CN109921796A - 一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路 - Google Patents
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Abstract
一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路,包括移相电路以及电信号转直流电平电路，移相前的周期变化的电信号经过第一电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位的周期变化的电信号经过第二电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平。本发明的技术效果在于，通过采用移相电路以及电信号转直流电平电路的组合，将移相前和移相后的周期变化电信号分别转换为间断的直流信号电平，将得到的所有信号电平通过“或”或其他运算电路合并输出或者分别输出，就能将输入的周期变化的电信号转换成直流信号电平。
Description
技术领域
本发明涉及一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，尤其是涉及一种包含或不包含直流分量的正弦或余弦以及近似电信号转换为直流信号电平的电路。
背景技术
在电子测量与自动控制系统中，周期变化的电信号，尤其是正弦波或余弦波是很重要的一种模拟信号，有着广泛的应用，将正弦波或余弦转化成一种直流信号电平在很多领域有重要的意义。
尤其在使用渡越时间法测距领域，机械波（声波、超声波等）或电磁波等被接收后得到正弦或余弦波电信号，经放大和比较电路仅能得不连续的信号电平，信号电平间断处的长短决定了测距精度。
发明内容
本发明目的是提供一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，本发明的进一步目的是为或机械波或电磁波渡越时间法测距提供一种实现高精度测距的接收处理电路。
一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于, 包括移相电路以及电信号转直流电平电路，移相前的周期变化的电信号经过第一电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位的周期变化的电信号经过第二电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平。
这样，移相前和移相后的波形具有互补性，实现的效果是：只要接收到信号，2路周期变化的电信号转直流电平电路必然有一个能接收到信号电平。
周期变化的电信号是下列信号中的一种，包括正弦或余弦电信号、方波电信号、三角波电信号、梯形波电信号或者包含直流分量的正弦或余弦电信号、方波电信号、三角波电信号、梯形波电信号或者由于放大电路饱和而产生斩波的包含或不包含直流分量的正弦或余弦电信号、方波电信号、三角波电信号、梯形波电信号。
电信号转直流电平电路输出的间断的直流信号电平，由于采用元件性能以及信号强度的不同，周期变化的电信号转直流电平电路结果可能以方波或梯形波或者二者的近似波形输出。
将该电路应用于声波接收，则有声波接收电路如下：
一种声波信号接收电路，包括声波接收传感器以及声波接收电路，声波接收传感器将接收到的声波转换为正弦或余弦电信号，其特征在于，所述声波接收电路包括放大电路，还包括移相电路以及电信号转直流电平电路，移相前的电信号经过第一电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位的电信号经过第二电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平。
将上述声波接收电路用于声速测定，则有声速测定装置如下：
一种声速测定装置，包括时间测定以及数据处理模块、声波发射电路、声波发射传感器、声波接收传感器以及声波接收电路，声波接收传感器将接收到的声波转换为正弦或余弦电信号，其特征在于, 声波发射传感器和声波接收传感器之间的距离是固定值，所述声波接收电路包括放大电路、移相电路以及电信号转直流电平电路，移相前的电信号经过第一电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位电信号经过第二电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，2路间断直流电平合并后输出到时间测定以及数据处理模块或者分别输出到时间测定以及数据处理模块，时间测定以及数据处理模块测定声波从发射到接收到信号的时间，从而得到实现声速的测定。
公知的2路信号合并采用逻辑“或”或者“或非”运算，对于以高电平为检测到信号电平的还可以进行“加法”运算，对于以低电平为检测到信号电平的还可以进行“减法”运算。
将上述声波接收电路用于声波测距，则有声波测距装置如下：
