CN112130482A - 一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信号采集及处理技术领域，提供了一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统和方法，其中，系统包括：闭环放大器、模数转换器、判断电路、第一单向计数器、第二单向计数器和双向计数器；方法包括：输入信号和初始化反馈信号经过闭环放大电路的求差运算；将电压信号转换成二进制信号；判断电路对二进制信号进行判断；第一单向计数器和第二单向计数器进行加计数；双向计数器根据控1信号和控2信号的输出电平进行增计数或减计数；双向计数器的输出信号经过数模转换器转换成模拟信号，这个模拟信号经过缓冲后回到闭环放大器。本发明的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统和方法，降低了电路的设计难度、成本和功耗的特点。
Description
技术领域
本发明涉及信号采集及处理技术领域，具体涉及一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统和方法。
背景技术
在物联网、无线通信或无线感知等技术领域，自然界信号的精准采集和量化是信号处理的前提之一。任何一个电信号都有低频成分(直流成分)和高频成分。在很多应用场景中，比如雷达监测或生物信号检测等等，信号直流成分的幅度远远大于交流部分，但是，交流部分可能比直流部分带有更多有效信息。
由于模数转换器的动态输入范围有限，大幅度的直流部分会占据转换器大部分的动态输入范围，从而导致交流部分的量化精度不够，甚至在某些极端情况下，大幅度的直流部分会使转换器饱和，不能正常工作。这影响了信号通路，严重危害了无线通信或者物联网中的信号收集和信号处理。
如图1所示的典型输入信号示意图，低频成分(甚至直流成分)幅度远大于高频成分的幅度。对这种信号进行量化时，常用的处理方法是交流耦合(如图2所示)和直流量化(如图3所示)，交流耦合是依赖电容隔直原理滤除信号的直流成分，只有交流成分可以通过隔离电容，到达后续电路输入端，在后续电路输入端，通过一个直流偏置电阻接入一个新直流偏置电压。这个直流偏置电压可以是后续电路输入范围的中间值，如此，信号交流成分可以充分使用后续电路(转换器)的动态电路输入范围，其中，交流耦合处理方法存在以下缺点，在消除直流偏移同时会抑制高频成分，导致低频成分信息丢失和高频成分失真。此外，交流耦合在滤除直流偏移量要依赖于电容，芯片内大电容会导致芯片面积较大，芯片外大电容导致成本变大和稳定性问题；而对于直流量化而言，使用一个动态范围很大的转换器，把直流成分和交流成分都量化，为了既保证交流成分有足够量化精度又保证转换器能量化直流成分而不饱和，转换器往往需要很大的动态范围，其中，直流成分的缺点是需要一个动态范围很大的转换器。这种转换器难于实现，成本很高，功耗很大。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统和方法，将信号调节至可正常处理的信号范围，既保留了信号的低频成分和高频成分，又实现了对高频部分高精度量化，在保证性能前提下，降低了电路的设计难度、成本和功耗的特点。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，包括闭环放大器，闭环放大器的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接判断电路的输入端，判断电路的一路输出连接用于记录信号过高次数的第一单向计数器，判断电路的另一路输出连接用于记录信号过低次数的第二单向计数器，第一单向计数器和第二单向计数器的输出端分别连接双向计数器的输入端，双向计数器的多位并行输出端连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端依次连接分压电阻和缓冲器，缓冲器的输出端连接闭环放大器的一路输入端，闭环放大器的另一路输入端连接输入信号。
进一步地，所述模数转换器为奈奎斯特模数转换器，奈奎斯特模数转换器的输入端连接闭环放大器的输出端，奈奎斯特模数转换器的N-M位输出端分别连接判断电路的输入端。
进一步地，所述判断电路为由逻辑门构成的判断1和0的数字电路，数字电路由N-M位多输入与门和N-M位多输入或门组成，模数转换器的高N-M位输出端分别连接N-M位多输入与门的输入端和N-M位多输入或门的输入端，电压信号由N位的模数转换器的输出端输出，经过多输入与门和多输入或门进行高位判断，得到判断信号分别发送给第一单向计数器和第二单向计数器的输入端。
进一步地，所述第一单向计数器和第二单向计数器均为通过计数脉冲个数进行加法计数的同步计数器或异步计数器。
