CN107872201A - 用于生成正弦波的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于通过简单的电路结构来生成高质量正弦波的装置。该装置包括：方波生成器，其用于生成频率彼此不同的多个方波；组合电路，其用于将多个方波组合为合成波；以及滤波电路，其用于通过低通滤波器对合成波进行滤波。本发明还提供了一种用于生成高质量正弦波的方法。

Description

用于生成正弦波的装置和方法

技术领域

本公开涉及一种用于生成正弦波的装置和方法。更特别地，本公开涉及一种用于使用简单的电路结构来生成高质量正弦波的装置和方法。

背景技术

通常，控制电路出于各种目的需要高质量的正弦波。例如，将用于驱动传感器的激励信号输入到分解器电路以用于检测环保汽车中的驱动马达的位置信息。马达的位置信息的精度取决于输入到分解器电路中的正弦波的稳定性和质量，并且精确的位置信息对于增强马达控制是不可缺少的。

然而，数字电路只能生成根本上由0(零)和1组成的方波，但不能直接生成正弦波。因此，数字电路被构造为从方波生成正弦波。

本部分公开的内容提供本发明的背景。申请人注意到，本部分可能包含本申请之前可获得的信息。但是，通过提供本部分，申请人不承认包含在本部分中的任何信息构成现有技术。

发明内容

本公开的一方面提供一种用于通过简单的电路结构生成高质量正弦波的装置和方法。

在诸如微控制器的数字电路中生成的方波经历通过多个低通滤波器以生成正弦波。多级低通滤波器使电路结构复杂化，并且可能导致除去二次谐波和三次谐波的低效率，这对信号失真具有很大影响，随之产生的正弦波的质量劣化。

根据本公开的一方面，本公开提供一种用于生成正弦波的装置，其包括：方波生成器，其用于生成频率彼此不同的多个方波；组合电路，其用于将多个方波组合为合成波；以及滤波电路，其用于通过低通滤波器对合成波进行滤波。

在一个实施例中，多个方波可以包括：第一方波，其具有与目标正弦波的频率相等的频率；以及至少一个第二方波，其具有比第一方波的频率更高的奇数频率。

在另一实施例中，第一方波和第二方波可以是反相的。

在另一实施例中，组合电路可以包括：多个输入端子，其用于分别接收多个方波；输出端子，其连接到滤波电路的输入端子；以及多个各自的电阻，其位于多个输入端子和输出端子之间。

在另一实施例中，组合电路可以在第二方波与第一方波组合之前，将第二方波的振幅减小第二方波与第一方波的频率比。

在另一实施例中，滤波电路可以包括：输入端子，其用于接收合成波；第一电阻，其连接到输入端子；第一电容器，其连通在第一电阻和地之间；运算放大器，其具有反向输入端子和与第一电阻连通的非反向输入端子；第二电阻和第二电容器，该第二电阻和第二电容器彼此并联连接在运算放大器的反向输入端子和非反向输出端子之间；第三电阻，其连接在运算放大器的反向输入端子和地之间；以及电容器，其连接在运算放大器的输出端子和滤波电路的输入端子之间，运算放大器的输出端子输出正弦波。

在另一实施例中，该装置可以进一步包括偏移电路，其用于将直流偏移电压施加到从滤波电路输出的正弦波。

在另一实施例中，偏移电路可以包括：多个分压电阻，其连接在源电压和地之间；以及输出端子，其用于输出正弦波，偏移电压在多个分压电阻之间的连接节点处被施加至该正弦波。

根据本公开的另一方面，本公开提供了一种用于生成正弦波的方法，其包括：生成第一方波和至少一个第二方波，该第一方波具有与目标正弦波的频率相等的频率，该至少一个第二方波具有比第一方波的频率更高的奇数频率；将第一方波和第二方波组合为一个合成波；以及通过低通滤波器对合成波进行滤波。

