CN110739937B - 一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器，包括：晶振、分频器、基准电压源、第一反相放大器、第二反相放大器和模拟开关；第一反相放大器的输入端连接至基准电压源的输出端，第二反相放大器的输入端连接至第一反相放大器的输出端，分频器的输入端连接晶振，分频器的输出端连接至模拟开关的控制端；模拟开关的第一输入端连接至第一反相放大器的输出端，模拟开关的第二输入端连接至第二反相放大器的输出端，模拟开关的输出端用于输出双极性方波信号。本发明由于采用模拟开关器件，在高精度时钟控制下，对双极性高精度基准电压进行组合得到方波，能够取得电路结构简单的同时保证了方波的高精度、可变幅值以及可变频率的有益效果。

Description

一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器
技术领域
本发明属于弱信号检测技术领域，更具体地，涉及一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器。
背景技术
方波发生器在电子学仪器中具有广泛的用途，充放电式差分电容传感器采用双极性方波电压作为调制信号，利用该方波电压加载到被测电容上进行充电、放电，通过后续的电流检测电路，将充、放电电流转换为低频电压信号输出。该调制方波的幅度、频率都对电容传感器的灵敏度、噪声具有直接影响，需要尽可能稳定。
方波产生电路通常有以下几种类型：555定时电路、运算放大器振荡电路、直接数字合成(DDS)等。利用数字合成的方案由于需要数字控制电路，通常结构较为复杂，所用器件较多。结构较为简单的方案一般是晶体管放大电路、运算放大器与比较器结合的振荡电路(如中国实用新型专利CN204967777U说明书所公开的方案)，但其稳定性取决于电路中所用的放大器的增益特性、电阻电容等分立器件的稳定性等，其幅值稳定性无法满足高精度电容传感器调制载波的稳定性需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用并联基准电压源、由模拟开关器件对双极性基准源电压进行组合得到的一种方波发生器，旨在解决现有技术中方波产生电路由于依赖于放大器增益及电阻电容器件特性等因素而导致方波的稳定性差、精度低的问题。
本发明提供了一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器，包括：晶振、分频器、基准电压源、第一反相放大器、第二反相放大器和模拟开关；第一反相放大器的输入端连接至基准电压源的输出端，第二反相放大器的输入端连接至第一反相放大器的输出端，分频器的输入端连接晶振，分频器的输出端连接至模拟开关的控制端；模拟开关的第一输入端连接至第一反相放大器的输出端，模拟开关的第二输入端连接至第二反相放大器的输出端，模拟开关的输出端用于输出双极性方波信号。
工作时，晶振与分频器组合产生频率可控的时钟控制信号，以控制模拟开关中的一组相反逻辑的开关，双极性基准电压分时通过两个开关后输出；在时钟信号的控制下，获得频率由晶振和分频器决定，双极性电压幅值由基准电压源、第一反相放大器和第二反相放大器决定，且通过模拟开关组合而成的方波。
更进一步地，模拟开关包括：电子开关S1和电子开关S2，电子开关S1的一端作为所述模拟开关的第一输入端，电子开关S2的一端作为所述模拟开关的第二输入端，电子开关S1的另一端与电子开关S2的另一端作为模拟开关的输出端。
本发明中以模拟开关为媒介，通过组合频率与幅值得到了一种双极性方波。
其中，在分频器输出信号的控制下，分时选择电子开关S1或电子开关S2导通后输出。
其中，分频器为计数器，当计数器输出的方波为高电平时，负的基准电压值VrefN通过电子开关S1输出，当计数器输出的方波为低电平时，正的基准电压值VrefP通过电子开关S2输出。
更进一步地，通过晶振与计数器组合实现对晶振产生的频率进行分频，从而选择所需要的频率。
更进一步地，基准电压源包括N个电阻并联，N个电阻的输入端分别连接N个单独电压基准源产生的电压值V1、V2、...VN，N个电阻的输出端并联后作为基准电压源的输出端。
