CN102857200B - 一种信号波形变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种信号波形变换电路，包括电子开关单元与差动输出单元；其中，所述电子开关单元将输入信号转化为两个同相的输出信号，再由所述差动输出单元输出两个同相的输出信号的差值，转化输入信号为直流信号，不需要采用将输入信号转化为“馒头波”，再转化为直流信号，可以解决在将输入信号转化为“馒头波”中引入二极管造成的精度下降的问题，以及将“馒头波”转化为直波信号中引入的电容造成的延时较长的问题。

Description

一种信号波形变换电路

技术领域

本发明涉及信号波形变换技术领域，尤其涉及一种信号波形变换电路。

背景技术

信号波形变换电路是用于将正弦波、三角波、方波等(或其他多种波形，比如白噪声信号、锯齿波等)输入信号变成另外一种信号形式的电路，现有的波形变换电路如图1所示。

假设输入信号VIN为正弦波，当所述输入信号VIN大于基准电压VREF时，二极管D1截止，二极管D2导通，此时所述输出信号Vout为图2中区域I的图形；当所述输入信号VIN小于基准电压VREF时，二极管D1导通，二极管D2截止，所述输入信号VIN通过电阻R14、运算放大器A2，所述输出信号Vout为图2中区域II的波形。电容C11在输出信号Vout的上升阶段充电，拉低电压，在输出信号Vout的下升阶段放电，提升电压，使输出信号Vout变成直波Vout′。

然而，发明人研究发现，在将正弦波转化为输出信号Vout时，由于二极管D1本身的压降Von，图2区域II内的波形下限不为0，形成所示的“馒头波”。并且，二极管的开启电压Von会随温度变化，致使产生如图2区域II中的“馒头波”的下限值变化，最终导致输出信号Vout′不是直波，不管是“馒头波”的波形下限不为0，还是“馒头波”的下限值变化，都会影响信号波形变换电路的输出精度。

再且，通过电容C11将输出信号Vout转化为直波Vout′时，延时比较长，且纹波较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种信号波形变换电路，以解决精度下降、延时较长的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种信号波形变换电路，包括：

电子开关单元，将输入信号转化为两个同相的输出信号；输入端与所述电子开关单元输出端相连的差动输出单元，接收所述电子开关单元的两个同相输出信号，并输出所述两个信号的差值。

其中，所述电子开关单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一电容、第二电容和第三电容；其中：

所述第一开关的输入端接收基准信号，控制端接收正相控制信号，输出端与第三开关输入端相连；

所述第二开关的输入端接收输入信号，控制端接收所述正相控制信号，输出端与第四开关输入端相连；

所述第三开关的控制端接收反相控制信号，输出端与第八开关输入端相连；

所述第四开关的控制端接收所述反相控制信号，输出端与第七开关输入端相连；

所述第五开关的输入端与第七开关输出端相连，控制端接收所述反相控制信号，输出端接收所述基准信号；

所述第六开关的输入端与第八开关输出端相连，控制端接收所述反相控制信号，输出端接收所述输入信号；

所述第七开关的控制端接收所述正相控制信号；

所述第八开关的控制端接收所述正相控制信号；

所述第一电容连接于所述第一开关输出端与所述第二开关输出端之间；

所述第二电容连接于所述第五开关输入端与所述第六开关输入端之间；

所述第三电容连接于所述第七开关输入端与所述第八开关输入端之间；

所述第七开关的输入端与所述第三电容一端相连的连接点为所述电子开关单元的第一输出端；

所述第八开关的输入端与所述第三电容另一端相连的连接点为所述电子开关单元的第二输出端。

所述电子开关单元包括第一四双向模拟开关芯片、第二四双向模拟开关芯片、第一电容、第二电容和第三电容；其中：

所述第一电容的一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第一引脚和第二引脚相连，另一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第三引脚和第四引脚相连；

