CN214591354U - 一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个阶梯电压形成电路、一个阶梯电压复位电路、一个量化调制电路、一个低通滤波器电路。所述无稳态多谐振荡器电路，由施密特触发器N₁、电阻R₁、及电容C₁组成；所述阶梯电压形成电路，由二极管D₁、电容C₂、晶体管T₁以及电容C₄组成；所述阶梯电压复位电路，由可变电容C₄、触发器N₂、N₃、晶体管T₂组成；所述量化调制电路，由比较器IC2、输入信号电路、阶梯信号电路组成，比较器将三角波信号和模拟的输入信号比较，在原输入信号基础上加入阶梯，即用阶梯电压代替三角波电压。

Description

一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器

技术领域

本实用新型涉及一种利用标准阶梯波信号量化、调制输入信号的技术，尤其一种能把输入信号转换成有由很多阶梯波组成的信号，但却又保持了输入信号原有的变化规律的特色电路。

背景技术

阶梯波是一种在电子电路中常见的波形，在无线电遥测、调频信号磁带记录以及数字电 压表中较为有用；在电子测量和自动控制系统中，阶梯波信号可以作为时序控制信号和多极电位基准信号，从而获得了广泛的用途。

产生阶梯波的方法很多。在模拟电路中常用运算放大器的组合形成方波-三角波发生器与迟滞电压比较器，并利用二极管、电容的电气特性来产生阶梯波，如附图1。

参考一般阶梯波信号发生器电路，可以设计一个更为简洁、实用的阶梯波信号产生电路，然后将产生的阶梯波信号，采用量化的脉宽调制方式，使输入信号（如音乐信号）变成阶梯状，如附图2。

所以这个电路的最大特点是能把输入信号转换成有由很多阶梯波组成的信号，但却又保持了输入信号原有的变化规律。

因为本电路产生的阶梯波都是等高的，这个阶梯波将与输入信号作为参考电压的比较器进行比较，所以输出信号的谐波（谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量，这个电路中基波指的是输入信号）仅取决于输入信号的幅度。

已成阶梯的信号其谐波极为丰富，经处理后即可得到多种多样的音响效果，故这种特性对于电子音乐的合成是十分有用的，在电子音乐合成电路中可得到许多意想不到的特殊效果。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、能把原始输入信号转换成有由很多阶梯波组成的信号，但却又保持了输入信号原有的变化规律设备。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个阶梯电压形成电路、一个阶梯电压复位电路、一个量化调制电路、一个低通滤波器电路；所述无稳态多谐振荡器电路产生的振荡信号通过耦合电容C2进入所述阶梯电压形成电路，在电容C4两端形成一个标准的阶梯波信号；该阶梯波信号进入所述阶梯电压复位电路，在C4两端形成一系列阶梯电压；该阶梯电压从C4的上端进入所述量化调制电路，在原输入模拟信号IN的基础上加入阶梯；所述量化调制电路输出的脉宽调制量化信号，由所述低通滤波器电路转换成模拟信号，由输出电容C₆输出。

所述无稳态多谐振荡器电路，包括施密特触发器N₁、迟滞电阻R₁、振荡电容C₁，N1的输入端与输出端之间连接迟滞电阻R₁，电容C₁的上端连接N1的输入端，C1的下端连接工作地。

所述阶梯电压形成电路，包括晶体管T1、续流二极管D1、耦合电容C2，T1的发射极同时连接续流二极管D₁的负极、耦合电容C₂的右端，电容C2的左端连接N1的输出端3脚，D1的正极连接电源+12V，晶体管T1集电极通过可变电容C₄连接工作地。

所述阶梯电压复位电路，由斯密特触发器N2、N3、可变电容C4、晶体管T2、电阻R2组成，触发器N2、N3的两个输入端皆短接，电容C4的上端同时连接晶体管T2的集电极、触发器N2的输入端，T2的发射极连接工作地，触发器N2的输出端连接触发器N3的输入端，触发器N3的输出端通过电阻R2连接晶体管T2的基极。

所述量化调制电路，由+12V电源、电位器P1、P2、电容C5、电阻R3、运放IC2组成，供电+12V通过电位器P2连接工作地，P2的滑动端通过电阻R3连接IC2的同相输入端，模拟输入信号IN依次通过电位器P1、电容C5连接IC2的同相输入端，可变电容C4的上端连接IC2的反相输入端。