进一步地，所述双向计数器通过计数脉冲进行加计数或减计数的同步计数器或异步计数器，同步计数器或异步计数器的8位并行输出连接数模转换器的输入端；
所述数模转换器的型号为AD5330数模转换器，AD5330数模转换器将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量为基准的模拟量；
所述缓冲器为闭环电路放大器，是基于电阻或电容反馈的放大电路，根据开环增益和反馈网络增益的乘积实现的增益放大的功能；
所述闭环放大器为基于电阻或电容反馈的放大电路，根据开环增益和反馈网络增益的乘积实现的增益放大的功能。
本发明还提供了一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化方法，包括以下步骤：
S101：输入信号和初始化反馈信号经过闭环放大电路的求差运算，将运算后的电压发送给模数转换器；
S102：模数转换器将电压信号转换成二进制信号，发送给判断电路的输入端；
S103：判断电路对二进制信号进行判断，当二进制信号过高时，判断电路的一个输出端控制第一单向计数器，第一单向计数器进行加计数；当二进制信号过低时，判断电路的另一个输出端控制第二单向计数器，第二单向计数器进行加计数；
S104：当第一单向计数器计数次数达到128次，输出高电平作为控1信号，发送给双向计数器的一端且第一单向计数器清零进入下一计数周期；当第二单向计数器计数次数达到128次，输出高电平作为控2信号，发送给双向计数器的另一端且第二单向计数器清零进入下一计数周期；
S105：双向计数器根据控1信号和控2信号的输出电平进行增计数或减计数：当控1信号为高电平且控2信号为低电平，双向计数器增计数；当控1为低电平且控2信号为高电平，双向计数器减计数；
S106：双向计数器的输出信号经过数模转换器转换成模拟信号，分别经分压电阻的分压和缓冲器的信号放大反馈给闭环放大器的反馈信号端，返回步骤S101。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：1、既保留了低频成分信息，又保证高频成分的精度；2、使用了一个动态输入范围有限的模拟数字转换器，量化低频成分和交流成分相差很大的信号，增大了输入信号的可处理范围；3、对放大器、数模转换器、模数转换器等器件要求较低，有利于降低成本；4、电路结构简单，环路稳定，可以在芯片上实现，也可以在PCB板级实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为典型输入信号示意图；
图2为交流耦合处理方法的示意图；
图3为直流量化处理方法的示意图；
图4为本发明系统的结构示意图；
图5为本发明中判断电路的结构示意图；
图6为本发明中方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参阅图4所示，本实施例提供的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，包括闭环放大器，闭环放大器的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接判断电路的输入端，判断电路的一路输出连接用于记录信号过高次数的第一单向计数器，判断电路的另一路输出连接用于记录信号过低次数的第二单向计数器，第一单向计数器和第二单向计数器的输出端分别连接双向计数器的输入端，双向计数器的多位并行输出端连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端依次连接分压电阻和缓冲器，缓冲器的输出端连接闭环放大器的一路输入端，闭环放大器的另一路输入端连接输入信号。
在实际使用中，将含有低频成分和高频成分的输入信号输入闭环放大器的一路输入端，经闭环放大器与初始化反馈信号进行放大计算后，输出到模数转换器，经模数转换器将电压信号转化成二进制信号，通过判断电路判断模数转换器的高位输出情况，当模数转换器的高位输出为1时，说明数字信号过高，第一单向计数器递增计数，当模数转换器的高位输出为0时，说明数字信号过低，第二单向计数器递增计数，当其中一个单向计数器计满128次，该单向计数器输出信号为1，而没有计满128次的计数器的输出信号为0，并将输出信号1和0分别作为控1和控2的输入信号，此时，计满128的单向计数器复位，没有计满128次的单向计数器继续计数，复位后的计数器进入等待计数状态：根据下一次判断电路的输出结果，控制第一单向计数器或第二单向计数器是否需要继续计数，进而形成一个循环判断的过程。
控1和控2的信号存在两种情况：当第一单向计数器计满128次时，控1的信号为1和控2的信号为0时，双向计数器递增计数；当第二单向计数器计满128次时，控1的信号0和控2的信号1时，双向计数器递减计数，通过以上方式控制双向计数器的计数方式。
