专利名称：方波-正弦波信号转换方法及转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电信号的转换方法，尤其是一种方波一正弦波信号转 换方法。本发明还涉及一种电信号转换电路，尤其是一种方波一正弦波信 号转换电路。
背景技术：
在某些数模混合信号系统中，常常需要将方波或者近似于方波的信号
进行基频抽取，也就是说需要将周期为T的数字型信号中频率为1/T的正 弦波取出来，而将高次谐波去除，特别是在某些通信系统的调制过程中， 对于发射功率谱都有比较严格的规定，以防干扰该通信系统以及其他的通 信系统的接收或发射，而高次谐波的存在往往会使得调制频谱达不到既定 要求，可见，从方波或者准方波中抽取基频分量在某些系统中是十分必要 的。
对于方波而言，其频谱分量中除了包含频率为1/T的基频分量，还包 括频率为3/T， 5/T，……等高次谐波，各次谐波的幅度分别为基波的1/3， 1/5，……，可见各高次谐波分量在方波信号中占据了相当的能量。最为直 接的去除高次谐波的办法就是采用滤波器，但是在一些系统特别是无线通 信的调制系统中，调制信号的频率都相对较高，在高频下对目前主流的集 成电路工艺而言是很难实现运算放大器的，因此无法采用有源电阻-电容式 滤波器，而往往需要采用开环形式的跨导-电容式滤波器。由于跨导-电容滤波器的线性度较低，即使采用一些线性化技术以提高线性度，在高频下 的线性性能也会恶化，所以这种滤波器处理高速信号的效果较差，其自身 的非线性会使得谐波增加。对方波信号而言，由于离基波比较近的各次谐 波的幅度较大，进一步增加了滤波难度。总之，采用滤波器直接滤波的方 式往往需要以增加功耗和阶数为代价实现所需的滤波效果，芯片的功耗、 面积以及设计复杂度都会增加，不利于实现低成本和低功耗的产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种方波一正弦波信号转换方法， 及实现该方法的方波一正弦波信号转换电路，能够直接生成所需正弦波信 号，避免直接采用较高阶数的高频滤波器，大大的节省芯片的面积和功耗， 降低设计复杂度。
为解决上述技术问题，本发明方波一正弦波信号转换方法的技术方案 是，包括
N个周期相同、占空比为50%的方波控制信号，N为大于l的整数，所
述N个方波控制信号按顺序排列，后一个方波控制信号的相位比其前一个
方波控制信号的相位滞后1/2N个周期；
由N个方波控制信号分别生成N个方波次级信号，所述N个方波次级
信号的振幅总和为a，第n个方波信号的振幅为^cos^^-冊^一，其中
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将所述N个方波次级信号叠加，得到一个伪正弦波信号，对伪正弦波
信号进行滤波得到正弦波信号。本发明还提供了一种方波一正弦波信号转换电路，其技术方案是，包 括正弦波成型电路，所述正弦波成型电路包括按顺序排列的相互并联的N 路恒流源电路，N为大于1的整数，每一路恒流源电路包括串联连接的阳性 电路和阴性电路，所述阳性电路的一端接电源端，阴性电路的一端接地， 所述阳性电路包括一个恒流源和一个开关，所述阴性电路包括一个恒流源 和一个开关；所述每一路恒流源电路中阳性电路和阴性电路的恒流源产生 的电流大小相等，方向相同，第n路恒流源电路中的恒流源所产生的电流
大小/^/fcos^l;r-cosA;r)，其中I为电流基准大小，1《n《N;所述恒流
源电路中的开关分别由N个周期相同的方波控制信号控制，所述N个方波 控制信号按顺序排列，后一个方波控制信号的相位比其前一个方波控制信 号的相位滞后1/2N个周期，当所述方波控制信号为前半个周期时，该方波 控制信号所控制的阳性电路的开关闭合、阴性电路的开关断开，当所述方 波控制信号为后半个周期时，该方波控制信号所控制的阳性电路的开关断 开、阴性电路的开关闭合；所述N路恒流源电路中阳性电路与阴性电路连 接的节点全部相互连接在一起，并作为伪正弦波信号的输出端；所述为正 弦波信号的输出端连接有滤波放大电路，将所述伪正弦波信号处理成正弦 波信号。
本发明通过采用将方波信号叠加的方式，直接生成所需正弦波信号， 避免了直接采用较高阶数的高频滤波器，大大的节省了芯片的面积和功耗， 降低了设计复杂度。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明
