信号转换 | 如何将正弦波转换成方波?

信号转换 | 如何将正弦波转换成方波?简介01问题的提出02实验方案验证1.信号源的设置在博文利用STC8G1K08实现的数字信号合成模块给出了可以通过无线蓝牙设置输出频率和波形的信号源模块。由于该模块直接输出的信号的峰峰值只有0.7V左右,需要将其进行放大才能够满足后面信号实验的要求。▲通过蓝牙设置信号模块及其放大电路下面是数字信号合成模块AD9833直接输出的正弦波信号。▲直接产生的信号波形经过LMV358进行放大之后,正弦波的波形基本上达到了0~5V之间。▲经过LMV358放大之后的采集信号▲采集

信号转换 | 如何将正弦波转换成方波?

简 介: 将一般的波形,比如正弦波转换成方波是信号处理中经常碰到的问题。本文针对该问题给出了最简单的一种讨论,并对使用比较器进行波形整形过程中遇到的毛刺问题进行讨论。

关键词 信号波形转换比较器

  模拟电子中对于信号进行波形转换是一个主要的处理问题。其中将输入的波形转换成方波信号是最为基础的转换方式。

  对输入信号通过一个基本的比较器,便可以将输入的连续幅度的信号转换成幅值为离散取值(二值化)的信号,这个过程也称为对输入信号的二值化。

  在有噪声的情况下,则需要通过带有一定回滞特性(Smith特性)来消除转换成安称重的信号抖动。

 



§01 题提出


  本文中的内容是针对 信号转换的解题思路 中第一步“对信号整形”的处理。实验给出典型二值化的处理电路,并记录了一些基本的实验结果。

 



§02 验验证


1、信号源的设置

  在博文 利用STC8G1K08实现的数字信号合成模块 给出了可以通过无线蓝牙设置输出频率和波形的信号源模块。

  由于该模块直接输出的信号的峰峰值只有0.7V左右,需要将其进行放大才能够满足后面信号实验的要求。

▲ 通过蓝牙设置信号模块及其放大电路


▲ 通过蓝牙设置信号模块及其放大电路

  下面是数字信号合成模块 AD9833 直接输出的正弦波信号。

▲ 直接产生的信号波形


▲ 直接产生的信号波形

  经过LMV358进行放大之后,正弦波的波形基本上达到了0~5V之间。

▲ 经过LMV358放大之后的采集信号


▲ 经过LMV358放大之后的采集信号




▲ 采集到的三角波信号

▲ 采集到的三角波信号


  AD9833可以直接产生0~5V的方波信号,只是此时的频率是设定频率值的一半。

▲ AD9833可以直接产生0~5V的方波信号


▲ AD9833可以直接产生0~5V的方波信号


  采集和生成前面波形的Python程序如下:

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY -- by Dr. ZhuoQing 2020-05-22
#
# Note:
#============================================================
from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tshardware    import *
from tsmodule.tsdraw        import *
#------------------------------------------------------------
ds6104open()
#zbcmd(b'ad9833triangle')
#zbcmd(b'ad9833sinusoidal')
zbcmd(b'ad9833square')
#------------------------------------------------------------
step = 20
flist = list(linspace(1000, 1500, step))
frvdim = flist + flist[-1::-1]
printf(frvdim)
#------------------------------------------------------------
pltgif = PlotGIF()
#------------------------------------------------------------
for f in frvdim:
    zbcmd(b'ad9833setfrequency %f'%f)
    time.sleep(.2)
    x, y = ds6104readcal(1)
    plt.clf()
    plt.plot(x, y)
    plt.xlabel('Time(s)')
    plt.ylabel('Voltage(V)')
    plt.axis([x[0], x[-1], 0, 5])
    plt.grid(True)
    plt.draw()
    plt.pause(.1)
    pltgif.append(plt)
printf("\a")
pltgif.save(r'd:\temp\1.gif')
#------------------------------------------------------------
# END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

2、使用反相器来获得方波

  由于输入信号的幅值很大,接近于0~5V之间,所以可以使用带有Smith输入特性的14触发器完成信号的整型。

▲ Smith反相器(74HCT14)


