CN111669151A - 一种高频信号输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高频信号输出电路，包括级联的第一信号处理电路以及第二信号处理电路，高频方波信号PWM_IN输入所述第一信号处理电路的信号输入端，所述第一信号处理电路的输出端连接所述第二信号处理电路的输入端，所述第二信号处理电路的输出端输出调幅后稳定的高频方波信号PWM_OUT。输入的PWM_IN信号为整车控制器主芯片所发出来的PWM方波信号，由工作电源VCC作为PWM_IN信号的调幅基准，经过本发明的电路的处理后输出稳定的高频方波信号PWM_OUT作为外部设备的信号采样输入。本发明具有适合多种使用场合、宽电压且具有较强的适应性、性能可靠且输出波形稳定、成本极低且器件极易采购等特点。

Description

一种高频信号输出电路

技术领域

本发明涉及汽车电子信号采集处理及控制技术领域，具体涉及一种高频信号输出电路。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，特别是电动车辆对汽车电子零部件的性能要求越来越高，同时对信号处理速度的要求也在逐步增强，导致高频率的信号处理电路在整车上的运用越来越广泛。

汽车控制器的输出波形具有一定的技术要求，例如需要有一路高频的方波信号输出给整车其它电子设备使用，所需方波的最高频率值需要达到甚至超过100KHz，另要求此高频信号具有较好的波形表现，且波形占空比不得高于65％、波形幅值不得高于1.1倍VCC值，需保证波形输出稳定、信号无跳变等。

有鉴于此，首先基于常规的三极管器件组合模式进行电路搭建，经实际电路仿真及测试，得知采用三极管所搭建的电路在低频段(100Hz及以下频率点)勉强有方波输出，但是波形失真得相当严重，高于此频率点后的频率点则出现严重的波形失真，且无法保证所需波形的各类特性参数。所以，需要另外寻求一种高频信号输出电路，以确保得到良好的所需信号输出波形以及保证所述波形的各类特性参数。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种高频信号输出电路，其结构简单、电压适应性强、成本低廉、性能可靠且输出波形稳定。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高频信号输出电路，包括级联的第一信号处理电路以及第二信号处理电路，高频方波信号PWM_IN输入所述第一信号处理电路的信号输入端，所述第一信号处理电路的输出端连接所述第二信号处理电路的输入端，所述第二信号处理电路的输出端输出调幅后稳定的高频方波信号PWM_OUT。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述第一信号处理电路包括电阻R1～R3、第一MOS管Q1，所述高频方波信号PWM_IN通过所述电阻R1接入所述第一MOS管Q1栅极，所述电阻R1与所述第一MOS管Q1栅极的公共节点通过所述电阻R2接地；所述第一MOS管Q1源极接地，所述第一MOS管Q1漏极通过所述电阻R3连接工作电源VCC，所述第一MOS管Q1漏极与所述电阻R3的公共节点作为所述第一信号处理电路的输出端。

进一步，所述第一MOS管Q1为NMOS管。

进一步，所述第二信号处理电路包括电阻R4～R6、第二MOS管Q2，所述第一信号处理电路的输出端接入所述第二MOS管Q2栅极，所述第二MOS管Q2源极通过所述电阻R6连接工作电源VCC，所述第二MOS管Q2漏极通过所述电阻R4接地，所述第二MOS管Q2漏极与所述电阻R4的公共节点通过所述电阻R5输出处理后的高频方波信号PWM_OUT。

进一步，所述第二MOS管Q2为PMOS管。

进一步，所述电阻R5上远离所述第二MOS管Q2的一端还设有防反二极管D1，所述防反二极管D1负极连接所述电阻R5、其阳极接地。

本发明的有益效果是：一、适合多种使用场合：可以用于整车控制器内部的电路板，也可以单独做成微型便携式的信号处理单元。二、宽电压且具有较强的适应性：该电路所采用的VCC电源电压值可以从+5V直至+12V，电路具有很强的电压适应性，且在+5V电源状态下的最高输出不失真频率值可达2.0MHz。三、性能可靠且输出波形稳定：该电路所采用的MOS管在应用层面有着很好的市场表现，可以保证有着非常优良及稳定的方波信号输出。四、成本极低且器件极易采购：该电路的综合成本不足一元，且所用器件均特别易于采购。