所述第二电容的一端与所述第二四双向模拟开关芯片的第一引脚和第二引脚相连，另一端与所述第二四双向模拟开关芯片的第三引脚和第四引脚相连；

所述第三电容的一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第六引脚和所述第二四双向模拟开关芯片的第五引脚相连，作为所述电子开关单元的第一输出端；另一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第五引脚和第四引脚和所述第二四双向模拟开关芯片的第六引脚相连，作为所述电子开关单元的第二输出端。

另外，所述差动输出单元包括：差动运放，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第四电容和第五电容：其中：

所述电子开关单元的第一输出端与所述第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端与所述第三电阻的一端相连，连接点与所述差动运放的正相输入端相连，所述第三电阻的另一端接收基准信号，所述电子开关单元的第二输出端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与所述第四电阻的一端相连，连接点与所述差动运放的反相输入端相连，所述第四电阻的另一端与所述差动运放的输出端相连，所述第四电容连接于基准信号与所述差动运放的正相输入端之间，所述第五电容连接于所述差动运放的反相输入端与输出端之间。

优选的，所述电子开关单元的反相控制信号由所述输入信号经过反相器得到，所述正相控制信号由所述反相控制信号再经过一个反相器得到，所述正相控制信号与所述输入信号同相，所述反相控制信号与所述输入信号反相。

优选的，所述差动输出单元的运放为缓冲放大器芯片。

优选的，所述第一电容、第二电容和第三电容的容值均为10nF。

优选的，所述差动输出单元的第四电容和第五电容的容值均为1nF。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的信号波形变换电路，采用将输入信号转化为两个同相的输出信号，再输出两个同相的输出信号的差值的方式，转化输入信号为直流信号，不需要采用将输入信号转化为“馒头波”，再转化为直流信号，可以解决在将输入信号转化为“馒头波”中引入二极管造成的精度下降的问题，以及将“馒头波”转化为直波信号中引入的电容造成的延时较长的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的电路原理图；

图2为现有技术的信号时序图；

图3为本发明实施例公开的信号波形变换电路的结构图；

图4为本发明实施例公开的电子开关单元电路原理图；

图5为本发明另一实施例公开的电子开关单元电路示意图；

图6为本发明另一实施例公开的电子开关单元电路原理图；

图7为本发明实施例公开的差动输出单元电路原理图；

图8为本发明实施例公开的方波时序图；

图9为本发明实施例公开的电容充电可达到的电压值；

图10为本发明实施例公开的电子开关单元输出信号时序图；

图11为本发明实施例公开的带毛刺的输出信号时序图；

图12为本发明实施例公开的去掉毛刺的输出信号时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种信号波形变换电路，以解决精度下降、延时较长的问题。

具体的，图3所示，包括电子开关单元和差动输出单元，其中：

所述电子开关单元的输入端接输入信号Vin，输出端为第一输出信号Vout1与第二输出信号Vout2；

所述差动输出单元A1的输入端接所述电子开关单元的第一输出信号Vout1与第二输出信号Vout2，输出端接第三输出信号Vout3。

具体的工作原理如下：

所述电子开关单元，将输入信号Vin转化为同相的第一输出信号Vout1与第二输出信号Vout2，所述第一输出信号Vout1与所述第二输出信号Vout2同相，即所述第一输出信号Vout1与所述第二输出信号Vout2信号值变化的趋势和数值相同，并输出；

所述差动输出单元A1，接收所述电子开关单元同相输出的第一输出信号Vout1与第二输出信号Vout2输出信号，并输出所述第一输出信号Vout1与所述第二输出信号Vout2的差值第三输出信号Vout3，由于所述第一输出信号Vout1与所述第二输出信号Vout2信号值变化的方向和数值相同，所以所述第一输出信号Vout1与所述第二输出信号Vout2的差值，即所述第三输出信号Vout3为直流信号。

