CN105281749A

CN105281749A - 一种光-频率转换电路

Info

Publication number: CN105281749A
Application number: CN201510720400.4A
Authority: CN
Inventors: 李毅强; 李梦萄; 吴治军; 刘昌举; 任思伟
Original assignee: CETC 44 Research Institute
Current assignee: CETC 44 Research Institute
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-01-27

Abstract

本发明提出一种光-频率转换电路，包括依次连接的光电二极管、积分电路、比较器和振荡电路，并且，在振荡电路和积分电路之间连接有反馈信号C；采用积分电容积累光电二极管生成的光生电流信号，并在积分电压达到比较器的阈值时比较器翻转，使得门级控制电路产生振荡触发脉冲信号，触发振荡器振荡，同时，使能积分电荷泄放电路；其中，所述光-频率转换电路采用集成电路工艺制造且单片集成；振荡触发脉冲的第一个边沿经过延时之后触发振荡触发脉冲的第二个边沿，从而控制脉冲的脉宽。本发明光-频率转换电路的有益技术效果是可稳定输出占空比为50%的方波，且电路结构简单，成本低廉。

Description

一种光-频率转换电路

发明领域

本发明涉及到光-频率转换技术，特别涉及到一种光-频率转换电路。

背景技术

光-频率转换器是由感光模块与连接在其后的处理电路构成。感光模块将强弱不同的光信号转变为相应大小不同的光生电流，而处理电路则将大小不同的光生电流转换为对应不同频率的方波，使得方波频率与光强大小成正比。拥有50%占空比的方波能够直接作为微控制器等数字电路的输入，从而大大简化了系统设计的复杂度。当前，光-频率转换器已广泛应用于工农业生产的各个方面，包括温室大棚光照检测、自动灌溉、食品重金属检测、甲醛等有害物质检测、楼宇智能照明系统、智能交通控制和医疗监护人体生理参数测量等领域。

现有技术中，光-频率转换器的感光模块与光频率转换电路可由分立器件构成，例如名称为电荷频率转换器的专利技术（授权公告号：CN101533099B），此种方法测量精度较低，且易受板级噪声的干扰。另一类为采用集成电路制造技术，将感光模块与处理电路集成在同一硅基衬底上，即单片集成式光-频率转换电路，这种方法干扰小，成本低。现有技术多采用此种方法，其感光模块通常为光电二极管，将光强信号转换为光生电流信号，处理电路通常为集成电路工艺制造的电流-频率转换电路。

现有技术单片集成式光-频率转换电路大致分为两种方法，第一种是利用光生电流，对其进行放大等操作之后，采用电流直接控制振荡器产生震荡，即电流-频率转换，例如名称为一种光强检测方法及光强检测电路的专利技术（授权公告号：CN102331297B），该专利技术将光生电流放大比较之后，采用电流控制环形振荡器的振荡。第二种是采用积分电容对光生电流进行积分，将光生电流转换为电压信号，然后对电压信号进行其他处理之后，例如接入比较器，然后控制振荡器产生震荡。现有技术中震荡的形成主要为单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器、比较器直接输出等方式。

另外，现有技术中对于50%占空比方波的形成，主要有两种方式，即比较器比较阈值设为最高值的50%，高于此阈值与低于此阈值输出相反。但是这种方法易受到比较器精度与噪声的干扰；另一种方法为采用施密特触发器，考虑到施密特触发器的稳定性，需要一个回差电压，即若要形成50%占空比的方波需要积分电容两端的电压变化上升时间等于下降时间，亦即需要积分电容的泄放电流等于其充电电流，增加了电路设计的复杂度。

