CN105553480B - 测频信号处理电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种测频信号处理电路，包括：高通滤波电路，对输入信号进行高通滤波，以隔去输入信号中的直流输入信号；信号叠加电路，将高通滤波电路输出的交流输入信号与一补偿信号相叠加；低通滤波电路，对信号叠加电路的交直流叠加信号进行低通滤波，输出待测交直流信号，作为测频信号处理电路的输出信号；信号补偿电路，根据一预设电平和待测交直流信号产生补偿信号，补偿信号用以补偿交直流叠加信号中的共模电平和预设电平之间的误差，信号补偿电路输出补偿信号至所述信号叠加电路，以使共模电平始终等于预设电平。本发明能够将输入信号的共模电平抬高到和某一固定电平值相同的固定值，只需使用常用元器件，结构简单，成本低，精度高，误差小。

Description

测频信号处理电路

技术领域

本发明涉及电路领域，特别涉及的是用于精密仪器仪表中的低成本、高精度测频的测频信号处理电路。

背景技术

在以往单电源供电系统中，测频电路需要将输入信号的共模电平抬高到和某一固定电平值相同的固定值，然后比较器用该固定电平与输入信号进行比较。如果输入信号的共模电平和固定电平两个值存在误差，就会影响输入信号中交流小信号的测频。而无论是抬高输入信号的共模电平，还是分压得到固定电平都需要依靠外部电阻，要使共模电平和固定电平尽量相等，就必须使用高精度的电阻，如果该仪器需要在很宽的温度范围保证精度，所选择的电阻还必须是低温漂电阻，而高精度低温漂的电阻并不常用，价格也贵，这会大大增加该测频电路的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测频信号处理电路，能够将输入信号的共模电平抬高到和某一固定电平值相同的固定值，只需使用常用元器件实现电路，电路结构简单，成本低，精度高，误差小。

为解决上述问题，本发明提出一种测频信号处理电路，包括：

高通滤波电路，对输入信号进行高通滤波，以隔去输入信号中的直流输入信号，输出一交流输入信号；

信号叠加电路，将所述高通滤波电路输出的交流输入信号与一补偿信号相叠加，输出一交直流叠加信号；

低通滤波电路，对所述信号叠加电路的交直流叠加信号进行低通滤波，以滤除高频杂波，从而输出待测交直流信号，作为测频信号处理电路的输出信号；

信号补偿电路，根据一预设电平和所述低通滤波电路输出的待测交直流信号产生补偿信号，所述补偿信号用以补偿所述信号叠加电路输出的交直流叠加信号中的共模电平和预设电平之间的误差，信号补偿电路输出所述补偿信号至所述信号叠加电路，以使所述共模电平始终等于预设电平。

根据本发明的一个实施例，所述信号补偿电路为积分电路，其第一输入端接收所述低通滤波电路输出的待测交直流信号，其第二输入端接收所述预设电平，所述待测交直流信号与预设电平比较后由积分电路积分输出所述补偿信号。

根据本发明的一个实施例，所述信号补偿电路为积分电路，所述积分电路包括：

第一电阻，其第一端连接所述低通滤波电路的输出端；

第一运算放大器，其反向输入端连接所述第一电阻的第二端，其正向输入端接收所述预设电平，其输出端输出所述补偿信号；

第一电容，其第一端连接所述第一运算放大器的反向输入端，其第二端连接所述第一运算放大器的输出端。

根据本发明的一个实施例，所述积分电路的积分时间远大于所述待测交直流信号中的待测交流信号的周期。

根据本发明的一个实施例，还包括预设电平输出电路，包括：

第六电阻，其第一端连接所述第一运算放大器的正向输入端，其第二端接地；

第七电阻，其第一端接收电源电压，其第二端连接所述第六电阻的第一端并输出所述预设电平。

根据本发明的一个实施例，所述高通滤波电路包括：

第二电容，其第一端接收所述输入信号，其第二端输出所述交流输入信号；

第二电阻，其第一端连接所述第二电容的第二端，其第二端接地。

根据本发明的一个实施例，所述信号叠加电路包括：

第三电阻，其第一端连接所述信号补偿电路的输出端，其第二端输出所述交直流叠加信号；

所述第二电阻，其第一端还连接所述第三电阻的第二端。

根据本发明的一个实施例，所述低通滤波电路包括：

第四电阻，其第一端连接所述信号叠加电路的输出端；

第五电阻，其第一端连接所述第四电阻的第二端；

第三电容，其第一端连接所述第四电阻的第二端；

第四电容，其第一端连接所述第五电阻的第二端，其第二端接地；

第二运算放大器，其正向输入端连接所述第五电阻的第二端，其反向输入端和其输出端均连接所述第三电容的第二端，其输出端输出所述待测交直流信号。

根据本发明的一个实施例，还包括：

测频信号输出电路，接收所述测频信号处理电路输出的待测交直流信号，对所述待测交直流信号中的待测交流信号进行测频，输出测频信号。

根据本发明的一个实施例，所述测频信号输出电路包括：

第八电阻，其第一端连接所述低通滤波电路的输出端；

第九电阻，其第一端连接所述第八电阻的第二端；

比较器，其第一输入端连接所述第八电阻的第二端，其第二输入端接收所述预设电平，其输出端连接所述第九电阻的第二端，其输出端输出所述测频信号。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

