CN104682929B - 脉冲信号占空比测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲信号占空比测量电路，包括电压转换组件和直流转换组件；所述电压转换组件的输入端接收待测量的脉冲信号，用于降低所述待测量的脉冲信号的电压幅值；所述直流转换组件的输入端与所述电压转换组件的输出端连接，用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号，所述直流信号的幅值与所述待测量的脉冲信号的占空比对应。本发明提供的脉冲信号占空比测量电路能够实现精确测量脉冲信号的占空比，且降低成本。

Description

脉冲信号占空比测量电路

技术领域

本发明涉及电路技术，尤其涉及一种脉冲信号占空比测量电路。

背景技术

脉冲电源是一种能够输出脉冲信号的设备，其脉冲信号的占空比是脉冲电源的一个重要指标，输出精确且稳定占空比的电压才能适应各种负载的需求。因此，对脉冲电源输出电压的占空比进行测量是非常必要的。

现有技术中对脉冲信号的占空比进行测量通常有两种方式，第一种是采用示波器进行测量，但由于示波器的时钟频率和采样频率较低，难以对高频率的脉冲信号进行测量。第二种是采用数字处理芯片接收脉冲信号，并对占空比进行测量，但通常数字处理芯片的价格较昂贵，且需要匹配设计复杂的外围电路，导致了测量电路较复杂，成本较高。

发明内容

本发明提供一种脉冲信号占空比测量电路，能够实现精确测量脉冲信号的占空比，且降低成本。

本发明实施例提供一种脉冲信号占空比测量电路，包括电压转换组件和直流转换组件；

所述电压转换组件的输入端接收待测量的脉冲信号，用于降低所述待测量的脉冲信号的电压幅值至设定值；

所述直流转换组件的输入端与所述电压转换组件的输出端连接，用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号，所述直流信号的幅值与所述待测量的脉冲信号的占空比对应。

本发明实施例提供的脉冲信号占空比测量电路通过采用用于降低待测量的脉冲信号的电压幅值的电压转换组件，和用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号的直流转换组件，能够实现精确测量脉冲信号的占空比，且极大地降低了成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的脉冲信号占空比测量电路的结构示意图一；

图2为本发明实施例一提供的脉冲信号占空比测量电路中直流转换组件的等效电路图；

图3为图2中等效电路图的频率-幅值曲线图；

图4为本发明实施例一提供的脉冲信号占空比测量电路中电压转换组件的输入端脉冲信号与输出端脉冲信号的波形图；

图5为本发明实施例二提供的脉冲信号占空比测量电路的结构示意图；

图6为本发明实施例二提供的脉冲信号占空比测量电路输出的直流信号电压幅值与待测量脉冲信号占空比的对应关系曲线图。

具体实施方式

图1为本发明实施例一提供的脉冲信号占空比测量电路的结构示意图，图2为本发明实施例一提供的脉冲信号占空比测量电路中直流转换组件的等效电路图。如图1所示，脉冲信号占空比测量电路可以包括电压转换组件1和直流转换组件2；电压转换组件1的输入端接收待测量的脉冲信号，用于降低待测量的脉冲信号的电压幅值至设定值；直流转换组件2的输入端与电压转换组件1的输出端连接，用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号，该直流信号的幅值与待测量的脉冲信号的占空比对应。

其中，直流转换组件2的输入端接收的是脉冲信号，直流转换组件2的功能是将脉冲信号转换为直流信号输出，输出的直流信号的幅值与脉冲信号的占空比为一一对应的关系，在测试过程中，测量出直流信号的幅值就可以得出脉冲信号的占空比。本领域技术人员可以设计实现多种电路，本实施例提供一种可实现的方案，即：直流转换组件2包括二阶低通滤波电路21和第一运算放大器22，该二阶低通滤波电路21的输入端与电压转换组件1的输出端连接，用于对降低电压后的脉冲信号进行低通滤波，以将频率大于二阶低通滤波电路21的截止频率的脉冲信号转换为直流信号。第一运算放大器22的输入端与二阶低通滤波电路21的输出端连接，且第一运算放大器22的输入端中的反相输入端与自身的输出端相连，作为直流转换组件2的输出端。采用上述直流转换组件2能够将频率大于二阶低通滤波电路21的截止频率的脉冲信号转换为直流信号，而直流信号的幅值则对应于脉冲信号的占空比。