本发明还公开了一种信号波形变换电路，具体的，图4所示，包括电子开关单元和差动输出单元，其中：

所述电子开关单元包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；其中：

所述第一开关S1的输入端接收所述基准信号VREF，控制端接收正相控制信号A+，输出端与所述第三开关S3输入端相连；

所述第二开关S2的输入端接收所述输入信号Vin，控制端接收正相控制信号A+，输出端与所述第四开关S4输入端相连；

所述第三开关S3的输入端与所述第一开关S1的输出端相连，控制端接收反相控制信号A-，输出端与所述第八开关S8输入端相连；

所述第四开关S4的输入端与所述第二开关S2的输出端相连，控制端接收反相控制信号A-，输出端与所述第七开关S7输入端相连；

所述第五开关S5的输入端与所述第七开关S7的输出端相连，控制端接收反相控制信号A-，输出端接收所述基准信号VREF；

所述第六开关S6的输入端与所述第八开关S8的输出端相连，控制端接收反相控制信号A-，输出端接收所述输入信号Vin；

所述第七开关S7的输入端与所述第四开关S4的输出端相连，控制端接收正相控制信号A+，输出端与所述第五开关S5输入端相连；

所述第八开关S8的输入端与所述第三开关S3的输出端相连，控制端接收正相控制信号A+，输出端与所述第六开关S6输入端相连；

第一电容C1连接于第一开关S1输出端与第二开关S2输出端之间；

第二电容C2连接于第五开关S5输入端与第六开关S6输入端之间；

第三电容C3连接于第七开关S7输入端与第八开关S8输入端之间；

第七开关S7的输入端与第三电容C3一端相连的连接点为所述电子开关单元的第一输出端Vout1；

第八开关S8的输入端与第三电容C3另一端相连的连接点为所述电子开关单元的第二输出端Vout2。

所述差动输出单元，如图7所示，包括：差动运放A1，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第四电容C4和第五电容C5：其中：

所述电子开关单元的第一输出端Vout1与所述第一电阻R1的一端相连，所述第一电阻R1的另一端与所述第三电阻R3的一端相连，连接点与所述差动运放A1的正相输入端相连，所述第三电阻R3的另一端与基准信号VREF相连，所述电子开关单元的第二输出端Vout2与所述第二电阻R2的一端相连，所述第二电阻R2的另一端与所述第四电阻R4的一端相连，连接点与所述差动运放A1的反相输入端相连，所述第四电阻R4的另一端与所述差动运放A1的输出端Vout3相连，所述第四电容C4连接于基准信号VREF与所述差动运放A1的正相输入端之间，所述第五电容C5连接于所述差动运放A1的反相输入端与输出端Vout3之间。

所述电子开关单元的第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8为NMOS晶体管或者NPN型三极管以及其他可以实现此种开关功能的器件。

所述电子开关单元的反相控制信号A-由所述输入信号Vin经过反相器得到，所述电子开关单元的正相控制信号A+由所述反相控制信号A-再经过一次反相器得到，所述反相器使用74HC04芯片。其中所述正向控制信号A+与所述输入信号Vin同相位，所述反相控制信号A-与所述输入信号Vin反相位。

所述差动输出单元的运放使用OPA4727芯片。

所述电子开关单元的第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的容值为10nF。

所述差动输出单元的第四电容C4和第五电容C5的容值为1nF。

具体的工作原理如下：

以所述输入信号Vin为正弦波为例，所述基准信号VREF为正弦波的中点电压，可以是地电平或者其它一个电压值。如图8所示。

电路稳定后，当所述正相控制信号A+为高电平，所述反相控制信号A-为低电平，所述第一开关S1、第二开关S2、第七开关S7和第八开关S8打开，所述第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6关闭，此时所述输入信号Vin大于所述基准信号VREF，所述第一电容C1上端充电至所述基准信号VREF，所述第一电容C1下端通过所述第二开关S2逐渐充电至所述输入信号电压值Vin，由于所述第一电容C1的充电电流及充电时间限制，所以并不能充电至所述输入信号电压值Vin正半周的峰值，而是充电到第一电压值U1，如图9所示。