输入信号首先经过高通滤波电路隔绝直流成分，保留有用的交流输入信号，该交流输入信号与信号补偿电路输出的直流信号叠加，将共模电平抬高到和预设电平相等，叠加后的信号经过低通滤波电路滤除高频噪声后形成待测交直流信号，实现了该待测交直流信号的共模电平和预设电平基本相同，因而当本发明的测频信号处理电路的输出信号用于测频时，即用该待测交直流信号和预设电平进行比较时，将输出方波信号，测量方波信号即可获得输入信号的交流小信号的频率。仅需采用常用的元器件，所有电阻可选用5％精度的普通电阻，无需采用高精度低温漂的电阻，生产成本低；电路结构简单，产生的信号用于测频时对交流小信号的测频性能好，优于选用昂贵的精密电阻的测频性能。

附图说明

图1为本发明实施例的测频信号处理电路的结构框图；

图2为本发明实施例的测频信号处理电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1示出本发明实施例的一种测频信号处理电路，包括：高通滤波电路1、信号叠加电路2、低通滤波电路3和信号补偿电路4。

其中，高通滤波电路1对输入信号S_in进行高通滤波，以隔去输入信号S_in中的直流输入信号，输出一交流输入信号。输入信号S_in是交流小信号和直流信号的叠加信号，通过高通滤波电路1滤除直流成分，保留有用的交流信号。

信号叠加电路2将高通滤波电路1输出的交流输入信号与一补偿信号Vint相叠加，输出一交直流叠加信号Va，通过信号叠加电路2之后处理后，交直流叠加信号Va为原有用交流信号和补偿信号的叠加信号，补偿信号Vint为一直流信号，也可以说是电平抬升信号。

低通滤波电路3对信号叠加电路2输出的交直流叠加信号Va进行低通滤波，以滤除高频杂波，杂波包括高频噪声及其他无用的高频信号，保留交直流叠加信号Va中有用的交流信号和直流信号，低通滤波电路3滤波后输出待测交直流信号Vb，作为测频信号处理电路的输出信号。

信号补偿电路4根据一预设电平和低通滤波电路3输出的待测交直流信号Vb产生补偿信号Vint，补偿信号Vint用以补偿信号叠加电路2输出的交直流叠加信号中的共模电平和预设电平Vref之间的误差，信号补偿电路4输出补偿信号Vint至信号叠加电路2，以使交直流叠加信号中的共模电平始终等于预设电平。

信号叠加电路2输出的交直流叠加信号Va中的共模电平被抬高到和预设电平相等，电平抬高的方式是通过信号补偿电路4和信号叠加电路2实现的，仅需要常用的元器件便可以连接而成，生产成本低。经低通滤波电路3滤波后，交直流叠加信号Va未被放大或缩小，其交直流成分未改变，因而低通滤波电路3输出的待测交直流信号Vb中的共模电平同样和预设电平相同，因而实现了背景技术中所提到的，输入信号的共模电平抬高到和某一固定电平值相同的固定值，从而可以进一步进行交流小信号的测频。

具体的，参看图2，高通滤波电路1可以包括第二电容C2和第二电阻R2。第二电容C2的第一端接收输入信号S_in，第二电阻R2的第一端连接第二电容C2的第二端，第二电阻R2的第二端接地，第二电容C2的第二端输出该输入信号S_in隔去直流成分后的交流输入信号，第二电容C2和第二电阻R2的值可以设置的较大，从而尽可能地保留输入信号S_in中有用交流信号不被滤除，在一个实施例中，第二电容C2和第二电阻R2的值可以为10uF和1M欧姆，但不作为限制。该高通滤波电路1是一级CR(电容电阻)高通滤波器，但不限制于此，其他截止频率小于输入信号中的交流小信号的频率的高通滤波电路也可以应用到本实施例中，以滤除输入信号的直流，保留交流。

