信号转换 | 如何将正弦波转换成方波？

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 -*-

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# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-05-22

#

# Note:

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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:temp1.gif')

#------------------------------------------------------------

#        END OF FILE : TEST1.PY

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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

  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

  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。