CN109981083B - 波形整形电路及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及电子电路技术领域，公开了一种波形整形电路和电子设备。本发明中，一种波形整形电路，包括：幅度检波单元和比较器；波形输入端和比较器的第一输入端连接；幅度检波单元的一端和波形输入端连接，幅度检波单元的另一端和比较器的第二输入端连接；幅度检波单元，用于接收波形输入端的输入电压，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压；比较器，用于接收基准电压和波形输入端的输入电压，并比较输入电压和基准电压，输出波形整形后的电平信号。本发明实施例还提供了一种电子设备；不仅可以通过简单的电路结构对信号进行波形整形，且可以解决现有技术中的波形整形电路在适用上的局限性问题。

Description

波形整形电路及电子设备

技术领域

本发明实施例涉及电子电路技术领域，特别涉及一种波形整形电路及电子设备。

背景技术

信号波形整形在现代电子技术中有着广泛应用，最常用的就是将非方波信号(比如正弦波信号)整形成方波信号，以便数字系统能够识别处理。传统的方波整形电路如图1、图2所示：待整形信号Vi输入比较器的其中一个输入端，比较器的另外一个输入端接一个固定电压Vr作为基准电压。当待整形信号Vi上升到大于基准电压Vr或者下降到小于基准电压Vr时，比较器的输出端输出的电平发生翻转，从而输出待整形信号Vi的方波信号Vo。

然而，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：由于比较器基准电压保持固定不变，因此，如果输入的待整形信号的幅值是浮动变化的，且当其某些时间段内的幅值小于基准电压时，比较器将识别不到此时间段内输入待整形信号幅值的变化，即输出的方波信号Vo将不能有效跟随输入的待整形信号Vi的变化而翻转电平，导致电路失效。所以，这种传统的波形整形电路在适用上具有局限性。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种波形整形电路及电子设备，不仅可以通过简单的电路结构对信号进行波形整形，且可以解决现有技术中的波形整形电路在适用上的局限性问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种波形整形电路，包括：幅度检波单元和比较器；波形输入端和比较器的第一输入端连接；幅度检波单元的一端和波形输入端连接，幅度检波单元的另一端和比较器的第二输入端连接；幅度检波单元，用于接收波形输入端的输入电压，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压；比较器，用于接收基准电压和波形输入端的输入电压，并比较输入电压和基准电压，输出波形整形后的电平信号。

本发明的实施方式还提供了一种电子设备，包括：波形整形电路、信号调理单元以及数字处理器；信号调理单元的一端与波形整形电路的一端连接，波形整形电路的另一端与数字处理器连接；其中，波形整形电路，包括：幅度检波单元和比较器；波形输入端和比较器的第一输入端连接；幅度检波单元的一端和波形输入端连接，幅度检波单元的另一端和比较器的第二输入端连接；幅度检波单元，用于接收波形输入端的输入电压，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压；比较器，用于接收基准电压和波形输入端的输入电压，并比较输入电压和基准电压，输出波形整形后的电平信号。

本发明实施方式相对于现有技术而言，一种波形整形电路，包括：幅度检波单元和比较器；波形输入端和比较器的第一输入端连接；幅度检波单元的一端和波形输入端连接，幅度检波单元的另一端和比较器的第二输入端连接；幅度检波单元，用于接收波形输入端的输入电压，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压；比较器，用于接收基准电压和波形输入端的输入电压，并比较输入电压和基准电压，输出波形整形后的电平信号。由于本实施方式中的波形整形电路仅包括幅度检波单元和比较器，因此电路结构较为简单；由于幅度检波单元可以生成与输入电压的幅值成正比的基准电压，也即是说，基准电压的大小可以根据输入电压的大小进行自适应调整，从而可以保证比较器输出的电平必然可以在输入电压发生变化的情况下发生翻转，解决了现有技术中的波形整形电路在适用上的局限性问题。

另外，幅度检波单元，具体包括：二极管、电容和电阻；二极管的正极与波形输入端连接，二极管的负极经过电容的一端、电阻的一端与比较器的第二输入端连接；电容的另一端和电阻的另一端分别接地。通过提供了一种幅度检波单元的具体实现形式，有利于本实施方式中的幅度检波单元可以灵活多变的实现。

另外，电容的电容值和电阻的电阻值，具体根据波形输入端的输入电压确定。通过根据波形输入端的输入电压来确定电容的电容值和电阻的电阻值，有利于更准确的生成与输入电压的幅值成正比的基准电压。

另外，二极管，具体为：正向压降小于预设阈值的二极管。由于二极管存在压降，通过选取正向压降小于预设阈值的二极管作为本发明实施例中的二极管，方便适用于输入电压的幅值较小的情况。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据现有技术提供的一种波形整形电路图；