当所述正相控制信号A+为低电平，所述反相控制信号A-为高电平，所述第一开关S1、第二开关S2、第七开关S7和第八开关S8关闭，所述第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6打开，此时所述输入信号Vin小于所述基准信号VREF，所述第二电容C2上端充电至所述基准信号VREF，所述第二电容C2下端逐渐充电至所述输入信号电压值Vin，即所述第二电压值U2；所述第三电容C3上端通过所述第一电容C1下端进行充电，由于所述第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的容值均为10nF，所以所述第三电容C3上端本应充电至所述第一电压值U1的一半，即UI/2，但是受充电电流、时间的限制，所述第三电容C3并不能充电至UI/2；所述第三电容C3下端通过所述第一电容C1上端进行充电，同理充电至小于所述基准信号VREF的一半，即小于VREF/2。

当所述正相控制信号A+再次变为高电平，所述反相控制信号A-为低电平，所述第一开关S1、第二开关S2、第七开关S7和第八开关S8打开，所述第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5和第六开关S6关闭，此时所述输入信号Vin大于所述基准信号VREF，所述第一电容C1上端充电至所述基准信号VREF，所述第一电容C1下端通过第二开关S2逐渐充电至所述第一电压值U1；所述第三电容C3通过所述第二电容C2进行放电。

由于所述第三电容C3的放电效果要远小于充电效果，所以随着周期充放电，所述第三电容C3的电压值会无限接近所述第二电容C2/所述第一电容C1上的电压值。

通过选择合适的电容及电子开关，可以使所述第三电容C3的两端充、放电速率相同。所述第三电容C3上下端的电平如图10所示，由于电子开关具有开启、关断的时间，所以在电子开关打开或关断时有可能产生毛刺。

将所述电子开关单元的所述第一输出端Vout1与所述第二输出端Vout2接入所述差动运放A1，所述差动运放A1输出的第三输出信号Vout3为带有毛刺的直流电压，如图11所示。通过增加虚线中的所述第四电容C4和所述第五电容C5，可以输出无毛刺的直流电压Vout3′，如图12所示。

本发明还公开了另一种信号波形变换电路，包括电子开关单元和差动输出单元，其中所述电子开关单元的开关与上述实施例不同：所述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8是由两个CD4066芯片实现的。

在实际应用中，所述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8可以是所述两个CD4066芯片中的任意独立开关，并不固定于某个特定的引脚使用。图5为其中的一种示意图：

所述第一CD4066芯片401包括所述第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4；所述第二CD4066芯片402包括所述第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8；具体的连接方式如图6所示，其中：

所述第一电容C1的一端与所述第一CD4066芯片401的第一引脚2和第二引脚8相连，另一端与所述第一CD4066芯片401的第三引脚4和第四引脚10相连；

所述第二电容C2的一端与所述第二CD4066芯片402的第一引脚2和第二引脚8相连，另一端与所述第二CD4066芯片402的第三引脚4和第四引脚10相连；

所述第三电容C3的一端与所述第一CD4066芯片401的第六引脚11和所述第二CD4066芯片402的第五引脚9相连，为所述电子开关单元的第一输出端VOUT1；另一端与所述第一CD4066芯片401的第五引脚9和所述第二CD4066芯片402的第六引脚11相连，为所述电子开关单元的第二输出端VOUT2;

所述第一CD4066芯片401的引脚1接收所述基准信号VREF，所述第一CD4066芯片401的引脚3接收所述输入信号VIN，所述第一CD4066芯片401的引脚5、引脚13、引脚14接收所述正向控制信号A+，所述第一CD4066芯片401的引脚6、引脚7、引脚12接收所述反向控制信号A-；

所述第二CD4066芯片402的引脚1接收所述基准信号VREF，所述第二CD4066芯片402的引脚3接收所述输入信号VIN，所述第二CD4066芯片402的引脚5、引脚13、引脚14接收所述反向控制信号A-，所述第二CD4066芯片402的引脚6、引脚7、引脚12接收所述正向控制信号A+。