信号叠加电路2可以包括第三电阻R3和该第二电阻R2。第三电阻R3的第一端连接信号补偿电路4的输出端，第三电阻R3的第二端输出交直流叠加信号Va，第二电阻R2的第一端还连接第三电阻R3的第二端。该第二电阻R2一方面实现滤波，另一方面实现信号的叠加。第三电阻R3和第二电阻R2构成一分压电路，将后面信号补偿电路4中的补偿信号Vint进行降压，降压至和预设电平Vref相同的值。当然，若信号补偿电路4输出的补偿信号Vint的值和预设电平Vref相同，则也可以省去第三电阻R3。

低通滤波电路3可以包括：第四电阻R4，第五电阻R5，第三电容C3，第四电容C4和第二运算放大器A2。第四电阻R4的第一端连接信号叠加电路2的输出端；第五电阻R5的第一端连接第四电阻R4的第二端；第三电容C3的第一端连接第四电阻R4的第二端；第四电容C4的第一端连接第五电阻R5的第二端，第四电容C4的第二端接地；第二运算放大器A2的正向输入端连接第五电阻R5的第二端，第二运算放大器A2的反向输入端和第二运算放大器A2的输出端均连接第三电容C3的第二端，第二运算放大器A2的输出端输出待测交直流信号Vb。输入信号S_in的交流小信号抬高共模电平后，也就是交直流叠加信号，经过低通滤波电路3进行滤波，滤除信号中的高频噪声，输出的待测交直流信号Vb能够使后面测频更准确，低通滤波电路3的参数设置根据具体电路进行计算。当然，也可以由其他形式的低通滤波电路来实现低通滤波。

采用第四电阻R4，第五电阻R5，第三电容C3，第四电容C4和第二运算放大器A2构成的低通滤波电路3，待测交直流信号Vb中仅有的误差为低通滤波电路中运算放大器的输入偏置电压，而通过选用合适的运算放大器，输入偏置电压和偏置随温度漂移都可以忽略不计，故可以认为待测交直流信号Vb共模电平和预设电平相等，例如选用FET(场效应管)输入运放。

信号补偿电路4可以为积分电路，积分电路的第一输入端接收低通滤波电路输出的待测交直流信号Vb，积分电路的第二输入端接收预设电平Vref，待测交直流信号Vb与预设电平Vref比较后由积分电路积分输出补偿信号。

更具体的，信号补偿电路4为积分电路，积分电路包括：第一电阻R1，第一运算放大器A1和第一电容C1。第一电阻R1的第一端连接低通滤波电路3的输出端；第一运算放大器A1的反向输入端连接第一电阻R1的第二端，第一运算放大器A1的正向输入端接收预设电平Vref，第一运算放大器A1的输出端输出补偿信号Vint；第一电容C1的第一端连接第一运算放大器A1的反向输入端，第一电容C1的第二端连接第一运算放大器A1的输出端。应当不要使第一运算放大器A1输出饱和，否则Vb的共模电平无法抬高到2.5V。假设预设电平Vref等于2.5V，即待测交直流信号Vb的共模电平需被抬高到2.5V，如果第三电阻R3选用100k欧姆，第二电阻的值为1M欧姆，信号补偿电路4输出的补偿信号Vint大致为2.75V，因为积分电路使用5V供电，积分电路输出不会饱和，符合要求。

交直流叠加信号Va经过低通滤波电路3后一路输入到积分电路中与预设电平Vref作比较，积分电路的积分时间设置的很长，远大于待测交直流信号Vb中的待测交流信号的周期，所以待测交直流信号Vb中的交流成分不会影响积分器的比较，积分电路输出的补偿信号叠加到输入信号的交流成分中，形成交直流叠加信号，以补偿预设电平Vref与待测交直流信号Vb中的共模电平的误差，从而保证待测交直流信号Vb中的共模电平始终等于预设电平。

可选的，测频信号处理电路还包括预设电平输出电路，为一分压电路，包括第六电阻R6和第七电阻R7。第六电阻R6的第一端连接第一运算放大器A1的正向输入端，第六电阻R6的第二端接地；第七电阻R7的第一端接收电源电压，第七电阻R7的第二端连接第六电阻R6的第一端并输出预设电平Vref，该预设电平Vref输入到第一运算方法器A1的正向输入端。可选的，在第六电阻的两端还可并联一第五电容C5，以滤波。

进一步，继续参看图1，在一个实施例中，测频信号处理电路还可以包括：测频信号输出电路5，接收测频信号处理电路输出的待测交直流信号Vb，对所述待测交直流信号Vb中的待测交流信号进行测频，输出测频信号。可以理解，也可以不设置测频信号输出电路6，而是将高通滤波电路1、信号叠加电路2、低通滤波电路3和信号补偿电路4作为独立的部件，通过外部接口的方式在使用时将待测交直流信号Vb引出到测频信号输出电路5中。