一种声波测距装置，包括时间测定以及数据处理模块、声波发射电路、声波发射传感器、声波接收传感器以及声波接收电路，其特征在于,所述声波接收电路包括放大电路，还包括移相电路以及电信号转直流电平电路，移相前的电信号经过第一电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位电信号经过第二电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，2路间断直流电平合并后输出到时间测定以及数据处理模块或者分别输出到时间测定以及数据处理模块，时间测定以及数据处理模块测定声波从发射到接收到信号的时间，从而得到实现测距。
将上述声波接收电路用于声波定位，则有声波定位装置如下：
一种声波定位装置，包括时间测定以及数据处理模块、声波发射电路、声波发射传感器、声波接收传感器以及声波接收电路，其特征在于,包含3个成固定排列的声波接收传感器和声波接收电路以及1个声波发射传感器和声波发射电路，或者包含3个成固定排列的声波发射传感器以和声波发射电路及1个声波接收传感器和声波发射电路，所述声波接收电路包括放大电路，还包括移相电路以及电信号转直流电平电路，移相前的电信号经过第一电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位的电信号经过第二电信号转直流电平电路输出间断的直流信号电平，2路间断直流电平合并后输出到时间测定以及数据处理模块或者分别输出到时间测定以及数据处理模块，时间测定以及数据处理模块测定声波从发射到接收到信号的时间，实现测距，分别测定3组测距值，从而实现定位。
进一步的，为提高声波定位装置或测距装置的精度需要测定声速，则可以应用声速测定装置于上述的声波定位装置或测距装置。
下面的内容进一步描述信号转换电路的技术特征
公知的，最所述声波选择40kHZ超声波时，抗干扰能力和空气中衰减速度等指标的综合性能最佳。
所述移相电路的移相角为π/4-3π/4之间。
这样，接收电路信号经过过微分电路或积分电路后与原信号产生π/4-3π/4的相位差。
所述移相电路的移相角为π/2或3π/2。
这样，接收电路信号经过过微分电路或积分电路后与原信号产生π/2相位差，原先的信号最弱的区域就是现在的波峰，再与原先信号叠加解决了渡越时间法测距因为信号最弱的区域电路无法检测而造成的测距精度无法提高的问题。
所述移相电路为微分电路或积分电路。
所述第一电信号转直流电平电路或者第二电信号转直流电平电路包括一种正半周信号的转换电路和一种负半周信号的转换电路。
这样，正负半周信号分别转换后叠加。
所述正半周信号的转换电路是输入信号接同相端的电压比较器，所述负半周信号的转换电路是输入信号接反相端的电压比较器。
所述电压比较器是单限比较器、滞回比较器或窗口比较器中的一种。
所述正半周信号的转换电路是输入信号接同相施密特触发器，所述负半周信号的转换电路是输入信号接反相施密特触发器。
所述第一电信号转直流电平电路或第二电信号转直流电平电路是一种双电源电路，所述第一电信号转直流电平电路或第二电信号转直流电平电路包括全波整流电路，所述信号经过全波整流后，经过比较电路或者施密特触发器输出。
所述全波整流电路是一种精密全波整流电路。
这样，经过过全波整流电路正负半周的信号在比较电路前叠加。
接收的电信号经放大电路放大，电路放大电路是下列电路中的一种：一级或多级放大器电路、AGC自动控制增益电路或者放大器电路与AGC自动控制增益电路的组合。
所述放大电路是一种单电源电路，所述正弦或余弦或近似电信号以电源电压的1/2为中心变化；或者所述放大电路所述是一种双电源电路，所述正弦或余弦或近似电信号以零电位为中心变化。
所述信号经放大电路放大后，经过滤波器电路。
所述滤波器是一种带通滤波器。
所述时间测定以及数据处理模块是包含定时器（TIMER）的单片机（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)中。
公知的，所述定时器工作于输入捕获方式，发射声波时开始计时，收到声波时捕获信号的上升沿或下降结束计时，从而得到声波从发射到接收的时间。
还设置其他1个或若干个移相电路和对应的电信号转直流电平电路，每个移动相电路移相角不同，移相电路改变相位的电信号经过对应的电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平输出。
这样，对应一个信号周期包含若干个穿越或接近零信号区域的周期变化的电信号，配置移相角不同的移相电路，也能将其转变为直流电平信号；或者对于只能将正半周或负半周电信号转直流电平的电信号转直流电平电路，分别配置移相90度，180度，270度的移相电路也能将正弦或余弦电信号转换连续的直流信号电平。
本发明的技术效果在于，通过采用移相电路以及电信号转直流电平电路的组合，将移相前和移相后的周期变化电信号分别转换为间断的直流信号电平，将得到的所有信号电平通过“或”或其他运算电路合并输出或者分别输出，就能将输入的周期变化的电信号转换成直流信号电平。
将这种电路运用于使用渡越时间法测距领域，尤其是机械波（声波、声波等）能获得极高的时间测量精度，从而能获得极高的测距、测速、定位精度。
附图说明
图1是适用于比较强的周期变化的电信号实施例的电路方框原理图。
图2是适用双电源电路另一实施例的电路方框原理图。
图3是带有放大电路和滤波电路的另一实施例的电路方框原理图。
图4、图5、图6是超声波接收电路3种实施例的电路方框原理图。
图7是超声波测距或超声波声速测定实施例的方框原理图。
图8、图9是超声波定位实施例的方框原理图。
图10是超声波发射电路的详细原理图。
图11是超声波接收电路的详细原理图。
图12是AGC自动控制增益电路的举例。