显然，现有技术单片集成式光-频率转换电路存在着电路设计复杂，易受到比较器精度与噪声的干扰等问题。

发明内容

为解决现有技术单片集成式光-频率转换电路存在的电路设计复杂，易受到比较器精度与噪声的干扰等问题，本发明提出一种光-频率转换电路。本发明光-频率转换电路包括依次连接的光电二极管、积分电路、比较器和振荡电路，并且，在振荡电路和积分电路之间连接有反馈信号C；积分电路包括积分电容和积分电荷泄放电路；振荡电路包括门级控制电路和振荡器；采用积分电容积累光电二极管生成的光生电流信号，并在积分电压达到比较器的阈值时比较器翻转，使得门级控制电路产生振荡触发脉冲信号，触发振荡器振荡，同时，使能积分电荷泄放电路；其中，所述光-频率转换电路采用集成电路工艺制造且单片集成；所述振荡触发脉冲的第一个边沿使能积分电荷泄放电路；同时，振荡触发脉冲的第一个边沿经过延时之后触发振荡触发脉冲的第二个边沿，从而控制脉冲的脉宽；所述振荡触发脉冲的第一个边沿是指上升脉冲的上升沿，或者下降脉冲的下降沿。

进一步的，所述积分电荷泄放电路包括电流源放电和电容正负极板短接放电。

进一步的，所述振荡器产生的一个振荡周期需要比较器输出两次脉冲，即积分电容进行两次充放电产生一个振荡周期。

进一步的，所述门级控制电路由5个或非门、3个反相器和延时电路组成；其中，比较器输出与内部信号B经过或非门Ⅰ；或非门Ⅰ输出与反馈信号C经过或非门Ⅱ，或非门Ⅱ输出与内部信号B经过或非门Ⅲ生成反馈信号C；反馈信号C经过反相器Ⅱ和反相器Ⅲ产生振荡触发脉冲信号D；反馈信号C经过延时电路产生内部信号A，内部信号A与B经过或非门Ⅳ产生的信号与A经过反相器Ⅰ产生的反信号通过或非门Ⅴ进行或非，产生内部信号B。

进一步的，所述门级控制电路的工作流程包括如下步骤：

S1、比较器输出为高电平，反馈信号C为低电平，振荡触发脉冲信号D被置为低电平；

S2、经过延时电路延时之后，内部信号A和内部信号B被置为低电平；

S3、判断比较器输出是否翻转为低电平，否则执行S1，是则执行S4；

S4、反馈信号C被置为高电平，振荡触发脉冲信号D被置为高电平；

S5、积分电容通过泄放电路开始被放电，积分电容电压低于阈值时，比较器输出恢复为高电平；经过延时电路之后，内部信号A被反馈信号C置为高电平，信号B被置为高电平；

S6、通过或非门Ⅲ，反馈信号C被内部信号B置为低电平，振荡触发脉冲信号D被置为低电平，执行S1；

其中，所述高电平为1，低电平为0。

进一步的，所述门级控制电路的延时电路为RC延时电路，或者计数器延时电路。

进一步的，所述振荡电路的振荡器采用边沿触发器构成。

本发明光-频率转换电路的有益技术效果是可稳定输出占空比为50%的方波，且电路结构简单，成本低廉。

附图说明

附图1是本发明光-频率转换电路的示意图；

附图2是本发明光-频率转换电路的原理示意图；

附图3是本发明光-频率转换电路门级控制电路的示意图；

附图4是本发明光-频率转换电路门级控制电路工作流程示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明光-频率转换电路作进一步的说明。

具体实施方式

图1是本发明光-频率转换电路的示意图，由图可知，本发明光-频率转换电路包括依次连接的光电二极管、积分电路、比较器和振荡电路，并且，在振荡电路和积分电路之间连接有反馈信号C；积分电路包括积分电容和积分电荷泄放电路；振荡电路包括门级控制电路和振荡器；采用积分电容积累光电二极管生成的光生电流信号，并在积分电压达到比较器的阈值时比较器翻转，使得门级控制电路产生振荡触发脉冲信号，触发振荡器振荡，同时，使能积分电荷泄放电路；其中，所述光-频率转换电路采用集成电路工艺制造且单片集成；所述振荡触发脉冲的第一个边沿使能积分电荷泄放电路；同时，振荡触发脉冲的第一个边沿经过延时之后触发振荡触发脉冲的第二个边沿，从而控制脉冲的脉宽；所述振荡触发脉冲的第一个边沿是指上升脉冲的上升沿，或者下降脉冲的下降沿。