附图说明

图1为本发明高频信号输出电路的结构组成框图；

图2为本发明高频信号输出电路的电路原理图；

图3为本发明高频信号输出电路的输入输出信号测试图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本实施例的高频信号输出电路，主要使用于汽车控制器的输出信号处理场景，其包含工作电源VCC部分及快速运算信号处理电路，其中工作电源VCC可以采用整车控制器电源电路本身的直流稳压芯片的输出电压，也可以采用控制器外部的稳压电源电压，工作电源VCC的范围可以为+5V～+12V。

如图1所示，输入的PWM_IN信号为整车控制器主芯片所发出来的+5V的PWM方波信号，此信号接入本快速运算电路，快速运算电路所输出的PWM_OUT方波脉冲信号直接输出至外部设备的采样端，作为外部设备的信号采样输入。

本实施例的一种高频信号输出电路，包括级联的第一信号处理电路以及第二信号处理电路，高频方波信号PWM_IN输入所述第一信号处理电路的信号输入端，第一信号处理电路的输出端连接第二信号处理电路的输入端，第二信号处理电路的输出端输出调幅后稳定的高频方波信号PWM_OUT。

具体的，如图2的电路原理图所示，第一信号处理电路包括电阻R1～R3、第一MOS管Q1，第一MOS管Q1采用NMOS管。整车控制器主芯片所发出来的高频方波信号PWM_IN通过电阻R1接入第一MOS管Q1栅极，电阻R1与第一MOS管Q1栅极的公共节点通过电阻R2接地。第一MOS管Q1源极接地，第一MOS管Q1漏极通过电阻R3连接工作电源VCC，第一MOS管Q1漏极与电阻R3的公共节点作为第一信号处理电路的输出端。

进一步，第二信号处理电路包括电阻R4～R6、第二MOS管Q2，第二MOS管Q2采用PMOS管。第一信号处理电路的输出端接入第二MOS管Q2栅极，第二MOS管Q2源极通过电阻R6连接工作电源VCC，第二MOS管Q2漏极通过电阻R4接地，第二MOS管Q2漏极与电阻R4的公共节点通过电阻R5输出处理后的高频方波信号PWM_OUT。

进一步，第二信号处理电路的输出端，即电阻R5上远离第二MOS管Q2的一端还设有防反二极管D1，防反二极管D1负极连接电阻R5、其阳极接地。

图2所示电路中的第一信号处理电路与第二信号处理电路是本发明的核心，设计需考虑此两种类型的MOS管的各自基本性能参数，尤其是外围器件的参数则直接决定了信号输出的波形频率、幅值及占空比，另外本硬件电路的实现，即元器件的选型及布线方式等，直接决定了本电路的成本及性能。

本实施例中，整车控制器主芯片的信号输出口输出+5V、占空比为50％的方波信号，经第一MOS管Q1及第二MOS管Q2构建的快速运算处理电路对信号进行处理后，输出后端设备所需要的符合预期的高频方波信号。

控制器主芯片端口所输出的方波信号PWM_IN经电阻R1送入第一MOS管Q1的栅极，电阻R1同时与电阻R2构成分压电路，对所输入的方波信号PWM_IN的幅值进行一级分压钳位，用以保证PWM_IN信号的稳定性。经过核对第一MOS管Q1的Vgs、Igss、Idss等参数值且经过计算及验证最终选取电阻R1阻值为1KΩ、电阻R2阻值为10KΩ。为保证第一MOS管Q1的漏极电流，结合整车控制器电源电路芯片所提供的工作电源VCC电压值，结合既往经验在此对电阻R3的阻值定为10KΩ，且经实测可行。综合结合第一MOS管Q1的开通延迟时间td(on)、关断延迟时间td(off)、额定电压Vdss、导通电阻RDS(on)等各类技术参数取值范围，最终选定了第一MOS管Q1的型号。此部分电路着重考虑：1、第一MOS管Q1的漏极电流值，特别是电阻R3的取值；2、电阻R1与电阻R2的取值。电阻R1与电阻R2的各自取值及作用的选定相当重要，特别是电阻R1，既担当限流的作用，也起到分压的作用。

电阻R3与第一MOS管Q1漏极的公共节点接入第二MOS管Q2的栅极，第一MOS管Q1的信号输出即作为第二MOS管Q2的信号输入。考量到高速信号的频率特征及信号损失等要因，故而未在第一MOS管Q1的漏极和第二MOS管Q2的栅极连接通路中串入电阻。