图2是根据现有技术提供的另一种波形整形电路图；

图3是根据本发明第一实施方式提供的一种波形整形电路的结构连接示意图；

图4是根据本发明第一实施方式提供的一种波形整形电路图；

图5是根据本发明第一实施方式提供的输入电压在不同幅值状态下的波形整形电路的效果示意图；

图5-1是根据本发明第一实施方式提供的输入电压在一种幅值状态下的波形整形电路的效果示意图；

图5-2是根据本发明第一实施方式提供的输入电压在另一种幅值状态下的波形整形电路的效果示意图；

图5-3是根据本发明第一实施方式提供的输入电压在另一种幅值状态下的波形整形电路的效果示意图；

图5-4是根据本发明第一实施方式提供的输入电压在另一种幅值状态下的波形整形电路的效果示意图；

图6是根据本发明第三实施方式提供的一种电子设备的结构连接示意图；

图7是根据本发明第三实施方式提供的一种电子设备的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种波形整形电路。如图3、图4所示，包括：幅度检波单元11和比较器12；波形输入端和比较器12的第一输入端连接；幅度检波单元11的一端和波形输入端连接，幅度检波单元11的另一端和比较器12的第二输入端连接；幅度检波单元11，用于接收波形输入端的输入电压Ui，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压Ur；比较器12，用于接收基准电压Ur和波形输入端的输入电压Ui，并比较输入电压和基准电压，输出波形整形后的电平信号Uo。其中，图4中的Ui(t)、Ur(t)、Uo(t)分别表示t时刻下的输入电压、基准电压、波形整形后的电平信号。

由于本实施方式中的波形整形电路仅包括幅度检波单元11和比较器12，因此电路结构较为简单；由于幅度检波单元11可以生成与输入电压的幅值成正比的基准电压，也即是说，基准电压的大小可以根据输入电压的大小进行自适应调整，从而可以保证比较器12输出的电平必然可以在输入电压发生变化的情况下发生翻转，解决了现有技术中的波形整形电路在适用上的局限性问题。

下面对本实施方式的波形整形电路的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

以图4为例对本实施方式中的波形整形电路的结构进行说明。

具体的说，波形输入端和比较器12的反相输入端连接；幅度检波单元11的一端和波形输入端连接，幅度检波单元11的另一端和比较器12的同相输入端连接，比较器12的电源端与电源正极VCC连接，比较器12的地端接地，即GND。幅度检波单元11，用于接收波形输入端的输入电压Ui(t)，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压Ur(t)。比较器12，用于接收波形输入端的输入电压Ui(t)和基准电压Ur(t)，并比较输入电压Ui(t)和基准电压Ur(t)，输出波形整形后的电平信号Uo(t)。

需要说明的是，在图4中，比较器的反相输入端作为第一输入端，同相输入端作为第二输入端。然不限于此，在其他实施例中，还可以是第一输入端作为同相输入端，第二输入端作为反向输入端，本实施方式对此不作具体限定。

进一步地，幅度检波单元11可以包括：二极管D1、电容C1和电阻R1；二极管D1的正极与波形输入端连接，二极管D1的负极经过电容C1的一端、电阻R1的一端与比较器12的第二输入端连接；电容C1的另一端和电阻R1的另一端分别接地。

其中，这里所说的二极管D1，可以为：正向压降小于预设阈值的二极管，比如可以是锗二极管。由于二极管存在压降，通过选取正向压降小于预设阈值的二极管作为本发明实施例中的二极管，方便适用于输入电压的幅值较小的情况。

其中，这里所说的比较器12，可以为：如图4所示的单电源比较器，然而在其他实施方式中，还可以是双电源比较器等，本实施方式对比较器12类型的选取不作具体限定。

以下结合图4及图5对本实施方式中的波形整形电路的工作原理进行说明。

若波形输入端的输入电压Ui(t)处于上升周期，当输入电压Ui(t)上升至大于二极管D1负极的电压时，二极管D1导通，输入电压Ui(t)通过二极管D1的正向电阻向电容C1充电，电容C1两端电压逐渐上升至接近输入电压Ui(t)的幅值；若波形输入端的输入电压Ui(t)处于下降周期，当输入电压Ui(t)下降至小于二极管D1负极的电压时，二极管D1截止，电容C1通过电阻R1放电，电容C1两端电压随之下降。如此，电容C1跟随Ui(t)进行周期性的充放电，可在电阻R1上得到与输入电压Ui(t)幅值成正比的电压信号，即基准电压Ur(t)。