所述低通滤波器电路，由电阻R₄连接电容C₇组成低通滤波器，电阻R₄的左端连接IC2的输出端，R4的右端通过电容C7连接工作地，R4的右端连接电解电容C6的正极，C6的负极输出被调制的低频信号。

附图说明

附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是一般阶梯波信号发生器示意图；附图2是基于量化脉宽调制的阶梯波信号发生器波形示意图；附图3是基于量化脉宽调制的阶梯波信号发生器电气原理图；附图4是无稳态多谐振荡器波形示意图；附图5是标准阶梯波波形图；附图6是含有载波信号的阶梯波形示意图。

具体实施方式

附图3是本实用新型设计的电气原理图，包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个阶梯电压形成电路、一个阶梯电压复位电路、一个量化调制电路、一个低通滤波器电路，下面详细介绍本发明。

这个方案不但设计了一个阶梯波信号发生器，而且利用所产生的阶梯波去调制或修整一个需要处理的输入信号，就是引言里提出的“量化的脉宽调制”方式。所谓脉宽调制，就是借助一个比较器将三角波信号和模拟的输入信号比较；而所谓量化，则是在原输入信号基础上加入阶梯，即用阶梯电压代替三角波电压。

本设计包括无稳态多谐振荡器电路、阶梯电压形成电路、阶梯电压复位电路、量化调制电路、低通滤波器电路共五个模块电路。如附图3所示。

附图3电路中，IC₁集成电路的型号为CC4093, 它由4个施密特触发器构成，每个触发器有一个2输入与非门，当正极性（上升沿）或负极性（下降沿）信号输入时，触发器在不同的点（阈值）翻转。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。这种电压传输特性曲线称为施密特触发器的“磁滞回线”。电路图中的N₁ 、N₂、N₃各属于其中一个斯密特触发器，下面不再赘述。

集成电路IC₂型号为CA3140，CA3140是一个高输入阻抗运算放大器，该运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能，此处作为一个电压比较器电路。

无稳态多谐振荡器电路：若想形成阶梯电压，首先需要一个振荡信号，振荡电路由施密特触发器N₁、磁滞电阻R₁、及瓷片电容C₁组成一个无稳态多谐振荡器电路，其振荡频率取决于时间常数τ，τ可由下式简单求出

τ=R₁*C₁

其中τ单位为妙，电阻R₁单位欧姆，电容C₁单位法拉。

故振荡频率取决于R₁和C₁的值，振荡过程简单介绍一下。

接通电源的瞬间，电容C₁相当于短路，即触发器N₁输入端(1脚或2脚)电压U_N1-1=0，这时N₁输出端（3脚）U_N1-3为高电平，U_N1-3经磁滞电阻R₁、给电容C₁充电，如图3之U_N1-1；当电容C₁上的电压上升到斯密特触发器N₁的上升沿阈值电压U+时，触发器翻转，N₁输出U_N1-3跳变为低电平，这时，电容C₁又通过电阻R₁放电，当电容C₁上的电压下降到下降沿阈值电压U-时，电路又翻转，U_N1-3又跳变到低电平，如此周而复始，输出的是连续的方波脉冲，如附图4。

阶梯电压形成电路：阶梯电压形成电路包括续流二极管D₁、耦合电容C₂、起着充电器作用的晶体管T₁以及可变电容C₄。每当脉冲产生电路N₁输出一个脉冲时，即为逻辑“1”（12V）, 耦合电容C₂两端电压不能突变，C₂右端电压在脉冲出现瞬间一定大于12V，故晶体管T₁基极正向偏置、导通，对可变电容C₄充电，相当于晶体管T₁将电容C₂的电荷转换到电容C₄上。

在下一个半周（N₁输出为0时），电源再次通过二极管D₁向C₂充电。这样，C₄两端的电压按一群不连续的阶梯增加，如图5所示，阶梯高度由C₂：C₄的比值决定。

阶梯电压复位电路：当C₄两端的电压升到一定值时，C₄电压超过斯密特触发器N₂上升沿阈值，N₂输出为“0”；同理，斯密特触发器N₃在输入信号低于其下降沿阈值时，输出为“1”。相当于C₄两端的电压通过门N₂、N₃接通晶体管T₂，并使电容C₄放电。

当电容C₄放完电后，门电路N₂输出变高，N₃输出变低，晶体管T₂关断，C₄再次充电到一定阶梯值，如此循环往复，形成一系列阶梯电压，如附图5所示。

量化的脉宽调制电路：集成电路IC₂是一个高输入阻抗运算放大器，这里作为一个比较器用。上文形成的阶梯电压加到运放的反相输入端上，运放同相输入端的直流电压值由电位器P₂调到阶梯电压幅度的一半，电位器P₁的调整取决于输入信号的大小，电位器P₁应调整到其动臂上的输入信号的最大值都要小于阶梯电压的最大值。