附图2是本发明光-频率转换电路的原理示意图，由图可知，经过积分周期t1、t2、t3之后（t1、t2、t3均为积分时间与放电时间之和），分别产生振荡触发脉冲1、脉冲2、脉冲3，而每一个脉冲的上升沿都将触发振荡输出信号Fout翻转，因此，本发明光-频率转换电路的每一个输出振荡Fout周期为两个积分周期，且振荡周期内高电平时间与低电平时间均等于积分时间与放电时间之和，所述振荡器产生的一个振荡周期需要比较器输出两次脉冲，即积分电容进行两次充放电产生一个振荡周期，即可输出50%占空比的方波。显然，所述积分电荷泄放电路包括电流源放电和电容正负极板短接放电。

附图3是本发明光-频率转换电路门级控制电路的示意图，图中，1～5为或非门Ⅰ～Ⅴ；6～8为反相器Ⅰ～Ⅲ；A和B为内部信号，C为反馈信号，D为振荡触发脉冲信号，即振荡器输入控制信号。由图可知，本发明所述门级控制电路包括5个或非门、3个反相器和延时电路；其中，比较器输出与内部信号B经过或非门Ⅰ；或非门Ⅰ输出与反馈信号C经过或非门Ⅱ，或非门Ⅱ输出与内部信号B经过或非门Ⅲ生成反馈信号C；反馈信号C经过反相器Ⅱ和反相器Ⅲ产生振荡触发脉冲信号D；反馈信号C经过延时电路产生内部信号A，内部信号A与B经过或非门Ⅳ产生的信号与A经过反相器Ⅰ产生的反信号通过或非门Ⅴ进行或非，产生内部信号B。显然，所述门级控制电路的延时电路为RC延时电路，或者计数器延时电路。

附图4是本发明光-频率转换电路门级控制电路工作流程示意图，由图可知，所述门级控制电路的工作流程包括如下步骤：

其中，所述高电平为1，低电平为0。

以比较器输出下降脉冲为例，在积分过程中，反馈信号C为低电平，因此，振荡触发脉冲信号D为低电平。经过延时电路之后的内部信号A同样为低电平，经过反相器Ⅰ以及或非门Ⅴ之后，内部信号B被置为低电平，比较器输出为高电平；因此，或非门Ⅰ的输出被置为低电平，或非门Ⅱ的输出被置为高电平，而反馈信号C得以通过或非门Ⅱ、或非门Ⅲ维持低电平。

当积分电压达到阈值时，比较器将由高电平翻转为低电平，则或非门Ⅰ的输出被置为高电平，经过或非门Ⅱ、或非门Ⅲ之后，反馈信号C被置为高电平，振荡触发脉冲信号D翻转为高电平；同时，反馈信号C被置为高电平之后经过延时电路，在一段时间之后，内部信号A的电平逐渐升高，使得经过或非门Ⅳ、或非门Ⅴ、反相器Ⅰ之后的内部信号B置高电平。内部信号B通过或非门Ⅲ将反馈信号C置低电平，振荡触发脉冲信号D翻转为低电平，经过延时电路之后，内部信号A变为低电平，内部信号B变为低电平，等待下一次比较器输出由高电平翻转为低电平。如上所述，反馈信号C与振荡触发脉冲D的高脉冲脉宽由延时电路决定。

在反馈信号C为高电平时，将使得积分电容上的电荷开始泄放，直至积分电容中的电荷泄放完毕。因此，反馈信号C的高脉冲时间即延时电路的延时，需考虑泄放电路的放电速度，使得泄放电路有足够时间泄放积分电容中的电荷。在积分电容上的电压低于比较器阈值时，比较器输出恢复为高电平，此时反馈信号C仍为高电平，可通过或非门Ⅱ、或非门Ⅲ实现自举，维持高电平不变，因此，无论比较器输出何时恢复为高电平，反馈信号C均可实现自举维持高电平不变。