双向计数器所有位数并行输出，发送给数模转换器，模数转换器将二进制信号转换成模拟信号，并经过缓冲器的放大作用作为闭环放大器的反馈信号再次与输入信号进行求差运算，再次通过判断电路判断信号的是否过高或过低并控制双向计数器的递增或递减变化，作为反馈信号反馈到闭环放大器的输入端，直到将信号调节至可正常处理的信号范围，既保留了信号的低频成分和高频成分，又实现了对高频部分高精度量化，在保证性能前提下，降低了电路的设计难度、成本和功耗的特点。
需要说明的是，为了避免外界环境噪声或电路本身的不稳定性对输入信号造成干扰，通过第一单向计数器和第二单向计数器对输入信号进行多次判断检测，避免输入信号的过高或过低检测出现误差，同时，对整个电路起到了降频的作用，满足电路结构简单的要求。
将第一单向计数器和第二单向计数器的检测次数设定为128次，一方面为了适应8位计数器时钟工作频率，另一方面，实现了对输入信号的最大化检测次数。
在本实施例中，所述模数转换器为奈奎斯特模数转换器，奈奎斯特模数转换器的输入端连接闭环放大器的输出端，奈奎斯特模数转换器的N-M位输出端分别连接判断电路的输入端。
在实际使用中，奈奎斯特模数转换器的型号为AD7819类型的模数转换器，AD7819类型的模数转换器对信号进行二进制转化，是一款高速、微处理器兼容型的8位模数转换器，具有供电方式简单和降低器件功耗特点。
参阅图5所示，所述判断电路为由逻辑门构成的判断1和0的数字电路，数字电路由N-M位多输入与门和N-M位多输入或门组成，模数转换器的高N-M位输出端分别连接N-M位多输入与门的输入端和N-M位多输入或门的输入端，电压信号由N位的模数转换器的输出端输出，经过多输入与门和多输入或门进行高位判断，得到判断信号分别发送给第一单向计数器和第二单向计数器的输入端。
在本实施例中，所述第一单向计数器和第二单向计数器均为通过计数脉冲个数进行加法计数的同步计数器或异步计数器。
在实际使用中，选用型号为SN74LS590异步计数器实现单向计数的功能，SN74LS590类型的计数器是一款8位并行输出的单向计数器，具有功耗低和使用方法简单的特点。
当模数转换器的高位输出为1时，说明数字信号过高，第一单向计数器递增计数，当模数转换器的高位输出为0时，说明数字信号过低，第二单向计数器递增计数。
在本实施例中，所述双向计数器通过计数脉冲进行加计数或减计数的同步计数器或异步计数器，同步计数器或异步计数器的8位并行输出连接数模转换器的输入端，在实际使用中，选用型号为SN74ALS869同步计数器实现双向计数功能，SN74ALS869双向计数器是一款8位并行输出且时钟电路完全独立的双向计数器，时钟电路完全独立更加简化了系统对双向计数器的使用，SN74ALS869双向计数器对信号低频成分进行累加，信号低频成分根据判断模数转换器的高位输出情况控制第一单向计数器或第二单向计数器计数，从而控制双向计数器进行递增或递减计数，由双向计数器作出反应并对信号低频成分进行累加；
所述数模转换器的型号为AD5330数模转换器，AD5330数模转换器将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量为基准的模拟量，AD5330数模转换器是一款+2.7V至+5.5V单电源供电、低功耗工作的单通道8位数模转换器，具有功耗低的特点，在实际使用中，AD5330数模转换器的输出信号会反馈至闭环放大器的另一端输入，用于调节闭环放大器的输出，进一步增大了闭环放大器输入信号的可处理范围；
所述缓冲器为闭环电路放大器，是基于电阻或电容反馈的放大电路，根据开环增益和反馈网络增益的乘积实现的增益放大的功能；
所述闭环放大器为基于电阻或电容反馈的放大电路，根据开环增益和反馈网络增益的乘积实现的增益放大的功能。
参阅图6所示，一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化方法，包括以下步骤：
S101：输入信号和初始化反馈信号经过闭环放大电路的求差运算，将运算后的电压发送给模数转换器；
S102：模数转换器将电压信号转换成二进制信号，发送给判断电路的输入端；
S103：判断电路对二进制信号进行判断，当二进制信号过高时，判断电路的一个输出端控制第一单向计数器，第一单向计数器进行加计数；当二进制信号过低时，判断电路的另一个输出端控制第二单向计数器，第二单向计数器进行加计数；
S104：当第一单向计数器计数次数达到128次，输出高电平作为控1信号，发送给双向计数器的一端且第一单向计数器清零进入下一计数周期；当第二单向计数器计数次数达到128次，输出高电平作为控2信号，发送给双向计数器的另一端且第二单向计数器清零进入下一计数周期；