具体的，可参照如下的电路结构来实现：二阶低通滤波电路21包括第一一阶低通滤波器和第二一阶低通滤波器，其中，第一一阶低通滤波器可以为RC滤波器，包括第一电阻211和第一电容212，第一电容212的正极经第一电阻211与电压转换组件1的输出端连接，第一电容212的负极连接至第一运算放大器22的反相输入端；第二一阶低通滤波器也可以为RC滤波器，包括第二电阻213和第二电容214，第二电容214的负极接地，第二电容214的正极连接至第一运算放大器22的正相输入端，且经第二电阻213与第一电容212的正极连接。

由上述电路结构组成的直流转换组件2的等效电路图如图2所示，将直流转换组件2的输出量V2与输入量V1分别作拉氏变换后，得到其传递函数为：

由传递函数可知，该直流转换组件2为二阶低通滤波电路，设置适当的电阻及电容，以调节上述传递函数中的各参数的数值，例如：设定R1＝12kΩ，R2＝210kΩ，C1＝0.1μF，C2＝0.01μF，则上述传递函数转换为：

上述传递函数在频率-幅值坐标系中的曲线可参照图3，图3为图2中等效电路图的频率-幅值曲线图。由图3可知直流转换组件2的静态增益K＝1，截止频率约为100Hz，为正向增益，可将频率大于100Hz的脉冲信号转变成直流信号

为了拓宽脉冲信号占空比测量电路能够测量的脉冲信号的幅值范围，可在直流转换器件2之前增加电压转换组件1，其功能是用于对待测量的脉冲信号进行电压变换，将脉冲信号的电压幅值降低至设定值，可以为与直流转换组件2可测电压幅值相匹配的电压，例如可将15V的待测量脉冲信号转换为5V的脉冲信号，再提供给直流转换组件2。实现上述功能的电压转换组件1的电路结构有很多种，例如：电压转换组件1可包括隔离开关电路11、滤波电路12以及整形电路13。其中，隔离开关电路11的输入端接收待测量的脉冲信号，用于当待测量的脉冲信号为正脉冲时使隔离开关电路11的输出端闭合，当待测量的脉冲信号为负脉冲时使隔离开关电路11的输出端断开；滤波电路12的输入端与隔离开关电路11的输出端连接，用于滤除对隔离开关电路11输出信号中的噪声；整形电路13的输入端与滤波电路12的输出端连接，用于去除滤波电路12输出信号的微小抖动。对于上述设定值的具体电压幅值，可根据所选用的隔离开关电路11的具体器件以及直流转换组件2中各器件来进行具体设定，并不限定于5V。

对于隔离开关电路11，技术人员可设计多种电路结构，以根据待测量的脉冲信号的脉冲频率特征控制输出端输出对应的信号，具体的一种实现方式为：隔离开关电路11可包括发光二极管111、光敏二极管112和三极管113。其中，发光二级管111的正极与脉冲信号输出设备的正相输出端连接，负极与脉冲信号输出设备的负相输出端连接，用于接收待测量的脉冲信号；光敏二极管112的感光区域设置在发光二级管111的照射区域内，光敏二极管112的负极接收高电平信号，正极与三极管113的基极连接；三极管113的集电极作为隔离开关电路11的输出端中的第一输出端，发射极作为隔离开关电路11的输出端中的第二输出端。