另外，本发明振荡电路的振荡器采用边沿触发器构成。当振荡触发脉冲信号D到来之时，其中的某一个边沿（由边沿触发器的类型决定）使得边沿触发器的输出翻转，而D另外反向的边沿到来之时则振荡器输出保持恒定。因此，边沿触发器的翻转为每次比较器由高电平转低电平的时刻，即积分电容中电荷累积到阈值之时。这样便实现了振荡器输出高电平时间与低电平时间均等于积分周期（积分时间与放电时间之和），在一段时间之内（相较于通常us级别的积分周期）可认为光照强度不变，因此紧邻的两次积分时间可认为相等，放电时间同样相等，因此在此振荡周期之内便可形成占空比为50%的方波。同时，通过恒定电流源放电和电容正负极板短接泄放电荷的方法，能够将放电时间缩短，大大小于积分时间，故而能够减小由于相邻两次延时时间不同造成的放电时间差异对输出脉冲占空比的影响。

以积分电容为1pF为例，光生电流为2nA，积分时间为1ms为例进行说明。随着光生电流在积分电容中的不断积分，积分电容两端的电压随之改变，依据电容的定义式，

，

即C为1pF，I为2nA，为1ms，则电容两端电压U为2V。若设定比较器阈值为2V，则积分电容被积满时比较器翻转，从而产生振荡触发脉冲，以及振荡输出脉冲。此时振荡脉冲每1ms进行一次翻转，即振荡脉冲的周期为2ms，振荡频率为500HZ。

显然，本发明光-频率转换电路的有益技术效果是可稳定输出占空比为50%的方波，且电路结构简单，成本低廉。

Claims

1.一种光-频率转换电路，其特征在于，该电路包括依次连接的光电二极管、积分电路、比较器和振荡电路，并且，在振荡电路和积分电路之间连接有反馈信号C；积分电路包括积分电容和积分电荷泄放电路；振荡电路包括门级控制电路和振荡器；采用积分电容积累光电二极管生成的光生电流信号，并在积分电压达到比较器的阈值时比较器翻转，使得门级控制电路产生振荡触发脉冲信号，触发振荡器振荡，同时，使能积分电荷泄放电路；其中，所述光-频率转换电路采用集成电路工艺制造且单片集成；所述振荡触发脉冲的第一个边沿使能积分电荷泄放电路；同时，振荡触发脉冲的第一个边沿经过延时之后触发振荡触发脉冲的第二个边沿，从而控制脉冲的脉宽；所述振荡触发脉冲的第一个边沿是指上升脉冲的上升沿，或者下降脉冲的下降沿。

2.根据权利要求1所述光-频率转换电路，其特征在于，所述积分电荷泄放电路包括电流源放电和电容正负极板短接放电。

3.根据权利要求1所述光-频率转换电路，其特征在于，所述振荡器产生的一个振荡周期需要比较器输出两次脉冲，即积分电容进行两次充放电产生一个振荡周期。

4.根据权利要求1所述光-频率转换电路，其特征在于，所述门级控制电路由5个或非门、3个反相器和延时电路组成；其中，比较器输出与内部信号B经过或非门Ⅰ；或非门Ⅰ输出与反馈信号C经过或非门Ⅱ，或非门Ⅱ输出与内部信号B经过或非门Ⅲ生成反馈信号C；反馈信号C经过反相器Ⅱ和反相器Ⅲ产生振荡触发脉冲信号D；反馈信号C经过延时电路产生内部信号A，内部信号A与B经过或非门Ⅳ产生的信号与A经过反相器Ⅰ产生的反信号通过或非门Ⅴ进行或非，产生内部信号B。

5.根据权利要求1或4所述光-频率转换电路，其特征在于，所述门级控制电路的工作流程包括如下步骤：

其中，所述高电平为1，低电平为0。

6.根据权利要求4所述光-频率转换电路，其特征在于，所述门级控制电路的延时电路为RC延时电路，或者计数器延时电路。

7.根据权利要求1所述光-频率转换电路，其特征在于，所述振荡电路的振荡器采用边沿触发器构成。