基准电压Ur(t)与比较器12的同相输入端连接，波形输入端与比较器12的反相输入端连接。可以理解，由于二极管D1存在压降，所以基准电压Ur(t)的幅值永远比波形输入端的输入电压Ui(t)的幅值小。比较器12将输入电压Ui(t)与基准电压Ur(t)进行比较，当输入电压大于基准电压时，输出低电平信号；当输入电压小于输入电压时，输出高电平信号。这样，比较器12输出端可以输出频率与输入电压Ui(t)相同的电平信号Uo(t)，此电平信号即为波形整形后的方波信号。具体可以参见图5，其给出了四组(分别为图5-1、图5-2、图5-3、图5-4)输入电压在不同幅值状态下的波形整形效果示意图。

需要说明的是，在现有技术中还有一种基于传统波形整形电路的改进方案，有如，通过单片机控制模数转换器ADC测出待整形信号的电压均值，然后根据此均值控制数字电位器输出相等的电压作为比较器的基准电压。该方案也能根据输入电压的幅值调整与之比较的基准电压。然而，在该方案中，由于使用到了模数转换器ADC、单片机以及数字电位器，电路结构复杂，成本较高；又由于输入电压需要经过模数转换，然后再经过单片机处理，最后再由单片机输出控制信号控制数字电位器输出基准电压，由于环节众多，每个环节的处理都需要时间，所以必然导致基准电压较输入电压有延迟，这不符合很多场景的应用需求，在应用上存在一定局限性。

而在本实施方式中，只需使用几个简单的分立元件，结合一个比较器即可实现基准电压的自适应调整功能，使得波形整形电路可以适应不同幅值的电压输入，电路结构简单，成本较低，可以有效降低使用功耗，并且可以满足大多数场景的应用需求。

不难发现，本实施方式提供的一种波形整形电路，由于本实施方式中的波形整形电路仅包括幅度检波单元和比较器，因此电路结构较为简单；由于幅度检波单元可以生成与输入电压的幅值成正比的基准电压，也即是说，基准电压的大小可以根据输入电压的大小进行自适应调整，从而可以保证比较器输出的电平必然可以在输入电压发生变化的情况下发生翻转，解决了现有技术中的波形整形电路在适用上的局限性问题。

本发明的第二实施方式涉及一种波形整形电路。本实施方式是在第一实施方式的基础上作了进一步改进，具体改进之处在于：在本实施方式中，电容的电容值和电阻的电阻值，具体根据波形输入端的输入电压确定。本实施方式中，通过根据波形输入端的输入电压来确定电容的电容值和电阻的电阻值，有利于更准确的生成与输入电压的幅值成正比的基准电压。

具体的说，对于电容C1的电容值和电阻R1的电阻值的选取，具体可以根据波形输入端的输入电压确定，以使得在电容C1处于放电周期时，其电压下降到与输入电压Ui(t)上升周期发生交汇时的电压略小于输入电压Ui(t)当前周期的幅值为最佳。

假设Vr0为电容C1的初始电压值，Vr1为电容C1最终可放电到的电压值，则t时刻电容C1上的电压值Vr(t)可表示为：

Vr(t)＝Vr0+(Vr1-Vr0)*[1-exp(-t/R1*C1)] (1)

可推出：

R1*C1＝t/Ln[(Vr1-Vr0)/(Vr1-Vr(t))] (2)

进一步地，可取Vr0近似等于输入电压的幅值A减去二极管D1的正向压降VF,

即：Vr0＝A–VF (3)

容易知道：

Vr1＝0 (4)

进一步地，由(2)、(3)、(4)可得：

R1*C1＝t/Ln[(A-VF)/Vr(t)] (5)

当Vr(t)与Ui(t)发生交汇时，

Vr(t)＝Ui(t) (6)

将(6)式代入(5)式可得：

R1*C1＝t/Ln[(A-VF)/Ui(t)] (7)

这样，如果输入电压Ui(t)可用规律的时间函数表示，即可灵活地设定每个交汇点的坐标，从而得到R1*C1的值。然后用户可以根据相关经验先固定电阻R1和电容C1中的其中一个值，即可算出另外一个值。

不难发现，本实施方式提供的一种波形整形电路，公开了一种具体的根据波形输入端的输入电压确定电容的电容值和电阻的电阻值的一种实现方式。通过根据波形输入端的输入电压来确定电容的电容值和电阻的电阻值，有利于更准确的生成与输入电压的幅值成正比的基准电压。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第三实施方式涉及一种电子设备。包括：波形整形电路22、信号调理单元21以及数字处理器23。如图6所示。

信号调理单元21的一端与波形整形电路22的一端连接，波形整形电路22的另一端与数字处理器23连接。

其中，波形整形电路，包括：幅度检波单元和比较器；波形输入端和比较器的第一输入端连接；幅度检波单元的一端和波形输入端连接，幅度检波单元的另一端和比较器的第二输入端连接。

