微分移相實現(xiàn)50%占空比的波形變換

【摘要】為了將正弦波變換為頻率為其2倍的方波信號，并保證方波低電平的占空比為50%，提出了一種微分移相實現(xiàn)波形變換的方法。該方法電路實現(xiàn)簡單，且方波的占空比不隨輸入信號的頻率而變化。仿真實驗結(jié)果表明文中提出方法是有效的。

【關(guān)鍵詞】微分移相；波形變換；占空比

1.引言

利用磁傳感器測定轉(zhuǎn)數(shù)的時候需要將正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號[1]。常見的波形變換電路只能將一個周期的正弦波轉(zhuǎn)換為一個方波[2]，其原理圖如圖1。合理選擇電阻R2與R1的比值，可以在放大器的輸出端得到與輸入信號同頻率的方波信號。

為了提高計轉(zhuǎn)數(shù)精度，需要將每個周期的正弦信號轉(zhuǎn)換為兩個周期的方波脈沖。另外，為了使得外圍的單片機電路能夠方便地采集到方波脈沖，需要保證方波的高電平占空比為50%。利用兩個電壓比較器構(gòu)成的窗口比較器可以完成倍頻功能[3]，即將一個周期的正弦波轉(zhuǎn)換為兩個周期的方波，但是方波的占空比是變化的：當(dāng)正弦波的頻率較低時，占空比較高；當(dāng)正弦波的頻率較高時，占空比較低。為此，本文提出一種基于微分移相電路的正弦波變換方法，該方法可在完成二倍頻的同時保證占空比為50%。

2.微分移相電路原理

微分移相電路的原理圖如圖2當(dāng)輸入電壓為正弦波時，設(shè) ，則微分電路的輸出電壓為[4]：

由上面的三個式子可以看出輸入信號與輸出信號的相位差相差90度，這就是微分移相的原理。

假定有兩個理想電壓比較器（記為比較器A、比較器B），其反相輸入端均接地；同相輸入端分別接輸入信號與輸出信號，則在正弦波的一個周期內(nèi)，兩個比較器的輸出如表1所示。觀察比較器的輸出，可得出如下規(guī)律：在正弦信號的一個周期內(nèi)，兩個比較器的輸出進(jìn)行異或操作的結(jié)果狀態(tài)變化了兩次——這意味著信號的頻率變?yōu)樵瓉淼膬杀?；同時狀態(tài)變化的時刻分別輸入信號的相位為0度、90度、180度、270度的時刻，這正好保證了高電平與低電平的比值為1：1——亦即實現(xiàn)了方波的占空比為50%的目標(biāo)。

3.波形變換的工程實現(xiàn)

根據(jù)前面的描述，可繪制出波形變換的電路原理圖，如圖3所示。電路主要由運算放大器、比較器、異或門及相應(yīng)的電阻電容組成。

輸入的正弦信號分兩路進(jìn)行處理：一路經(jīng)過運算放大器U2A、比較器U1A進(jìn)行處理，處理的結(jié)果送入異或門的U3A的輸入端；另一路經(jīng)過由運算放大器U2B組成的移相電路、比較器U1B進(jìn)行處理，處理的結(jié)果送入異或門的U3A輸入端；異或門U3A的輸出即為二倍頻的方波信號，且其占空比恒定為50%。

4.結(jié)論

文中給出了一種微分移相原理的正弦信號轉(zhuǎn)換為方波信號的倍頻電路，且方波的占空比不隨輸入信號的頻率而變化。該電路實現(xiàn)簡單，僅需要兩個運算放大器、兩個比較器與一個異或門即可完成波形變換。仿真實驗結(jié)果表明，本文提出的微分移相電路能夠滿足50%占空比的要求。

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