隔离开关电路11的工作原理为：当待测量的脉冲信号为正相脉冲时，发光二极管111导通且发光，光线照射在光敏二极管112的感光区域上，使得光敏二极管112反相导通，向三极管113的基极提供高电平信号，以使三极管113导通，则三极管113的集电极和发射极分别作为第一输出端和第二输出端导通；当待测量的脉冲信号为反相脉冲时，发光二极管111截止，光敏二极管112截止，以及三极管113也处于截止状态，则第一输出端和第二输出端断开。在本实施例中，三极管113的集电极作为隔离开关电路11的输出端中的第一输出端，可通过一个分压电阻接高电平，三极管113的发射极作为隔离开关电路11的输出端中的第二输出端接地，以使当待测量的脉冲信号为正相脉冲时，隔离开关电路11的第一输出端和第二输出端导通，且都接地，相当于输出低电平信号；当待测量的脉冲信号为反相脉冲时，隔离开关电路11的第一输出端和第二输出端断开，则相当于第一输出端输出高电平信号。

隔离开关电路11可采用现有的芯片，该芯片包括两路光电隔离开关，可同时对两路脉冲信号进行转换，当然，隔离开关电路11也可以由技术人员设计实现，具体的电路结构并不限于本实施例所提供的期间或连接关系，例如也可以采用发光二极管和光敏三极管来搭建隔离开关电路11等。

对于滤波电路12，技术人员可设计多种电路结构，以滤除对隔离开关电路11输出信号中的噪声，具体的一种实现方式为：滤波电路12包括第三电容121、第四电容122和第三电阻123。其中，第三电容121的正极与光敏二极管112的负极连接，接收高电平信号，负极与三极管113的发射极连接，且接地，第三电容121可称为去耦电容，用于去除产生高电平信号的电源产生的电压波动，避免对隔离开关电路11产生尖峰电压冲击；第四电容122的正极经第三电阻123接收高电平信号，且作为滤波电路12的输出端与整形电路13的输入端连接，第四电容122的负极接地。第四电容122和第三电阻123组成一阶滤波器，以滤除隔离开关电路11在闭合与断开的瞬间产生的噪声。

电压转换组件1将脉冲信号的电压幅值降低至设定值，即为上述高电平信号的电压幅值。上述高电平信号可以为5V直流电压信号，上述隔离开关电路11与滤波电路12的组合电路将待测量的脉冲信号和输出端信号隔离，且将待测量的脉冲信号转换为幅值为5V的新脉冲信号输出，其具体的工作过程可参照图4，图4为本发明实施例一提供的脉冲信号占空比测量电路中电压转换组件的输入端脉冲信号与输出端脉冲信号的波形图：当作为电压转换组件1输入端脉冲信号的待测量的脉冲信号为正脉冲时，隔离开关电路11的输出端闭合，以使滤波电路12的输出端输出低电平信号，当待测量的脉冲信号为负脉冲时，隔离开关电路11的输出端断开，以使滤波电路12的输出端输出高电平信号，形成新脉冲信号，其幅值为该高电平的电压幅值，且新脉冲信号的占空比与待测量的脉冲信号的占空比之和为1。

上述实施例提供的电压转换组件1的电路结构，能够对待测量的脉冲信号进行电压变换，将脉冲信号的电压幅值转换为与直流转换组件2可测电压幅值相匹配的电压，例如将待测量的脉冲信号转换为电压幅值为5V的脉冲信号，其中，5V的脉冲信号的占空比与待测量的脉冲信号的占空比之和为1。直流转换组件2将电压幅值为5V的脉冲信号转换为直流信号输出，输出的直流信号的幅值对应脉冲信号的占空比。上述各组件中的电阻值和电容值由技术人员根据待测量的脉冲信号的幅值和频率进行设定，若待测量的脉冲信号的占空比为N，输出的直流信号的幅值为A，则待测量的脉冲信号占空比N与输出的直流信号幅值A的关系可以为：N＝0.4A+0.008，近似为线性正比例关系。采用上述脉冲信号占空比测量电路输出的直流信号幅值即可得到对应的占空比值。

为了提高测量精度，可以在滤波电路12的输出端设置整形电路13，该整形电路13可以包括串联的第一反相器131和第二反相器132，用于对滤波电路12输出的新脉冲信号进行幅值调整，去除电压的微小噪声。其中，第一反相器131可以为纳秒级反相器，第二反相器132可以为微秒级反相器，由技术人员根据电源输出的波动性选择适当门限阈值的反相器，可将脉冲信号中微小的波动滤除，以提高测量精度。

