CN111245422A - 一种数字信号电平转换电路 - Google Patents

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郝翔
宋洪亚
张文屹
刘旭
匡翠方
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Abstract

本发明公开了一种数字信号电平转换电路。该电路具有1路输入端口和N(N≥1)路输出端口。输入信号经过滤波、放大、整形后输出为标准电平信号，实现了数字信号从非标准电平到标准电平的转换。本发明通过采用高通滤波及偏置电路，实现了单电源供电，降低了电路成本；采用放大电路实现了支持小信号输入，同时采用高速运放实现了宽频率范围输入；当采用多路信号整形方案时，放大后的信号转换成多路标准电平信号，实现了多路信号输出。该电路还可以通过级联实现更多路输出。本发明成本低廉，体积小巧，性能稳定。

Description

一种数字信号电平转换电路
技术领域
本发明属于电路技术领域，尤其涉及一种数字信号电平转换电路。
背景技术
随着半导体技术和电路技术的发展，人们对信息量和信息传输速度的要求不断增加，这使得数字信号的频率也不断提高，从最初的kHz级逐步发展到MHz、GHz级。当人们对数字信号的需求越来越多时，随之也诞生了各种各样的数字信号标准。仅就电平标准而言，就有CMOS、TTL、 LVTTL、GTL、GTLP、BTL、ECL等等十几种。不同的数字信号器件可能工作在不同的电平标准下，如果它们之间需要进行信号传输，就必须先进行电平转换，否则在不同的电平标准下信号无法被正常识别，甚至可能对器件造成损伤。除了这些工作在标准电平之下的数字器件，有些应用中可能由于设计原因或者器件本身的原因只能使用非标准电平。即使在标准电平下工作的数字器件，其输出的信号在长距离传输、输入输出阻抗不匹配或者有其他信号干扰的情况下也有可能变为非标准电平，这使得数字信号的电平转换显得尤为重要。
目前，常见的标准电平转换功能可以被专用的集成电路芯片实现。然而这些集成电路往往只能在特定的标准电平之间互相转换，而且支持的带宽受到电压的限制。以TI公司的SN74AXC4T774这款芯片为例，当它的工作在输入电平1.8V、输出电平为3.3V时，可以支持高达310Mbps的数据传输。但是当输入电平降至0.65V时，输入信号的频率高于40MHz芯片便无法正常工作。一般来说，输入信号的幅值越小，电平转换芯片的工作带宽就相应地越小。对于信号速度高于50MHz、幅值小于0.5V的非标准数字信号，这种电平转换芯片就不能实现电平转换功能。
如果不采用专用的集成电路芯片，选用目前市面上的电平转换模块也能实现电平转换的功能。然而一般的电平转换模块只对固定电压阈值以上幅度的输入信号有作用，低于此阈值的信号将不能被转换，一种模块往往只能用于一种信号。另一方面，这些模块的性能参差不齐，而且价格昂贵。本发明的电平转换电路成本低廉，同时实现功能指标与国外产品相近，甚至在某些指标更优的功能。而且本发明的电路可以通过改变电路中电阻的大小来灵活调节支持的输入信号的幅值范围，实现小信号的电平转换。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种数字信号电平转换电路。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种数字信号电平转换电路，该电路具有1路输入端口和N(N≥1)路输出端口。输入信号依次经过滤波电路、偏置电路、放大电路和整形电路后输出为标准电平信号；所述滤波电路为高通滤波器；所述偏置电路由两个电阻串联得到，其中一个电阻接电源，另一个电阻接地；所述放大电路为同相交流放大电路。
进一步地，所述高通滤波器的截止频率高于10Hz。
进一步地，所述偏置电路用于将滤波电路输出的信号加入直流偏置，使信号最大值和最小值之间的中点值处于运算放大器正常工作范围内。
进一步地，所述放大电路的放大倍数大于1倍。
进一步地，所述放大电路由单电源供电。
进一步地，通过调节放大电路的外围元件中反馈电阻的阻值大小，可以实现对电平转换电路输入信号阈值的连续调节。
进一步地，所述放大电路只放大信号的交流分量，使信号的中点值稳定，从而保证在改变放大电路的放大倍数时输出信号不发生漂移。