具体的，参看图2，测频信号输出电路包括第八电阻R8，第九电阻R9和比较器C。第八电阻R8的第一端连接低通滤波电路3的输出端；第九电阻R9的第一端连接第八电阻R8的第二端；比较器C的正向输入端连接第八电阻R8的第二端，比较器C的反向输入端接收预设电平Vref，该预设电平Vref例如也是从预设电平输出电路中输出的，比较器C的输出端连接第九电阻R9的第二端，比较器C的输出端输出测频信号。

交直流叠加信号Va经过低通滤波电路3滤波输出待测交直流信号Vb后，低通滤波电路3一路输出给信号补偿电路4实现补偿反馈，另一路输出到比较器C，把待测交直流信号Vb与预设电平Vref作比较，比较器C输出一个方波信号，该方波用于测频，例如通过时钟计数实现测频，比较器C的滞回可以根据实际需求调整。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种测频信号处理电路，其特征在于，包括：

高通滤波电路，对输入信号进行高通滤波，以隔去输入信号中的直流输入信号，输出一交流输入信号；

信号叠加电路，将所述高通滤波电路输出的交流输入信号与一补偿信号相叠加，输出一交直流叠加信号；

低通滤波电路，对所述信号叠加电路的交直流叠加信号进行低通滤波，以滤除高频杂波，从而输出待测交直流信号，作为测频信号处理电路的输出信号；

信号补偿电路，根据一预设电平和所述低通滤波电路输出的待测交直流信号产生补偿信号，所述补偿信号用以补偿所述信号叠加电路输出的交直流叠加信号中的共模电平和预设电平之间的误差，信号补偿电路输出所述补偿信号至所述信号叠加电路，以使所述共模电平始终等于预设电平；

所述信号补偿电路为积分电路，其第一输入端接收所述低通滤波电路输出的待测交直流信号，其第二输入端接收所述预设电平，所述待测交直流信号与预设电平比较后由积分电路积分输出所述补偿信号。

2.根据权利要求1所述的测频信号处理电路，其特征在于，所述信号补偿电路为积分电路，所述积分电路包括：

第一电阻，其第一端连接所述低通滤波电路的输出端；

第一运算放大器，其反向输入端连接所述第一电阻的第二端，其正向输入端接收所述预设电平，其输出端输出所述补偿信号；

第一电容，其第一端连接所述第一运算放大器的反向输入端，其第二端连接所述第一运算放大器的输出端。

3.根据权利要求1或2所述的测频信号处理电路，其特征在于，所述积分电路的积分时间远大于所述待测交直流信号中的待测交流信号的周期。

4.根据权利要求2所述的测频信号处理电路，其特征在于，还包括预设电平输出电路，包括：

第六电阻，其第一端连接所述第一运算放大器的正向输入端，其第二端接地；

第七电阻，其第一端接收电源电压，其第二端连接所述第六电阻的第一端并输出所述预设电平。

5.根据权利要求1所述的测频信号处理电路，其特征在于，所述高通滤波电路包括：

第二电容，其第一端接收所述输入信号，其第二端输出所述交流输入信号；

第二电阻，其第一端连接所述第二电容的第二端，其第二端接地。

6.根据权利要求5所述的测频信号处理电路，其特征在于，所述信号叠加电路包括：

第三电阻，其第一端连接所述信号补偿电路的输出端，其第二端输出所述交直流叠加信号；

所述第二电阻，其第一端还连接所述第三电阻的第二端。

7.根据权利要求1所述的测频信号处理电路，其特征在于，所述低通滤波电路包括：

第四电阻，其第一端连接所述信号叠加电路的输出端；

第五电阻，其第一端连接所述第四电阻的第二端；

第三电容，其第一端连接所述第四电阻的第二端；

第四电容，其第一端连接所述第五电阻的第二端，其第二端接地；

第二运算放大器，其正向输入端连接所述第五电阻的第二端，其反向输入端和其输出端均连接所述第三电容的第二端，其输出端输出所述待测交直流信号。

8.根据权利要求1所述的测频信号处理电路，其特征在于，还包括：

测频信号输出电路，接收所述测频信号处理电路输出的待测交直流信号，对所述待测交直流信号中的待测交流信号进行测频，输出测频信号。

9.根据权利要求8所述的测频信号处理电路，其特征在于，所述测频信号输出电路包括：

第八电阻，其第一端连接所述低通滤波电路的输出端；

第九电阻，其第一端连接所述第八电阻的第二端；

比较器，其第一输入端连接所述第八电阻的第二端，其第二输入端接收所述预设电平，其输出端连接所述第九电阻的第二端，其输出端输出所述测频信号。