本实施例提供的脉冲信号占空比测量电路采用用于降低待测量的脉冲信号的电压幅值的电压转换组件，和用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号的直流转换组件，能够对频率大于8Hz的脉冲信号进行测量，有效解决了现有技术难以对高频率脉冲信号的占空比进行测量的难题，并实现了精确测量脉冲信号的占空比，且极大地降低了成本。

在上述技术方案的基础上，为了进一步提高测量精度，电压转换组件1还可以包括：稳压二极管14和限幅二极管15。其中，稳压二极管14的正极与脉冲信号输出设备的负相输出端连接，负极与发光二级管111的负极连接，用于滤除脉冲信号输出设备输出的待测量脉冲信号的抖动；限幅二极管15的正极与发光二级管111的负极连接，限幅二极管15的负极与发光二级管111的正极连接，以防止带测量脉冲信号的负脉冲对隔离开关电路11的冲击。电压转换组件1中还可以设置分压电阻和分流电阻，该分压电阻可以与稳压二极管14串联，分流电阻可以与限幅二极管15并联。

实施例二

图5为本发明实施例二提供的脉冲信号占空比测量电路的结构示意图，如图5所示，在上述技术方案的基础上，脉冲信号占空比测量电路还可以包括用于对直流信号进行电压幅值比例放大的直流信号调整组件3，该直流信号调整组件3的输入端与直流转换组件2的输出端连接。本领域技术人员可设计实现多种电路结构，以对直流信号的电压幅值进行调整，本实施例提供一种具体的实现方式如下：

直流信号调整组件3包括第二运算放大器31、第四电阻32、第五电阻33以及第六电阻34。其中，第二运算放大器31的正相输入端与直流转换组件2的输出端连接，第二运算放大器31的反相输入端经第四电阻32接地，且经第五电阻33与第二运算放大器31的输出端连接，还作为直流信号调整组件3的输出端用于输出比例放大后的直流信号。相应的，可在直流转换组件2的输出端串联分压电阻，然后再与第二运算放大器31的正相输入端连接，并且在第二运算放大器31的正相输入端设置一个一阶低通滤波器以对直流信号调整组件3输入的直流信号进行滤波。

本领域技术人员可以理解的，在上述脉冲信号占空比测量电路中可以设置多个分压电阻，其阻值可根据测量电路的工作电压具体设置。

上述电路结构能够实现对直流转换组件2输出的直流信号的幅值进行比例放大，技术人员可设定上述第四电阻32、第五电阻33以及第六电阻34的阻值，以调整直流信号调整组件3的放大倍数。若直流信号调整组件3的放大倍数为K，直流信号调整组件3的输出端作为整个脉冲信号占空比测量电路的输出端，其输出的直流信号幅值为B，则待测量脉冲信号占空比N与输出的直流信号幅值B的关系为N＝(2B+0.04K)/5K。

以放大倍数K＝1的脉冲信号占空比测量电路对频率为1kHz的待测脉冲信号进行测量，可得到如表一所示的数据：

表一待测脉冲信号的占空比N与输出直流电压幅值B的关系

图6为本发明实施例二提供的脉冲信号占空比测量电路输出的直流信号电压幅值与待测量脉冲信号占空比的对应关系曲线图。参照图6和表一，可以明显得出待测量脉冲信号占空比N与输出的直流信号电压幅值成线性正比例关系。

上述技术方案通过采用用于降低待测量的脉冲信号的电压幅值的电压转换组件，和用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号的直流转换组件，并采用直流信号调整组件对直流信号进行幅值调整，能够对频率大于8Hz的脉冲信号进行测量，有效解决了现有技术难以对高频率脉冲信号的占空比进行测量的难题，并实现了精确测量脉冲信号的占空比，且极大地降低了成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，包括电压转换组件和直流转换组件；