在一个实施例中，第一方波和第二方波可以是反相的。

在另一实施例中，该方法可以进一步包括将偏移电压施加到在组合步骤中生成的正弦波。

在另一实施例中，组合步骤可以进一步包括在第二方波与第一方波组合之前，将第二方波的振幅减小第二方波与第一方波的频率比。

根据如上所述的用于生成正弦波的装置和方法，对应于谐波分量的方波预先产生，与具有基频的方波组合，并被滤波以容易地除去谐波，而不使用多个滤波器。因为利用诸如微控制器的方波生成器在产生多个方波中的功能，所以可以简化总电路，随之产生没有谐波的高质量正弦波信号。

因此，根据本公开的用于生成正弦波的装置和方法由于其简单的硬件组成而在经济上是有利的。另外，该装置和方法提供谐波可控的高质量正弦波，这可以有助于改进各种控制器的功能。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的上述和其它特征以及其它优点，在附图中：

图1是解释根据本公开的实施例的用于生成正弦波的装置的框图；

图2是更详细地描绘根据本公开的实施例的用于生成正弦波的装置的电路图；

图3是包括两个低通滤波器的用于生成正弦波的装置的框图；以及

图4和图5分别是由图3中的装置和根据本发明的实施例的用于生成正弦波的装置生成的正弦波信号的频谱。

具体实施方式

下面，将参照附图给出根据本发明的一些实施例的用于生成正弦波的装置和方法的描述。

本发明的一个方面提供了一种用于使用具有不同频率的两个或更多个方波信号来生成目标频率的正弦波信号的系统。来自方波生成器100的方波信号被直接或间接地馈送到低通滤波器20，用于生成目标频率正弦波信号。

当目标频率的方波信号被馈送到低通滤波器20时，产生的正弦波信号包括如图4所示的不期望的高阶谐波分量。在实施例中，为了减少产生的信号中的这种谐波正弦波分量，将具有与目标频率不同的频率的至少一个方波信号额外地馈送到低通滤波器。

在实施例中，方波生成器100能够同时生成不同频率的两个或更多个方波信号。在实施例中，方波生成器生成目标频率方波信号(图1中的第1方波)和附加方波信号(图1中的第2方波)，该附加方波信号具有与不期望的高阶(3或5的奇数阶)谐波分量相同的频率。在实施例中，目标频率方波信号和附加方波信号是反相的(180度相位差)。

在实施例中，电路10将来自方波生成器100的多个方波信号组合成低通滤波器20的单个输入信号。在低通滤波器20的输入信号中，目标频率方波分量和具有与不期望的高阶谐波分量相同频率的附加方波分量是反相的，使得从目标频率方波分量产生的高阶谐波分量被低通滤波的附加方波分量抵消。

在实施例中，来自方波生成器的目标频率方波信号(图1中的第1方波)和附加方波信号相同。当电路10生成输入信号时，电路10调整方波信号分量的振幅中的至少一个使得在输入信号中，目标频率(1阶)分量和谐波频率(3或5阶)分量的振幅之间的比是频率的阶次之间的比的反比。

图1是解释根据本公开的实施例的用于生成正弦波的装置的框图。图2是更详细地描绘根据本公开的实施例的用于生成正弦波的装置的电路图。

参照图1，根据本公开的实施例的用于生成正弦波的装置可以包括方波生成器100、集成电路10以及滤波电路20。另外，该装置可以进一步包括偏移电路30。

方波生成器100可以生成频率彼此不同的多个方波。例如，方波生成器100可以是能够生成方波的微控制器，在方波中“0(LOW)”和“1(HIGH)”以相同的时间间隔重复交替。这里，“0”和“1”不意味着物理值，而是表示可以在数字电路中输出的二进制信号的状态。“0”和“1”可以输出的各自的电压电平根据需要适当地确定。基本上，从数字电路输出的LOW信号和HIGH信号可以是数字电路的源电压。对于使用+5V的源电压的微控制器，例如，“0(LOW)”可以是对应于地的0V，而“1(HIGH)”可以是表明源电压的5V。