幅度检波单元，用于接收波形输入端的输入电压，并生成与输入电压的幅值成正比的基准电压；比较器，用于接收基准电压和波形输入端的输入电压，并比较输入电压和基准电压，输出波形整形后的电平信号。

其中，这里所说的数字处理器23，可以为：微控制器MCU((Microcontroller Unit，简称“MCU”)。

参见图7，图7所示的电路用于与智能设备通过音频口通信的电子设备中。在实际应用中，二极管D1可以选用肖特基二极管SKL12；电容C1容量大小为0.1uF；电阻R1的阻值为75K；比较器12的型号为BU7251。从智能设备音频口输出的调频正弦波信号引入本实施方式中的电子设备，经过电子设备中的信号调理单元21调理后输入到波形整形电路22，经波形整形电路22进行整形后得到与输入电压同频率的方波信号。此方波信号再输入到后级的数字处理器23中，由数字处理器23进一步解码得出对应二进制信息。

通过图7可以得知，智能设备音频口输出的不规则的调频正弦波信号，经过信号调理单元21调理后，截取大于预设阈值的电压作为波形整形电路22的输入电压，比较器12将信号调理单元21输出的输入电压和幅度检波单元11输出的基准电压进行比较，当输入电压大于基准电压时，输出低电平信号；当输入电压小于输入电压时，输出高电平信号。这样，比较器12输出端可以输出频率与输入电压Ui(t)相同的电平信号Uo(t)，此电平信号即为波形整形后的方波信号。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种波形整形电路，其特征在于，包括：幅度检波单元和比较器；

波形输入端和所述比较器的第一输入端连接；所述幅度检波单元的一端和所述波形输入端连接，所述幅度检波单元的另一端和所述比较器的第二输入端连接；

所述幅度检波单元，用于接收所述波形输入端的输入电压，并生成与所述输入电压的幅值成正比的基准电压；

所述比较器，用于接收所述基准电压和所述波形输入端的输入电压，并比较所述输入电压和所述基准电压，输出波形整形后的电平信号；

其中，所述幅度检波单元，具体包括：二极管、电容和电阻；所述二极管的正极与所述波形输入端连接，所述二极管的负极经过所述电容的一端、所述电阻的一端与所述比较器的第二输入端连接；所述电容的另一端和所述电阻的另一端分别接地；

所述电容的电容值和所述电阻的电阻值，具体根据如下公式确定：

R1*C1＝t/Ln[(A-VF)/Ui(t)]；其中，所述R1代表所述电容的电容值，所述C1代表所述电阻的电阻值，所述t代表时间，所述A代表所述输入电压的幅值，所述VF代表所述二极管的正向压降，所述Ui(t)代表t时刻的输入电压。

2.根据权利要求1所述的波形整形电路，其特征在于，所述二极管，具体为：正向压降小于预设阈值的二极管。

3.根据权利要求2所述的波形整形电路，其特征在于，所述二极管，具体为：锗二极管。

4.根据权利要求1所述的波形整形电路，其特征在于，所述第一输入端，具体为：反相输入端；所述第二输入端，具体为：同相输入端。

5.根据权利要求4所述的波形整形电路，其特征在于，所述比较器，具体用于当所述输入电压大于所述基准电压时，输出低电平信号；当所述输入电压小于所述输入电压时，输出高电平信号。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的波形整形电路，其特征在于，所述比较器，具体为：单电源比较器。

7.一种电子设备，其特征在于，包括：波形整形电路、信号调理单元以及数字处理器；

所述信号调理单元的一端与所述波形整形电路的一端连接，所述波形整形电路的另一端与所述数字处理器连接；

其中，所述波形整形电路，包括：幅度检波单元和比较器；

波形输入端和所述比较器的第一输入端连接；所述幅度检波单元的一端和所述波形输入端连接，所述幅度检波单元的另一端和所述比较器的第二输入端连接；

所述幅度检波单元，用于接收所述波形输入端的输入电压，并生成与所述输入电压的幅值成正比的基准电压；

所述比较器，用于接收所述基准电压和所述波形输入端的输入电压，并比较所述输入电压和所述基准电压，输出波形整形后的电平信号；

其中，所述幅度检波单元，具体包括：二极管、电容和电阻；所述二极管的正极与所述波形输入端连接，所述二极管的负极经过所述电容的一端、所述电阻的一端与所述比较器的第二输入端连接；所述电容的另一端和所述电阻的另一端分别接地；

所述电容的电容值和所述电阻的电阻值，具体根据如下公式确定：

R1*C1＝t/Ln[(A-VF)/Ui(t)]；其中，所述R1代表所述电容的电容值，所述C1代表所述电阻的电阻值，所述t代表时间，所述A代表所述输入电压的幅值，所述VF代表所述二极管的正向压降，所述Ui(t)代表t时刻的输入电压。

Images