S105：双向计数器根据控1信号和控2信号的输出电平进行增计数或减计数：当控1信号为高电平且控2信号为低电平，双向计数器增计数，增大高电平信号的负向反馈来满足将高电平信号调低的目的；当控1为低电平且控2信号为高电平，双向计数器减计数，实现对低电平信号的累加，已达到调高低电平信号的目的；
S106：双向计数器的输出信号经过数模转换器转换成模拟信号，分别经分压电阻的分压和缓冲器的信号放大反馈给闭环放大器的反馈信号端，返回步骤S101。
在实际使用中，将含有低频成分和高频成分的输入信号输入闭环放大器的一路输入端，经闭环放大器与初始化反馈信号进行放大计算后，输出到模数转换器，经模数转换器将电压信号转化成二进制信号，通过判断电路判断模数转换器的高位输出情况，当模数转换器的高位输出为1时，说明数字信号过高，第一单向计数器递增计数，当模数转换器的高位输出为0时，说明数字信号过低，第二单向计数器递增计数，当其中一个单向计数器计满128次，该单向计数器输出信号为1，而没有计满128次的计数器的输出信号为0，并将输出信号1和0分别作为控1和控2的输入信号，此时，计满128的单向计数器复位，没有计满128次的单向计数器继续计数，复位后的计数器进入等待计数状态：根据下一次判断电路的输出结果，控制第一单向计数器或第二单向计数器是否需要继续计数，进而形成一个循环判断的过程。
控1和控2的信号存在两种情况：当第一单向计数器计满128次时，控1的信号为1和控2的信号为0时，双向计数器递增计数，增大高电平信号的负向反馈来满足将高电平信号调低的目的；当第二单向计数器计满128次时，控1的信号0和控2的信号1时，双向计数器递减计数，实现对低电平信号的累加，已达到调高低电平信号的目的，通过以上方式控制双向计数器的计数方式。
双向计数器所有位数并行输出，发送给数模转换器，模数转换器将二进制信号转换成模拟信号，并经过缓冲器的放大作用作为闭环放大器的反馈信号再次与输入信号进行求差运算，再次通过判断电路判断信号的是否过高或过低并控制双向计数器的递增或递减变化，作为反馈信号反馈到闭环放大器的输入端，直到将信号调节至可正常处理的信号范围，既保留了信号的低频成分和高频成分，又实现了对高频部分高精度量化，在保证性能前提下，降低了电路的设计难度、成本和功耗的特点。
本发明的工作原理：将含有低频成分和高频成分的输入信号输入闭环放大器的一路输入端，经闭环放大器与初始化反馈信号进行放大计算后，输出到模数转换器，经模数转换器将电压信号转化成二进制信号，通过判断电路判断模数转换器的高位输出情况，当模数转换器的高位输出为1时，说明数字信号过高，第一单向计数器递增计数，当模数转换器的高位输出为0时，说明数字信号过低，第二单向计数器递增计数，当其中一个单向计数器计满128次，该单向计数器输出信号为1，而没有计满128次的计数器的输出信号为0，并将输出信号1和0分别作为控1和控2的输入信号，此时，计满128的单向计数器复位，没有计满128次的单向计数器继续计数，复位后的计数器进入等待计数状态：根据下一次判断电路的输出结果，控制第一单向计数器或第二单向计数器是否需要继续计数，进而形成一个循环判断的过程。
控1和控2的信号存在两种情况：当第一单向计数器计满128次时，控1的信号为1和控2的信号为0时，双向计数器递增计数，增大高电平信号的负向反馈来满足将高电平信号调低的目的；当第二单向计数器计满128次时，控1的信号0和控2的信号1时，双向计数器递减计数，实现对低电平信号的累加，已达到调高低电平信号的目的，通过以上方式控制双向计数器的计数方式。
双向计数器所有位数并行输出，发送给数模转换器，模数转换器将二进制信号转换成模拟信号，并经过缓冲器的放大作用作为闭环放大器的反馈信号再次与输入信号进行求差运算，再次通过判断电路判断信号的是否过高或过低并控制双向计数器的递增或递减变化，作为反馈信号反馈到闭环放大器的输入端，直到将信号调节至可正常处理的信号范围，既保留了信号的低频成分和高频成分，又实现了对高频部分高精度量化，在保证性能前提下，降低了电路的设计难度、成本和功耗的特点。
当输入过高时的控制过程：输入信号从闭环放大器的正端输入，发送给模数转换器进行信号转化，发送给判断电路，判断电路的高位输出为1时，第一单向计数器计数，计满128次输出为1作为控1的控制信号，此时，第二单向计数器没有计满128次，输出信号为0作为控2的控制信号，此时，为降低闭环放大器的输出，需要将闭环放大器的负反馈增大，双向计数器进行增加计数，因此，双向计数器增计数，经缓冲器放大后，反馈给闭环放大器的负端，进行求差运算，降低输入信号的输出值，再次进行模数转换，形成一个循环过程，直到将信号调节至可正常处理的信号范围。