在本公开的一些实施例中，方波生成器100可以生成具有预定频率的第一方波和具有较高奇数(阶次)频率的至少一个第二方波。

这里，第一方波具有与待由根据本公开的一些实施例的装置生成的最终正弦波的频率相同的频率。另外，第二方波可以具有对应于在以滤波方式生成正弦波时可能出现的谐波分量的频率。基本上，当以滤波方式生成正弦波时可能出现多阶谐波。谐波表现为基频为奇整数频率，即，待生成的正弦波频率。考虑到频率为基频的三倍或五倍的谐波最多发的事实，将给出对第二方波的频率是第一方波的频率的三倍或五倍的情况的描述。

在方波生成器100中生成的第二方波与第一方波结合以抵消存在于最终生成的正弦波中的谐波分量。考虑到生成的谐波分量具有与生成的正弦波相同的相位，方波生成器100以这样的方式操作：第一方波和第二方波是反向的(180度相位差)。也就是说，当第一方波在由方波生成器100生成时在HIGH状态的部分处开始时，第二方波从LOW状态的部分输出。

组合电路10将均在方波生成器100中生成的第一方波和第二方波组合为合成波。例如，组合电路10可以包括多个输入端子11至13，其分别接收由方波生成器100生成的多个方波；输出端子17，其连接到滤波电路20的输入端子；以及多个各自的电阻14至16，其位于多个输入端子11至13与输出端子17之间。

在组合电路10中，第二方波适于抵消在随后的滤波过程中可能出现的谐波分量。考虑到谐波分量的振幅小于具有主频率的正弦波的振幅的事实，可以确定多个电阻14至16的值。基于通过一个滤波电路生成的谐波分量的振幅可以与频率成反比的事实，可以提供电阻14至16以将第二方波的振幅减小第二方波与第一方波的频率比。例如，当两个第二方波分别具有三倍主频率和五倍主频率时，组合电路10的电阻14至16可以设计为将两个第二方波的振幅分别减小为主振幅的1/3和1/5。关于此，电阻14至16可以设置有1:3:5的电阻比。当然，该电阻设计是在方波生成器中生成的第一方波和第二方波具有相同振幅的假设下进行的。

在它们的振幅由各自的电阻14至16控制之后，将输入到输入端子11至13中的方波在一个节点中组合并且然后从输出端子17输出。

滤波电路20用于通过使在组合电路10中生成的合成波通过低通滤波器来形成方波。根据本公开的一些实施例，滤波电路20可以实施为本领域已知的各种滤波电路结构。图2中所描绘的滤波电路20是非反向二阶低通滤波器的一个示例。

更详细地，滤波电路20可以包括：输入端子21，其用于接收合成波；电阻23，其连接到输入端子21；电容器24，其连通在电阻23和地之间；运算放大器22，其具有反向输入端子和非反向输入端子，该非反向输入端子与电阻23和电容器24两者的连接节点连通；电阻25和电容器26，该电阻25和电容器26彼此并联连接在运算放大器22的反向输入端子和非反向输出端子之间；电阻27，其连接在运算放大器的反向输入端子和地之间；以及电容器28，其连接在运算放大器22的输出端子和输入端子21之间。

图2中所描绘的滤波电路20是三阶低通滤波器的示例，其中通过电阻23、电容器24和28以及电阻25和电容器26形成三个极点和三个零点，其中电阻23和电容器24和28全部连接到运算放大器22的非反向输入端子，并且电阻25和电容器26彼此并联连接在运算放大器22的反向输入端子和输出端子之间。运算放大器22的输出端子还用作滤波电路20的输出端子28。通过输出端子28输出通过低通滤波生成的正弦波。

偏移电路30适于通过将DC偏移电压施加到从滤波电路20输出的正弦波来平衡正弦波的总电平。

更详细地，偏移电路30可以包括：多个分压电阻32和33，其连接在源电压和地之间；以及输出端子34，其用于输出正弦波，偏移电压在多个分压电阻32和33之间的连接节点处被施加至该正弦波。偏移电路30的输入端子连接到滤波电路20的输出端子。在偏移电路30中，输入到输入端子的正弦波被施加到分压源电压的分压电阻32和33之间的连接节点，由此从滤波电路20输出的正弦波依据施加到连接节点的直流电压的幅度而经历电平改变并且从偏移电路30的输出端子34输出。