其中，通过改变和组合基准电压源中的电阻、第一反相放大器和第二反相放大器的增益来获得所需要的双极性的基准电压值。
采用并联基准电压源方案可以抑制单个基准电压源的噪声影响，并联后的基准电压相对于采用单独基准源的方案具有更低的噪声，基于此方案产生的方波具有更好的幅值稳定度。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用模拟开关器件，在高精度时钟控制下，对双极性高精度基准电压进行组合得到方波，能够取得电路结构简单的同时保证了方波的高精度、可变幅值以及可变频率的有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的采用并联基准电压源的开关式方波发生器的示意图。
图2是本发明实施例提供的采用并联基准电压源的开关式方波发生器中基准电压源的具体电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及微弱信号检测装置中的载波或调制信号产生领域，特别是涉及使用方波信号作为调制载波信号的检测电路，如充放电式差分电容传感器。本发明适用于对方波信号的幅值稳定性有高精度需求的装置中。
本发明提供的一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器，在电路结构简单的同时，也保证了方波的高精度可变幅值与可变频率。
图1示出了本发明实施例提供的采用并联基准电压源的开关式方波发生器的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，现结合附图详述如下：
本发明提供的采用并联基准电压源的开关式方波发生器包括：晶振1、分频器2、基准电压源3、第一反相放大器4、第二反相放大器5和模拟开关6；第一反相放大器4的输入端连接至基准电压源3的输出端，第二反相放大器5的输入端连接至第一反相放大器4的输出端，分频器2的输入端连接晶振1，分频器2的输出端连接至模拟开关6的控制端；模拟开关6的第一输入端连接至第一反相放大器4的输出端，模拟开关6的第二输入端连接至第二反相放大器5的输出端，模拟开关6的输出端用于输出双极性方波信号。
工作时，晶振1与分频器2组合产生频率可控的时钟控制信号，以控制模拟开关6中的一组相反逻辑的开关，双极性基准电压分时通过两个开关后输出。在时钟信号的控制下，即可得到频率由晶振1和分频器2决定，双极性电压幅值由基准电压源3、第一反相放大器4和第二反相放大器5决定，二者通过模拟开关6组合而成的方波。
在本发明实施例中，分频器2主要是实现按比例分频，分频的方式可以有很多种，本发明中可以采用计数器实现按比例分频。
如图2所示，基准电压源3由N个单独的电压基准源并联形成，其中，V1、V2...VN为N个单独的电压基准源产生的电压值(通常为相等值)，通过相同大小的电阻后合并在一起，第一反相放大器4的增益由其外围反馈电阻及基准源3中的电阻共同决定，通过改变和组合基准电压源3及第一反相放大器4的外围电阻值，得到所需要的负极性基准电压。第二反相放大器5的增益通常设置为-1，即可得到与输入的负极性基准电压值大小相等，极性相反的正极性基准电压值。
本发明采用N个电阻并联的方式来实现基准电压源3，目的是为了利用多个基准源并联叠加的噪声抑制方案，进一步抑制单个基准源的噪声影响，得到信噪比提高
Figure BDA0002242863010000041
倍的基准电压。
本发明实现了以模拟开关为媒介，通过组合频率与幅值得到的一种双极性方波，同时该方波的幅值及频率均可在一定范围内进行调节，幅值由基准电压值、放大器的增益及输出电压范围决定，频率由晶振时钟频率、分频器的分频比例决定，考虑到模拟开关的响应时间限制，方波的频率上限通常可至少达到MHz量级。
在本发明实施例中，晶振1产生的频率经过分频器2进行分频后，输出的时钟信号用于控制模拟开关6的一组相反逻辑的开关，分时输出双极性基准电压，例如，当时钟信号为高电平时，负的基准电压值通过模拟开关6中的电子开关S1，当时钟信号为低电平时，正的基准电压值通过模拟开关6中的电子开关S2。由于采用N路基准电压源并联，通过运算放大器反相放大，输出的双极性基准电压的稳定性比单个基准电压源较好，信噪比提高
