调节电压缓冲放大电路14的增益A，可以很方便地得到后续电路所需要的电压值，以此达到不同应用下的电压要求。

本实施例的电压缓冲放大电路14被短路时，电压缓冲放大电路14的输出即为采样保持电路的输出，类似于实施例一的结构。在此，电压缓冲放大电路14采用现有的电压放大电路。

Claims (5)

1.一种脉宽信号占空比检测电路，其特征在于包括斜坡产生电路、脉冲产生电路和采样保持电路，所述的斜坡产生电路的输入端输入时钟输入信号，所述的斜坡产生电路根据时钟输入信号输出一个固定的斜坡信号，该斜坡信号的周期与被测脉宽信号的周期大小相同，所述的脉冲产生电路的输入端输入被测脉宽信号，所述的脉冲产生电路通过监测被测脉宽信号输出脉冲信号，所述的脉冲产生电路在被测脉宽信号的每个下降沿时刻输出一个高电平的窄脉冲信号，所述的采样保持电路的输入端输入所述的斜坡产生电路输出的斜坡信号，所述的采样保持电路在所述的脉冲产生电路输出的脉冲信号的控制下对斜坡信号进行采样，并保持斜坡信号在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值，所述的采样保持电路的输出端输出其保持的电压值，当前周期的电压值等于斜坡信号在当前周期开始时刻的斜坡电压加上斜坡信号在当前周期结束时刻的斜坡电压减去斜坡信号在当前周期开始时刻的斜坡电压的值与被测脉宽信号的占空比的乘积。

2.根据权利要求1所述的一种脉宽信号占空比检测电路，其特征在于所述的采样保持电路连接有电压缓冲放大电路，所述的电压缓冲放大电路的输入端输入所述的采样保持电路输出的电压值，所述的电压缓冲放大电路对输入的电压值进行放大处理，所述的电压缓冲放大电路的输出端输出放大后的电压值，该放大后的电压值等于所述的电压缓冲放大电路的增益与所述的采样保持电路输出的电压值的乘积。

3.根据权利要求1或2所述的一种脉宽信号占空比检测电路，其特征在于所述的斜坡产生电路主要由电流源、偏置电压源、PMOS管、NMOS管和第一电容器组成，所述的PMOS管的栅极与所述的NMOS管的栅极相连接，其公共连接端接入时钟输入信号，所述的PMOS管的漏极与所述的电流源的一端相连接，所述的电流源的另一端接电源电压，所述的电流源的电流的参考方向为电源电压指向所述的PMOS管的漏极，所述的PMOS管的源极和衬底均与所述的NMOS管的漏极相连接，所述的NMOS管的源极和衬底均与所述的偏置电压源的正极相连接，所述的偏置电压源的负极接地，所述的第一电容器连接于所述的NMOS管的漏极与所述的偏置电压源的负极之间，所述的PMOS管的源极和衬底与所述的NMOS管的漏极的公共连接端为所述的斜坡产生电路的输出端，所述的斜坡产生电路的输出端输出斜坡信号。

4.根据权利要求3所述的一种脉宽信号占空比检测电路，其特征在于所述的脉冲产生电路主要由第一反相器、第二反相器、第三反相器、与非门和延时电容器组成，所述的第一反相器的输入端输入被测脉宽信号，所述的第一反相器的输出端分别与所述的第二反相器的输入端和所述的与非门的第二输入端相连接，所述的第二反相器的输出端分别与所述的与非门的第一输入端和所述的延时电容器的上极板相连接，所述的延时电容器的下极板接地，所述的与非门的输出端与所述的第三反相器的输入端相连接，所述的第三反相器的输出端为所述的脉冲产生电路的输出端，所述的脉冲产生电路的输出端输出脉冲信号，所述的脉冲产生电路在被测脉宽信号的每个下降沿时刻输出一个高电平的窄脉冲信号。

5.根据权利要求4所述的一种脉宽信号占空比检测电路，其特征在于所述的采样保持电路主要由可控开关和第二电容器组成，所述的可控开关的一端接入所述的斜坡产生电路的输出端输出的斜坡信号，所述的可控开关的闭合与断开由所述的脉冲产生电路的输出端输出的脉冲信号控制，当脉冲信号为高电平时所述的可控开关闭合，当脉冲信号为低电平时所述的可控开关断开，所述的可控开关的另一端与所述的第二电容器的一端相连接，所述的第二电容器的另一端接地，所述的可控开关与所述的第二电容器的公共连接端为所述的采样保持电路的输出端，所述的采样保持电路的输出端输出斜坡信号在被测脉宽信号的每个下降沿时刻的电压值。

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