所述电压转换组件的输入端接收待测量的脉冲信号，用于降低所述待测量的脉冲信号的电压幅值至设定值；

所述直流转换组件的输入端与所述电压转换组件的输出端连接，用于将降低电压后的脉冲信号转换为直流信号，所述直流信号的幅值与所述待测量的脉冲信号的占空比对应；

所述电压转换组件包括：隔离开关电路、滤波电路以及整形电路；

所述隔离开关电路的输入端接收所述待测量的脉冲信号，用于当所述待测量的脉冲信号为正脉冲时使所述隔离开关电路的输出端闭合，当所述待测量的脉冲信号为负脉冲时使所述隔离开关电路的输出端断开；

所述滤波电路的输入端与所述隔离开关电路的输出端连接，用于滤除对所述隔离开关电路输出信号中的噪声；

所述整形电路的输入端与所述滤波电路的输出端连接，用于去除所述滤波电路输出信号的微小抖动；

所述隔离开关电路包括发光二极管、光敏二极管和三极管；

所述发光二级管的正极与脉冲信号输出设备的正相输出端连接，负极与所述脉冲信号输出设备的负相输出端连接，用于接收所述待测量的脉冲信号；

所述光敏二极管的感光区域设置在所述发光二级管的照射区域内，所述光敏二极管的负极接收高电平信号，正极与所述三极管的基极连接；

所述三极管的集电极作为所述隔离开关电路的输出端中的第一输出端，发射极作为所述隔离开关电路的输出端中的第二输出端。

2.根据权利要求1所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述直流转换组件包括二阶低通滤波电路和第一运算放大器；

所述二阶低通滤波电路的输入端与所述电压转换组件的输出端连接，用于对所述降低电压后的脉冲信号进行低通滤波，以将频率大于所述二阶低通滤波电路的截止频率的脉冲信号转换为直流信号；

所述第一运算放大器的输入端与所述二阶低通滤波电路的输出端连接，且所述第一运算放大器的输入端中的反相输入端与自身的输出端相连。

3.根据权利要求2所示的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述二阶低通滤波电路包括第一一阶低通滤波器和第二一阶低通滤波器；

所述第一一阶低通滤波器包括第一电阻和第一电容，所述第一电容的正极经所述第一电阻与所述电压转换组件的输出端连接，所述第一电容的负极连接至所述第一运算放大器的反相输入端；

所述第二一阶低通滤波器包括第二电阻和第二电容，所述第二电容的负极接地，所述第二电容的正极连接至所述第一运算放大器的正相输入端，且经所述第二电阻与所述第一电容的正极连接。

4.根据权利要求1所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述滤波电路包括：第三电容、第四电容和第三电阻；

所述第三电容的正极与所述光敏二极管的负极连接，接收所述高电平信号，负极与所述三极管的发射极连接，且接地；

所述第四电容的正极经第三电阻接收所述高电平信号，且作为所述滤波电路的输出端与所述整形电路的输入端连接，所述第四电容的负极接地。

5.根据权利要求1所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述整形电路包括串联的第一反相器和第二反相器。

6.根据权利要求1所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述电压转换组件还包括：稳压二极管和限幅二极管；

所述稳压二极管的正极与所述脉冲信号输出设备的负相输出端连接，负极与所述发光二级管的负极连接；

所述限幅二极管的正极与所述发光二级管的负极连接，所述限幅二极管的负极与所述发光二级管的正极连接。

7.根据权利要求1所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，还包括用于对所述直流信号进行电压幅值比例放大的直流信号调整组件，所述直流信号调整组件的输入端与所述直流转换组件的输出端连接。

8.根据权利要求7所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述直流信号调整组件包括第二运算放大器、第四电阻、第五电阻以及第六电阻；

所述第二运算放大器的正相输入端与所述直流转换组件的输出端连接，所述第二运算放大器的反相输入端经所述第四电阻接地，且经所述第五电阻与所述第二运算放大器的输出端连接，还作为所述直流信号调整组件的输出端用于输出比例放大后的直流信号。

9.根据权利要求5所述的脉冲信号占空比测量电路，其特征在于，所述第一反相器为纳秒级反相器，所述第二反相器为微秒级反相器。