进一步地，所述整形电路根据所需要的输出标准电平进行选择，整形电路的输出电压为包括但不限于CMOS、TTL、LVTTL、GTL、 GTLP、BTL、ECL等的标准电平。
进一步地，所述输入端口和滤波电路之间以及整形电路和输出端口之间可以接入阻抗匹配电路，用于使信号稳定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)可以显著降低电平转换电路的成本。本发明电路简单，所需元件少、成本低。相比国外的产品，本发明在功能指标相近且部分指标更优的情况下，其成本可以降低99％(见具体实施方式)。
(2)可以提高电路设计的灵活度。成品的电平转换芯片只能实现标准电平之间的互相转换，而本发明可以通过改变电阻大小来改变放大电路的放大倍数，从而灵活实现对不同输入信号的设计要求，可以实现非标准电平到标准电平的转换。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为滤波电路、偏置电路和放大电路原理图；
图3为整形电路原理图；
图4为输入与输出信号实测波形图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不限于此。
如图1所示，本发明提供的一种数字信号电平转换电路，该电路具有1路输入端口和N(N≥1)路输出端口。输入信号经过滤波电路、偏置电路、放大电路和整形电路后输出为标准电平信号；所述滤波电路为截止频率高于10Hz的高通滤波器；所述偏置电路用于将滤波电路输出的信号加入直流偏置，使信号最大值和最小值之间的中点值处于运算放大器正常工作范围内，偏置电路由两个电阻串联得到，其中一个电阻接电源，另一个电阻接地；所述放大电路为同相交流放大电路，放大倍数大于等于1倍，放大电路由单电源供电，通过调节放大电路的外围元件中反馈电阻的阻值大小，可以实现对电平转换电路输入信号阈值的连续调节，放大电路只放大信号的交流分量，使信号的中点值稳定，从而保证在改变放大电路的放大倍数时输出信号不发生漂移。所述整形电路根据所需要的标准电平进行选择，包括但不限于CMOS、TTL、LVTTL、GTL、GTLP、BTL、 ECL等的标准电平。所述输入端口和滤波电路之间以及整形电路和输出端口之间可以接入阻抗匹配电路，用于使信号稳定。
本发明原理如下：
输入信号为占空比可变的方波信号。输入信号经过高通滤波电路之后滤除直流分量，变为交流信号。再经过偏置电路，加入给定的直流分量，使信号最大值和最小值之间的中点值处于运算放大器正常工作范围内，避免输入信号幅值小于放大器的最小输入电压(输入不到轨)而无法正常工作。之后信号经过由运算放大器和外围元件组成的放大电路，将信号的交流分量进行大于1倍的放大。通过调节外围元件中反馈电阻的阻值大小，可以实现对输入阈值的连续调节，用同一块电平转换电路即可应对不同幅度信号的电平转换。只放大信号的交流分量而不直接对其整体进行放大，这样做的目的是使信号的中点值稳定，从而保证在设计和调试过程中改变放大电路的放大倍数时输出信号不发生漂移；同时，运放采用单电源供电模式，相比于直接放大方案必须采用双电源供电，这种设计方式简化了电路的供电设计，降低了成本，也使得电路更加紧凑小巧。最后，放大电路输入的信号经N(N≥1)个整形电路和阻抗匹配电路后输出N路符合某种电平标准的信号。
本发明应用于激光器控制的实施例如下：
在荧光显微成像中，需要对激光器的点亮进行同步控制。而激光器输出的种子脉冲信号是频率为78MHz、电压峰峰值为0.4V的方波，并不能被控制器识别，需要使用电平转换电路将种子脉冲信号转换为TTL电平信号。
电平转换电路包括如图2、图3所示的输入端口P1、阻抗匹配电阻 R3、高通滤波电容C1、由R1、R4组成的偏置电路以及后续放大电路、整形电路，以及图中未表示出的供电电路、开关、输出接口。
图2中，电源电压为单电源5V，阻抗匹配电阻R3阻值为56欧姆，用以进行50欧姆阻抗匹配；高通滤波电容C1取100nF，用以滤除信号直流分量；R1、R4阻值均为680欧姆，实现2.5V的直流偏置；放大电路由运放和外围元件组成，运放选用TI公司的一款高速运放OPA690U，其压摆率高达1200V/us，适合用于高速数字信号放大；放大电路采取5V单电源供电和交流放大方案，外围电路中的R6为反馈电阻，当R6取820欧姆、R7取390欧姆时，放大电路的放大倍数约为3倍，调节R6的大小可以实现放大倍数的调节，从而实现对不同电压幅值的小信号进行电平转换；R5和R8组成的偏置电路将放大的交流信号中值置于0.6V，以确保信号中值在整形电路的输入阈值范围内；放大电路输出端为A。