具体实施方式
下列实施例1、实施例2、实施例3是周期变化的电信号转换为信号电平的电路。
实施例1
如图1，对于比较强周期变化的电信号，采用微分电路模块移相π/4-3π/4后，当然移相π/2是最佳的，移相前和移相后信号分别输送到2组电信号转直流电平模块，每组电信号转直流电平模块包括1个同相滞回比较器模块和1个反相滞回比较器模块组成的，得到4组间断的信号电平。如果对4组间断的信号电平进行或运算，只要接收到正弦或余弦就能得到信号电平。
实施例2
如图2，同样是比较强的周期变化的电信号，电路是双电源电路，采用微分电路模块移相后，因此移相前和移相后信号分别可以用精密全波整流电路翻转负半周的信号，然后再分别输送2组电信号转直流电平模块，每组电信号转直流电平模块包括1个过零比较电器模块，得到2组间断的信号电平。与实施例1不同的是，实施例适用于单电源电路和双电源电路，实施例2仅适用于双电源电路。
实施例3
如图3，对于比较弱的周期变化的电信号，信号先经过放大器模块放大，再经过带通滤波器模块滤波后，采用微分电路模块移相移相π/2，移相前和移相后信号分别输送到2组电信号转直流电平模块，每组电信号转直流电平模块包括1个同相施密特触发器模块和1个反相施密特触发器模块，这样得到4组间断的信号电平。与实施例1不同的是，实施例3适用于弱信号。
下列实施例4、实施例5、实施例6是正弦或余弦信号转换为信号电平电路应用于超声波接收电路的实施例。
实施例4
如图4，对于超声波接收传感器接收到的正弦或余弦信号，先经过一级放大器模块和二级放大器模块放大，再经过带通滤波器模块滤波后，采用微分电路模块移相移相π/2，移相前和移相后信号分别输送到2组电信号转直流电平模块，每组电信号转直流电平模块包括1个同相滞回比较器模块和1个反相滞回比较器模块组成的，得到4组间断的信号电平输出。
实施例5
如图5，对于超声波接收传感器接收到的正弦或余弦信号，先经过一级放大器模块和二级放大器模块放大，再经过带通滤波器模块滤波后，采用微分电路模块移相移相π/2，移相前和移相后信号分别输送到2组电信号转直流电平模块，每组电信号转直流电平模块包括1个窗口比较器模块，得到2组间断的信号电平，2组间断的信号电平经或门逻辑运算模块合并信号后输出。
实施例6
如图6，对于超声波接收传感器接收到的正弦或余弦信号，先经过一级放大器模块和AGC自动控制增益电路模块放大，再经过带通滤波器模块滤波后，采用微分电路模块移相移相π/2，移相前和移相后信号分别输送到2组电信号转直流电平模块，每组电信号转直流电平模块包括1个同相施密特触发器模块和1个反相施密特触发器模块组成的，得到4组间断的信号电平输出。
下列实施例7、实施例8、实施例9、实施例10是超声波接收电路的分别应用于超声波测距、超声波声速测定、超声波定位的实施例。
实施例7是超声波接收电路在测定超声波声速领域的应用。
如图7选择前述实施例4、实施例5、实施例6的超声波接收电路一种，配合超声波发射电路和超声波发射传感器、超声波接收传感器以及时间测定以及数据处理模块，组成超声波声速测定装置。所述时间测定以及数据处理模块是包含定时器的单片机（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)中。所述定时器工作于输入捕获方式，发射声波时开始计时，收到声波时捕获信号的上升沿或下降结束计时，从而得到声波从发射到接收的时间。当超声波接收传感器和发射传感器之间的距离是已知的，则可以得到声速。
如图10 是超声波的发射电路以及发射单元的具体电路举例，其工作原理是利用STM32的GPIO从R70输入高电平三极管导通为MAX232供电，同时采用STM32高级定时器输出2路40KHZ、占空比为50%的互补PWM信号，分别输入至MAX232的T1IN和T2IN，利用MAX232的电荷泵提升电压驱动T40-16超声波发射单元激励出40KHZ的超声波。
如图11是超声波的接收电路以及接收单元的具体电路举例，所述每个接收单元对应的接收电路依次连接2级放大器模块、滤波器模块、比较器模块，其工作原理是接收单元R40-16接收到超声波信号将在引脚两端产生很小的电压信号，经LM324实现的2级放大器模块、带通滤波器模块、微分电路模块移相，移相前信号和移相后的信号分别输出到LM339组成的4路迟滞比较器模块，移相前信号和移相后的信号分别输送到1个同相滞回比较器模块和1个反相滞回比较器模块组成的2组电信号转直流电平模块，于是得到4组间断的信号电平输出，4路信号合并后最终传输至STM32的GPIO，由STM32的定时器捕获信号的上升沿获得超声波从发射单元到达接收单元的时间。
由于超声波接收传感器和发射传感器之间的距离测量有很高的精度，而且本实施例的声波从发射到接收的时间也有很高的精度，因此可以得到精确声速测量值。
当然也可以用AGC自动控制增益电路,替代LM324组成的第二级放大器电路，实际应用中，由于放大电路的输出的幅度恒定不出现饱和，移相电路可以得到更好的移相波形。
AGC自动控制增益电路举例如图12，选用AD603作为主放大器，两片AD603采用顺序级联形式，充分发挥每一片AD603的增益控制功能。AGC检波由9018完成，9018同时送出AGC控制电压。完整的放大器及AGC电路如图2所示。
经两级AD603放大的信号，一路由J2送入下一级信号通道，另一路则由C10输入到9018用于AGC检波。9018的发射极PN结完成AGC检波，并由集电极经电容CAGC滤波后送出AGC控制电压VAGC。
