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 问题提出
§01 问题提出
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 实验验证
§02 实验验证
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
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
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)
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
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
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
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
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
§03 对称方波
§03 对称方波
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 实验总结
§04 实验总结
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:
- 通过蓝牙设置信号模块及其放大电路
- 直接产生的信号波形
- 经过LMV358放大之后的采集信号
- 采集到的三角波信号
- AD9833可以直接产生0~5V的方波信号
- Smith反相器(74HCT14)
- 使用74HC14获得的方波
- 使用74HC14获得的方波
- LM311比较器
- 使用LM311比较器获得的波形
- 在过渡带引起的振荡
- 输入信号,输出信号,Smith反馈信号
- 引入Smith特性之后,没有振荡波形了
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