图3是用于生成正弦波的装置的框图。图4和图5分别是由图3的用于生成正弦波的装置和根据本发明的实施例的用于生成正弦波的装置生成的正弦波信号的频谱。

如图3所示，用于生成正弦波的装置包括：方波生成器100，其用于生成具有与目标正弦波相同频率的单频方波；第一滤波电路200，其用于通过低通滤波器对由方波生成器生成的方波进行滤波；以及第二滤波电路300，其用于通过低通滤波器对由第一滤波电路200滤波的信号进行滤波。

如上所述，图3的用于生成正弦波的装置采用多个滤波电路，使得其硬件昂贵。另外，其抑制谐波分量的性能受到限制。这可以从如图4所示的装置的输出频谱很好地理解。

参照图4，尽管有多个滤波阶段，但图3的装置生成频率为基频的三倍和五倍的大量谐波。

转见图5，根据本公开的实施例的用于生成正弦波的装置极大地减少了频率为基频的三倍和五倍的谐波分量，因此生成高质量的正弦波。

如上所述，在根据本公开的一些实施例的用于生成正弦波的装置中，对应于谐波分量的方波预先产生，与具有基频的方波组合，并被滤波以容易地除去谐波，而不使用多个滤波器。因为利用诸如微控制器的方波生成器在产生多个方波中的功能，所以可以简化总电路，随之产生没有谐波的高质量正弦波信号。

因此，与使用单频方波的装置相比，根据本公开的用于生成正弦波的装置在经济上是有利的，因为其具有减少数量的低通滤波器的简单硬件组成。另外，该装置提供谐波可控的高质量正弦波，这可以有助于改进各种控制器的功能。

尽管参照附图中所示的具体实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实施例可以各种方式改变和修改。

Claims (12)

1.一种用于生成正弦波的装置，其包括：

方波生成器，其用于生成频率彼此不同的多个方波；

组合电路，其用于将所述多个方波组合为合成波；以及

滤波电路，其用于通过低通滤波器对所述合成波进行滤波。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个方波包括：第一方波，其具有与目标正弦波的频率相等的频率；以及至少一个第二方波，其具有比所述第一方波的频率更高的奇数频率。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一方波和所述第二方波是反相的。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述组合电路包括：多个输入端子，其用于分别接收所述多个方波；输出端子，其连接到滤波电路的输入端子；以及多个各自的电阻，其位于所述多个输入端子和所述输出端子之间。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述组合电路在所述第二方波与所述第一方波组合之前，将所述第二方波的振幅减小所述第二方波与所述第一方波的频率比。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述滤波电路包括：

输入端子，其用于接收所述合成波；

第一电阻，其连接到所述输入端子；

第一电容器，其连通在所述第一电阻和地之间；

运算放大器，其具有反向输入端子和非反向输入端子，所述非反向输入端子与所述第一电阻连通；

第二电阻和第二电容器，所述第二电阻和所述第二电容器彼此并联连接在所述运算放大器的反向输入端子和非反向输出端子之间；

第三电阻，其连接在所述运算放大器的反向输入端子和地之间；以及

电容器，其连接在所述运算放大器的输出端子和所述滤波电路的输入端子之间，所述运算放大器的输出端子输出正弦波。

7.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括偏移电路，所述偏移电路用于将直流偏移电压施加到从所述滤波电路输出的正弦波。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述偏移电路包括：

多个分压电阻，其连接在源电压和地之间；以及

输出端子，其用于输出正弦波，偏移电压在所述多个分压电阻之间的连接节点处被施加至所述正弦波。

9.一种用于生成正弦波的方法，其包括：

生成第一方波和至少一个第二方波，所述第一方波具有与目标正弦波的频率相等的频率，所述至少一个第二方波具有比所述第一方波的频率更高的奇数频率；

将所述第一方波和所述第二方波组合为一个合成波；以及

通过低通滤波器对所述合成波进行滤波。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一方波和所述第二方波是反相的。

11.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括将偏移电压施加到在组合步骤中生成的正弦波。

12.根据权利要求9所述的方法，其中组合步骤进一步包括在所述第二方波与所述第一方波组合之前，将所述第二方波的振幅减小所述第二方波与所述第一方波的频率比。