▲ Smith反相器(74HCT14)

  下面给出了使用74HC14反相器得到的对输入正弦波、三角波的整形结果。可以从输出方波信号的上升沿和下降沿对应的输入信号的幅值差别,可以明显看到反相器的绘制特性。

▲ 使用74HC14获得的方波


▲ 使用74HC14获得的方波

▲ 使用74HC14获得的方波


▲ 使用74HC14获得的方波

  使用一个简单的具有Smith输入特性的反相器门电路可以比较方便的进行波形转换,但具有以下 缺点
  1. 输出波形不再对称。由于输入比较器的反转电压不再输入信号的过零中点上下对穿,这也使得输出方波不在是对称(50%占空比)。这在一些场合不太适合;
  2. 对于输入信号的幅值敏感。随着输入信号的不同幅值,输出方波的占空比也会随之改变。特别当输入信号的幅值达不到回滞上下限的时候,输出就会是一个恒定值。

3、使用比较器来获得方波

  LM311是常用到的高速信号比较器。它可以组成很多常用到的信号处理电路。

▲ LM311比较器


▲ LM311比较器

  使用该比较器可以对输入的信号进行转换成二值信号。

  通过分压电路使得比较器的IN-,IN+处在电源电压的终点,输入信号通过电容耦合到IN+。这样就可以准确在带输入信号的过零点完成信号的整形了。

▲ 使用LM311比较器获得的波形


▲ 使用LM311比较器获得的波形

  如果信号带有噪声,就会在输出信号的跳变的时候出现一定量的抖动。如下图所示。这可以通过对输出信号进行低通滤波来消除这方面的影响。但最好的方法就是在比较器中引入正反馈形成Smith特性。

▲ 在过渡带引起的振荡


▲ 在过渡带引起的振荡

  下面就是从比较器的输出,通过20k电阻引至比较器的IN+,和IN+连接到中位电压的1k电阻分压形成正反馈。这样在整形的输入输出之间就形成了一定的回差。

  通过这个回差(Smith)特性,可以消除输出信号在跳边沿出的抖动(Glitch)现象。

▲ 输入信号,输出信号,Smith反馈信号


▲ 输入信号,输出信号,Smith反馈信号

  下面这张图是在增加了Smith特性之后,对输出跳边沿进行观察,已经没有了相应的抖动跳变了。

▲ 引入Smith特性之后,没有振荡波形了


▲ 引入Smith特性之后,没有振荡波形了

 



§03 称方波


  采集100次波形,计算波形的占空比。所得到的均值和方差分别为:

  • 均值: 0.5038
  • 方差:2.1642e-6

  采集并进行测试的程序:

#------------------------------------------------------------
def dutyratio(d):
    dlist = [int(s == True) for s in list(array(d) > 2.5)]
    ddif = [int(s1 != s2) for s1,s2 in zip(dlist[0:-1], dlist[1:])]
    changeid = nonzero(ddif)[0]
    printf(changeid)
    return (changeid[1] - changeid[0])/(changeid[2] - changeid[0])

ratiodim = []

for i in range(100):
    x1,y1,y2 = ds6104readcal(1, 2)
    r = dutyratio(y2)
    ratiodim.append(r)
    printff(i, r)

tspsave('ratio', r = ratiodim)
printff(mean(ratiodim), var(ratiodim))
#------------------------------------------------------------

r=[0.50,0.51,0.51,0.51,0.51,0.50,0.50,0.51,0.50,0.51,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.51,0.50,0.51,0.51,0.51,0.50,0.50,0.50,0.51,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50,0.50]

 



§04 验总结


  通过LM311可以对输入的幅值连续的模拟信号进行二值化(整形)。通过加入少量的回滞(Smith)特性,可以消除输入信号中高频噪声在输出信号中所带来的抖动。

  回滞电压的区间需要控制在一定范围,否则就会使得输出整形信号的跳边沿不发生在信号的过零点出。


■ 相关文献链接:

● 相关图表链接:

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