可以看出，运放IC₂以同相输入端作为参考电压，参考电压不但包括一个直流电压，而且包含一个作为基准频率的输入信号。直流偏压通过电阻R₃被“修整”（叠加）到通过电容C₅输入的交流信号的幅度上，叠加后混合信号的电平，等于在原来基准输入信号基础上提升了直流偏压幅度，其实通信领域的所谓载波信号就是根据这个原理实现的。

比较器反相端的输入信号是一系列阶梯信号，当台阶数少的时候，反相电压小于同相电压，比较器输出高电平；随着台阶数的增加，反相电压大于正向电压，比较器输出“低电平”（以正相输入信号电平作为参考电平，由于正相输入信号的电平是随模拟信号的变化曲线变化的，故参考电平也是随之变化的），形成如图6所示的含有载波信号（正相输入端信号）的阶梯信号。

低通滤波器电路：由电阻R₄和电容C₇组成的低通滤波器或积分电路，将比较器IC₂输出的脉宽调制量化信号转换成模拟信号，由输出电容C₆输出。改变电容C₄的容量，即可调整阶梯数，C₄可以用变容二极管来代替，这个变容二极管的电压可由输入信号或音乐节目来控制或调制。

本阶梯信号发生器采用三个门电路和一个晶体管产生一系列阶梯波，利用一个比较器将阶梯波信号调制在由直流电压和基准输入信号叠加形成的参考电压上，比较器输出一个含有极丰富谐波的载波信号。这种电路得到的载波信号，在电子音乐合成电路中可以得到许多有趣和独特的效果。

Claims (6)

1.一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其特征在于：所述阶梯波信号发生器包括一个无稳态多谐振荡器电路、一个阶梯电压形成电路、一个阶梯电压复位电路、一个量化调制电路、一个低通滤波器电路；所述无稳态多谐振荡器电路产生的振荡信号通过耦合电容C2进入所述阶梯电压形成电路，在电容C4两端形成一个标准的阶梯波信号；该阶梯波信号进入所述阶梯电压复位电路，在C4两端形成一系列阶梯电压；该阶梯电压从C4的上端进入所述量化调制电路，在原输入模拟信号IN的基础上加入阶梯；所述量化调制电路输出的脉宽调制量化信号，由所述低通滤波器电路转换成模拟信号，由输出电容C₆输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其特征在于：所述无稳态多谐振荡器电路，包括施密特触发器N₁、迟滞电阻R₁、振荡电容C₁，N1的输入端与输出端之间连接迟滞电阻R₁，电容C₁的上端连接N1的输入端，C1的下端连接工作地。

3.根据权利要求1所述的一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其特征在于：所述阶梯电压形成电路，包括晶体管T1、续流二极管D1、耦合电容C2，T1的发射极同时连接续流二极管D₁的负极、耦合电容C₂的右端，电容C2的左端连接N1的输出端3脚，D1的正极连接电源+12V，晶体管T1集电极通过可变电容C₄连接工作地。

4.根据权利要求1所述的一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其特征在于：所述阶梯电压复位电路，由斯密特触发器N2、N3、可变电容C4、晶体管T2、电阻R2组成，

触发器N2、N3的两个输入端皆短接，电容C4的上端同时连接晶体管T2的集电极、触发器N2的输入端，T2的发射极连接工作地，触发器N2的输出端连接触发器N3的输入端，触发器N3的输出端通过电阻R2连接晶体管T2的基极。

5.根据权利要求1所述的一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其特征在于：所述量化调制电路，由+12V电源、电位器P1、P2、电容C5、电阻R3、运放IC2组成，供电+12V通过电位器P2连接工作地，P2的滑动端通过电阻R3连接IC2的同相输入端，模拟输入信号IN依次通过电位器P1、电容C5连接IC2的同相输入端，可变电容C4的上端连接IC2的反相输入端。

6.根据权利要求1所述的一种基于量化、脉宽调制的阶梯波信号发生器，其特征在于：所述低通滤波器电路，由电阻R₄连接电容C₇组成低通滤波器，电阻R₄的左端连接IC2的输出端，R4的右端通过电容C7连接工作地，R4的右端连接电解电容C6的正极，C6的负极输出被调制的低频信号。

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