所述差动输出单元的连接方式及本实施例具体的工作原理都与上述实施例相同，此处不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种信号波形变换电路，其特征在于，包括：

电子开关单元，将输入信号转化为两个同相的输出信号；

输入端与所述电子开关单元输出端相连的差动输出单元，接收所述电子开关单元的两个同相输出信号，并输出所述两个信号的差值；

其中，所述电子开关单元，用于将一个输入信号转化为两个同相的输出信号；其中，

所述电子开关单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一电容、第二电容和第三电容；其中：

所述第一开关的输入端接收基准信号，控制端接收正相控制信号，输出端与第三开关输入端相连；

所述第二开关的输入端接收输入信号，控制端接收所述正相控制信号，输出端与第四开关输入端相连；

所述第三开关的控制端接收反相控制信号，输出端与第八开关输入端相连；

所述第四开关的控制端接收所述反相控制信号，输出端与第七开关输入端相连；

所述第五开关的输入端与第七开关输出端相连，控制端接收所述反相控制信号，输出端接收所述基准信号；

所述第六开关的输入端与第八开关输出端相连，控制端接收所述反相控制信号，输出端接收所述输入信号；

所述第七开关的控制端接收所述正相控制信号；

所述第八开关的控制端接收所述正相控制信号；

所述第一电容连接于所述第一开关输出端与所述第二开关输出端之间；

所述第二电容连接于所述第五开关输入端与所述第六开关输入端之间；

所述第三电容连接于所述第七开关输入端与所述第八开关输入端之间；

所述第七开关的输入端与所述第三电容一端相连的连接点为所述电子开关单元的第一输出端；

所述第八开关的输入端与所述第三电容另一端相连的连接点为所述电子开关单元的第二输出端；

或，

所述电子开关单元包括第一四双向模拟开关芯片、第二四双向模拟开关芯片、第一电容、第二电容和第三电容；其中：

所述第一电容的一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第一引脚和第二引脚相连，另一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第三引脚和第四引脚相连；

所述第二电容的一端与所述第二四双向模拟开关芯片的第一引脚和第二引脚相连，另一端与所述第二四双向模拟开关芯片的第三引脚和第四引脚相连；

所述第三电容的一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第六引脚和所述第二四双向模拟开关芯片的第五引脚相连，作为所述电子开关单元的第一输出端；另一端与所述第一四双向模拟开关芯片的第五引脚和第四引脚和所述第二四双向模拟开关芯片的第六引脚相连，作为所述电子开关单元的第二输出端；其中，第一引脚为引脚2，第二引脚为引脚8，第三引脚为引脚4，第四引脚为引脚10，第五引脚为引脚9，第六引脚为引脚11；

其中，所述电子开关单元的反相控制信号由所述输入信号经过反相器得到，所述正相控制信号由所述反相控制信号再经过一个反相器得到，所述正相控制信号与所述输入信号同相，所述反相控制信号与所述输入信号反相。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述差动输出单元包括：差动运放，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第四电容和第五电容：其中：

所述电子开关单元的第一输出端与所述第一电阻的一端相连，所述第一电阻的另一端与所述第三电阻的一端相连，连接点与所述差动运放的正相输入端相连，所述第三电阻的另一端接收基准信号，所述电子开关单元的第二输出端与所述第二电阻的一端相连，所述第二电阻的另一端与所述第四电阻的一端相连，连接点与所述差动运放的反相输入端相连，所述第四电阻的另一端与所述差动运放的输出端相连，所述第四电容连接于基准信号与所述差动运放的正相输入端之间，所述第五电容连接于所述差动运放的反相输入端与输出端之间。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述差动输出单元的运放为缓冲放大器芯片。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一电容、第二电容和第三电容的容值均为10nF。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述差动输出单元的第四电容和第五电容的容值均为1nF。