当输入信号过低时的控制过程：输入信号从闭环放大器的正端输入，发送给模数转换器进行信号转化，发送给判断电路，判断电路的高位输出为0时，第二单向计数器计数，计满128次输出为1作为控2的控制信号，此时，第一单向计数器没有计满128次，输出信号为0作为控1的控制信号，此时，为提高闭环放大器的输出，需要将闭环放大器的负反馈减少，双向计数器进行减计数，因此，双向计数器减计数，经缓冲器放大后，反馈给闭环放大器的负端，进行求差运算，提高输入信号的输出值，再次进行模数转换，形成一个循环过程，直到将信号调节至可正常处理的信号范围。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (6)
1.一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，其特征在于，包括闭环放大器，闭环放大器的输出端连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接判断电路的输入端，判断电路的一路输出连接用于记录信号过高次数的第一单向计数器，判断电路的另一路输出连接用于记录信号过低次数的第二单向计数器，第一单向计数器和第二单向计数器的输出端分别连接双向计数器的输入端，双向计数器的多位并行输出端连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端依次连接分压电阻和缓冲器，缓冲器的输出端连接闭环放大器的一路输入端，闭环放大器的另一路输入端连接输入信号。
2.根据权利要求1所述的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，其特征在于：所述模数转换器为奈奎斯特模数转换器，奈奎斯特模数转换器的输入端连接闭环放大器的输出端，奈奎斯特模数转换器的高N-M位输出端分别连接判断电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，其特征在于：所述判断电路为由逻辑门构成的判断1和0的数字电路，数字电路由N-M位多输入与门和N-M位多输入或门组成，模数转换器的N-M位输出端分别连接N-M位多输入与门的输入端和N-M位多输入或门的输入端，电压信号由N位的模数转换器的输出端输出，经过多输入与门和多输入或门进行高位判断，得到判断信号分别发送给第一单向计数器和第二单向计数器的输入端。
4.根据权利要求3所述的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，其特征在于：所述第一单向计数器和第二单向计数器均为通过计数脉冲个数进行加法计数的同步计数器或异步计数器。
5.根据权利要求1所述的一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化系统，其特征在于：所述双向计数器通过计数脉冲进行加计数或减计数的同步计数器或异步计数器，同步计数器或异步计数器的8位并行输出连接数模转换器的输入端；
所述数模转换器的型号为AD5330数模转换器，AD5330数模转换器将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量为基准的模拟量；
所述缓冲器为闭环电路放大器，是基于电阻或电容反馈的放大电路，根据开环增益和反馈网络增益的乘积实现的增益放大的功能；
所述闭环放大器为基于电阻或电容反馈的放大电路，根据开环增益和反馈网络增益的乘积实现的增益放大的功能。
6.一种分别量化信号低频成分和高频成分的量化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S101：输入信号和初始化反馈信号经过闭环放大电路的求差运算，将运算后的电压发送给模数转换器；
S102：模数转换器将电压信号转换成二进制信号，发送给判断电路的输入端；
S103：判断电路对二进制信号进行判断，当二进制信号过高时，判断电路的一个输出端控制第一单向计数器，第一单向计数器进行加计数；当二进制信号过低时，判断电路的另一个输出端控制第二单向计数器，第二单向计数器进行加计数；
S104：当第一单向计数器计数次数达到128次，输出高电平作为控1信号，发送给双向计数器的一端且第一单向计数器清零进入下一计数周期；当第二单向计数器计数次数达到128次，输出高电平作为控2信号，发送给双向计数器的另一端且第二单向计数器清零进入下一计数周期；
S105：双向计数器根据控1信号和控2信号的输出电平进行增计数或减计数：当控1信号为高电平且控2信号为低电平，双向计数器增计数；当控1为低电平且控2信号为高电平，双向计数器减计数；
S106：双向计数器的输出信号经过数模转换器转换成模拟信号，分别经分压电阻的分压和缓冲器的信号放大反馈给闭环放大器的反馈信号端，返回步骤S101。
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