信号流入第二MOS管Q2的栅极后，由输入信号高低电平的连续状态变化来控制第二MOS管Q2的通断。第二MOS管Q2的源极经电阻R6接至工作电源VCC电压。考虑到信号损失及转换能量波动状况，故而将电阻R6的阻值取定为0Ω，利用0Ω电阻的阻抗微特性将工作电源VCC上杂波进行二次处理，进而保证灌入第二MOS管Q2源极的电流的稳定性。由第二MOS管Q2所输出的方波经电阻R5输出至外部采样设备。同时第二MOS管Q2的漏极通过电阻R4连接至地，此电阻R4在电路中起到抬高输出信号电压的电压值的作用，同时保证第二信号处理电路的完整性。综合考量到第二信号处理电路的各类特性，进行实测，最终选取电阻R4的阻值为10KΩ、电阻R5的阻值为1KΩ，并最终确定了第二MOS管Q2的型号。为进一步保证本电路的信号对外不失真特性，在电阻R5的信号对外输出端对地之间增加一个反向偏置的二极管D1，电阻R5的信号输出端连接至二极管D1的负极，而二极管D1的正极连接至地。此二极管D1对本高频输出电路来讲起到波形稳定的作用，对外同时也可以将本电路所输出的方波的电压值稳定在最理想峰峰值电压Vpp上，另外还可以预防外部采样端连接失误所造成的对本电路的电压冲击及损坏。

本发明高频信号输出电路的输入输出信号测试波形图如图3所示。CH1通道(靠上的波形图)为输入本高频信号电路的方波信号PWM_IN，设置的探头衰减倍率为X10；CH2通道(靠下的波形图)为本高频信号电路的输出方波信号PWM_OUT，设置的探头衰减倍率为X10。测试条件设置为：PWM_IN输入的方波信号频率f:100kHz、占空比为50％、Vpp：+5V、偏移：0VVDC、相位：0.0°；经实测，经过本电路处理后的输出方波PWM_OUT的频率f：100.02kHz、占空比为58.55％、Vpp：+5.25V，各项技术指标均符合预期，且满足主各类技术条件。

本发明高频信号输出电路的设计策略为：利用N型MOS管(第一MOS管Q1)与P型MOS管(第二MOS管Q2)的技术指标特性，组合以往经验及相应的电路仿真，通过对各类器件的具体选型选值最终实现高频方波信号的稳定输出，进而实现本发明电路的通用性与实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高频信号输出电路，其特征在于，包括级联的第一信号处理电路以及第二信号处理电路，高频方波信号PWM_IN输入所述第一信号处理电路的信号输入端，所述第一信号处理电路的输出端连接所述第二信号处理电路的输入端，所述第二信号处理电路的输出端输出调幅后稳定的高频方波信号PWM_OUT。

2.根据权利要求1所述一种高频信号输出电路，其特征在于，所述第一信号处理电路包括电阻R1～R3、第一MOS管Q1，所述高频方波信号PWM_IN通过所述电阻R1接入所述第一MOS管Q1栅极，所述电阻R1与所述第一MOS管Q1栅极的公共节点通过所述电阻R2接地；所述第一MOS管Q1源极接地，所述第一MOS管Q1漏极通过所述电阻R3连接工作电源VCC，所述第一MOS管Q1漏极与所述电阻R3的公共节点作为所述第一信号处理电路的输出端。

3.根据权利要求2所述一种高频信号输出电路，其特征在于，所述第一MOS管Q1为NMOS管。

4.根据权利要求1-3任一项所述一种高频信号输出电路，其特征在于，所述第二信号处理电路包括电阻R4～R6、第二MOS管Q2，所述第一信号处理电路的输出端接入所述第二MOS管Q2栅极，所述第二MOS管Q2源极通过所述电阻R6连接工作电源VCC，所述第二MOS管Q2漏极通过所述电阻R4接地，所述第二MOS管Q2漏极与所述电阻R4的公共节点通过所述电阻R5输出处理后的高频方波信号PWM_OUT。

5.根据权利要求4所述一种高频信号输出电路，其特征在于，所述第二MOS管Q2为PMOS管。

6.根据权利要求5所述一种高频信号输出电路，其特征在于，所述电阻R5上远离所述第二MOS管Q2的一端还设有防反二极管D1，所述防反二极管D1负极连接所述电阻R5、其阳极接地。

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