输入信号增大时，9018的基极瞬时电流也增大，相应的集电极电流也跟着增大，从而R7两端的瞬时压降也增大，则集电极瞬时电压减小，经滤波后得到的VAGC也相应减小；同样，输入信号减小时，VAGC则会增大，即VAGC与输入信号的强度成反比，符合AGC电压反向控制要求。
实施例8是超声波接收电路在在超声波测距领域的应用
如图7，实施例8与实施例7不同的地方在于：
实施例7超声波接收传感器和发射传感器之间的距离是已知的；实施例8声速是已知，声速可以根据测定的温度等参数计算，也可以采用实施例7的声速测量装置，可以得到更精确的声速测定值。
实施例9是超声波接收电路在在超声波定位领域的应用
如图8，选择前述实施例4、实施例5、实施例6的超声波接收电路中的一种作为接收电路，采用3路接收电路，配合3个超声波接收传感器、超声波发射电路和超声波发射传感器以及时间测定以及数据处理模块，组成超声波定位装置。所述时间测定以及数据处理模块是包含定时器的单片机（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)中。所述定时器工作于输入捕获方式，发射声波时开始计时，收到声波时捕获信号的上升沿或下降结束计时，从而得到声波从发射到接收的时间，分别测定3路接收装置接收到超声波的时间，由于声速是已知，则可以得到超声波发射传感器到超声波接收传感器距离从而解算出超声波发射传感器的相对坐标，也可以采用实施例7的声速测量装置，可以得到更精确的声速测定值，从而提高定位精度。
实施例10也是有关于超声波接收电路在在超声波定位领域的应用
如图9，实施例10和实施例9的区别在于：实施例9有3路接收电路以及3个超声波接收传感器，只有1个超声波发射电路和1个超声波发射传感器；实施例10有1路接收电路以及1个超声波接收传感器，但是有3个超声波发射电路和3个超声波发射传感器。3个超声波发射电路和3个超声波发射传感器以一定的时间间隔发射超声波，分别得到3组测距值，从而实现定位。
本发明未述部分与现有技术相同。
Claims (10)
1.一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，包括移相电路以及周期变化的电信号转直流电平电路，移相前的周期变化的电信号经过第一电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平，经移相电路改变相位的周期变化的电信号经过第二电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平。
2.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，周期变化的电信号是下列信号中的一种，包括正弦或余弦电信号、方波电信号、三角波电信号、梯形波电信号或者包含直流分量的正弦或余弦电信号、方波电信号、三角波电信号、梯形波电信号或者由于放大电路饱和而产生斩波的包含或不包含直流分量的正弦或余弦电信号、方波电信号、三角波电信号、梯形波电信号。
3.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，所述移相电路的移相角为π/4-3π/4之间。
4.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，所述移相电路为微分电路或积分电路。
5.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，所述第一电信号转直流电平电路或者第二电信号转直流电平电路包括一种正半周信号的转换电路和一种负半周信号的转换电路。
6.根据权利要求6所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，所述正半周信号的转换电路是输入信号接同相端的电压比较器，所述负半周信号的转换电路是输入信号接反相端的电压比较器。
7.根据权利要求6所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，所述正半周信号的转换电路是输入信号接同相施密特触发器，所述负半周信号的转换电路是输入信号接反相施密特触发器。
8.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，所述第一电信号转直流电平电路或第二电信号转直流电平电路是一种双电源电路，所述第一电信号转直流电平电路或第二电信号转直流电平电路包括全波整流电路，所述信号经过全波整流后，经过比较电路或者施密特触发器输出。
9.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，接收的电信号经放大电路放大，电路放大电路是下列电路中的一种：一级或多级放大器电路、AGC自动控制增益电路或者放大器电路与AGC自动控制增益电路的组合。
10.根据权利要求1所述的一种将周期变化的电信号转换为直流信号电平的电路，其特征在于，还设置其他1个或若干个移相电路和对应的电信号转直流电平电路，每个移动相电路移相角不同，移相电路改变相位的电信号经过对应的电信号转直流电平电路后输出间断的直流信号电平输出。
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