Figure BDA0002242863010000051
倍。基准电压源3、第一反相放大器4和第二反相放大器5电路中的外围电阻均使用威世半导体公司(VISHAY)的高精度电阻，温度系数为±0.2ppm。运放使用的是亚德诺公司(ADI)的低频段等效输入电压噪声(en)及电流噪声(in)较低的集成双运算放大器OP297或OP270等。晶振1使用的是Q-TECH公司的M55310/30D-B01A10M0000，标称频率为10MHz，初始精度为±25ppm。分频器2使用的是德州仪器(TI)的SN54HC4040，一种12位异步二进制计数器。模拟开关6使用的是亚德诺公司的ADG1213，具有开启延时ton＜50ns，关断延时toff＜15ns，先开后合延时tD＜15ns以及开通电阻Ron＜10Ω等特性。
利用上述的基准电压源3、第一反相放大器4和第二反相放大器5与模拟开关6(在晶振1、分频器2控制下)组合即可得到一个频率、幅值在一定范围内可调的双极性方波。
本发明通过使用高精度基准电压源组合的方式得到方波信号，其幅值稳定性主要取决于基准电压源的稳定性。同时使用多路基准源并联的噪声抑制方案，进一步提高了方波幅值的稳定性。同时该电路结构简单，可靠性较高，适合于利用方波作为传感电路调制信号的应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用并联基准电压源的开关式方波发生器，其特征在于，包括：晶振(1)、分频器(2)、基准电压源(3)、第一反相放大器(4)、第二反相放大器(5)和模拟开关(6)；
第一反相放大器(4)的输入端连接至基准电压源(3)的输出端，第二反相放大器(5)的输入端连接至第一反相放大器(4)的输出端，分频器(2)的输入端连接晶振(1)，分频器(2)的输出端连接至模拟开关(6)的控制端；模拟开关(6)的第一输入端连接至第一反相放大器(4)的输出端，模拟开关(6)的第二输入端连接至第二反相放大器(5)的输出端，模拟开关(6)的输出端用于输出双极性方波信号；
所述模拟开关(6)包括：电子开关S1和电子开关S2，电子开关S1的一端作为所述模拟开关(6)的第一输入端，电子开关S2的一端作为所述模拟开关(6)的第二输入端，电子开关S1的另一端与电子开关S2的另一端短接在一起，作为模拟开关(6)的输出端；
工作时，晶振(1)与分频器(2)组合产生频率可控的时钟控制信号，以控制模拟开关(6)中的一组相反逻辑的开关，双极性基准电压分时通过两个开关后输出；在时钟信号的控制下，获得频率由晶振(1)和分频器(2)决定，双极性电压幅值由基准电压源(3)、第一反相放大器(4)和第二反相放大器(5)决定，且通过模拟开关(6)组合而成的方波。
2.如权利要求1所述的开关式方波发生器，其特征在于，在分频器输出信号的控制下，分时选择电子开关S1或电子开关S2导通后输出。
3.如权利要求1所述的开关式方波发生器，其特征在于，所述分频器(2)为计数器，当计数器输出的方波为高电平时，负的基准电压值VrefN通过电子开关S1输出，当计数器输出的方波为低电平时，正的基准电压值VrefP通过电子开关S2输出。
4.如权利要求3所述的开关式方波发生器，其特征在于，通过晶振与计数器组合实现对晶振产生的频率进行分频，从而选择所需要的频率。
5.如权利要求1-4任一项所述的开关式方波发生器，其特征在于，基准电压源(3)包括N个电阻并联，N个电阻的输入端分别连接N个单独电压基准源产生的电压值V1、V2、…VN，N个电阻的输出端并联后作为基准电压源(3)的输出端；通过并联基准电压对方波幅值的大小进行调整，提高了幅值的稳定性。
6.如权利要求5所述的开关式方波发生器，其特征在于，通过改变和组合基准电压源中的电阻、第一反相放大器和第二反相放大器的增益来获得所需要的双极性的基准电压值。
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