图3中，整形电路芯片选用TI公司的一款数字芯片 SN74AUP1T34-Q1，可以实现1.2V数字信号到TTL信号的转换。如图3 所示，其VCCA及VCCB引脚接有去耦电容C1、C2滤除电源噪声，其信号输出引脚B与输出端口OUT_N之间串联有50欧姆电阻进行阻抗匹配。图2所示放大电路的输出端A接入图3所示整形电路芯片输入端A，经整形后信号变为TTL电平信号，输出到OUT_N端口。图2所示的放大电路后可以并接多个如图3所示的整形电路，实现多路TTL信号输出。
按照以上参数设计的电路，以4路的整形电路为例，该电路可以将峰峰值为0.3V至5V之间、频率为5kHz至100MHz之间的数字信号转换为 4路TTL电平信号，输出端与输入端之间的延迟低至10ns，不同输出端之间的延迟小于1ns。如下表所示，该电路频率指标、延迟指标与美国Pulse Research Lab公司的PRL-414B产品指标接近，且输入电压范围明显优于RPL-414B。故以上述参数设计的电路，相比PRL-414B其成本可以降低 99％。
本发明实施例与PRL-414B的参数对比
参数 本发明 PRL-414B
输入高电平 0.3V-5V 2V-5V
输入低电平 -0.5V-0.1V -0.5V-0.5V
输出电平 TTL TTL
最大工作频率 100MHz 100MHz
传输延迟 <10ns <12ns
通道间偏移 <1ns <1.5ns
应用于激光器控制时，将激光器的种子脉冲信号接入到输入端P1，即可输出4路频率与种子脉冲相同的标准TTL电平信号，将其接入控制器即可实现对激光器种子信号的识别，进而实现对激光器点亮的同步控制。图4中通道1为激光器的种子脉冲信号，通道2为电平转换电路的第 1路输出信号。可以看出，电平转换电路将频率为78MHz、电压峰峰值约0.4V的信号转换成了TTL电平信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数字信号电平转换电路，其特征在于，该电路具有1路输入端口和N(N≥1)路输出端口。输入信号依次经过滤波电路、偏置电路、放大电路和整形电路后输出为标准电平信号。所述滤波电路为高通滤波器；所述偏置电路由两个电阻串联得到，其中一个电阻接电源，另一个电阻接地；所述放大电路为同相交流放大电路。
2.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述高通滤波器的截止频率高于10Hz。
3.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述偏置电路用于将滤波电路输出的信号加入直流偏置，使信号最大值和最小值之间的中点值处于运算放大器正常工作范围内。
4.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述放大电路的放大倍数大于1倍。
5.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述放大电路由单电源供电。
6.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，通过调节放大电路的外围元件中反馈电阻的阻值大小，可以实现对电平转换电路输入信号阈值的连续调节。
7.根据权利要求3所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述放大电路只放大信号的交流分量，使信号的中点值稳定，从而保证在改变放大电路的放大倍数时输出信号不发生漂移。
8.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述整形电路根据所需要的输出标准电平进行选择，整形电路的输出电压为包括但不限于CMOS、TTL、LVTTL、GTL、GTLP、BTL、ECL等的标准电平。
9.根据权利要求1所述的数字信号电平转换电路，其特征在于，所述输入端口和滤波电路之间以及整形电路和输出端口之间可以接入阻抗匹配电路，用于使信号稳定。
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