图1为本发明方波一正弦波信号转换方法实施例的示意图2为图1所示实施例中方波信号的频谱图3为图1所示实施例中伪正弦波信号的频谱图4为本发明方波一正弦波信号转换电路的示意图5和图6为图4中正弦波成型电路实施例的示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种方波—正弦波信号转换方法，包括
N个周期相同、占空比为50%的方波控制信号，N为大于l的整数，所 述N个方波控制信号按顺序排列，后一个方波控制信号的相位比其前一个 方波控制信号的相位滞后1/2N个周期；
由N个方波控制信号分别生成N个方波次级信号，所述N个方波次级
信号的振幅总和为a，第n个方波信号的振幅为^fcos^l;r-cosA一，其中
2〔 iV W J
将所述N个方波次级信号叠加，得到一个伪正弦波信号，对伪正弦波 信号进行滤波得到正弦波信号。
所述N个方波控制信号由一个方波控制信号生成。
图1所示为本发明方波一正弦波信号转换方法实施例的示意图。其中 以N^8为例，这8个相位的信号的相位差是1/16个周期，也就是相位8的 时钟比相位7的时钟滞后1/16个周期，相位7的时钟比相位6的时钟滞后 1/16个周期，以此类推，直到相位l的时钟。在图1中的第一个单位时间内，8个相位的时钟均为正半周，即为l， 此时亦对应正弦信号的最大值A，在下一个单位时间内，相位l为负半周，
其余相位均为正半周，此时对应正弦信号的B值，其中A-B的差值可以看 作相位1的负半周和相位8的正半周所对应的信号"抵消"或者说"相减" 得到，进入到第三个单位时间后，相位1和2均为负半周，其余相位均为 正半周，对应的正弦信号值为C，类似的，其中B-C的差值可以看作相位2 的负半周和相位7的正半周所对应的信号"抵消"或者说"相减"得到， 以此类推，即可得到如图1所示的正弦式信号。根据正弦信号的幅度，可 以得至ljA:a， B=0.9239a, C = 0. 7071a， D=0. 3827a。
需要指出的是，这样产生的正弦式信号只是伪正弦信号，因为信号是 分段上升式的，但是这种"跳变"在频域上看实际上引入了高次谐波。图2 和图3分别是方波信号和伪正弦信号的频谱图，这种伪正弦波比较大的谐 波分量位于15和17次谐波处，即图3中频率1. 5G和1. 7G的位置，而且 比基波小约20dB，这样的频谱分量是很容易滤除的，由一般的一阶滤波器 即可滤除，而且在实际电路中总存在一些寄生效应，所以实际中滤除这种 高次谐波无需特别制作滤波器，电路中的寄生电容已经足以滤除这种谐波 了，而方波信号比较大的谐波分量，如三次谐波和五次谐波，如图2中小 于500M的位置，其离基频较近，而且只比基频分量小10dB左右， 一般需 要较高阶数的滤波器才能滤除，两相比较可以发现伪正弦信号相比正弦信 号具有很好的频谱纯度，并且具有电路简单，功耗和面积都比较小的特点。
本发明还提供了一种实现上述方波一正弦波信号转换方法所采用的方波一正弦波信号转换电路，如图4、图5和图6所示，包括正弦波成型电路，
所述正弦波成型电路包括按顺序排列的相互并联的N路恒流源电路，N为大于1的整数，更好的情况是N为偶数，每一路恒流源电路包括串联连接的
阳性电路和阴性电路，所述阳性电路的一端接电源端，阴性电路的一端接地，所述阳性电路包括一个恒流源和一个开关，所述阴性电路包括一个恒
流源和一个开关；所述每一路恒流源电路中阳性电路和阴性电路的恒流源产生的电流大小相等，方向相同，第n路恒流源电路中的恒流源所产生的
电流大小/"=
COS-7Z" — COS——7T
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，其中I为电流基准大小，1《n《N;所述
恒流源电路中的开关分别由N个周期相同的方波控制信号控制，所述N个方波控制信号按顺序排列，后一个方波控制信号的相位比其前一个方波控制信号的相位滞后1/2N个周期，当所述方波控制信号为前半个周期时，该方波控制信号所控制的阳性电路的开关闭合、阴性电路的开关断开，当所述方波控制信号为后半个周期时，该方波控制信号所控制的阳性电路的开关断开、阴性电路的开关闭合；所述N路恒流源电路中阳性电路与阴性电路连接的节点全部相互连接在一起，并作为伪正弦波信号的输出端；所述为正弦波信号的输出端连接有滤波放大电路，将所述伪正弦波信号处理成正弦波信号。
所述阳性电路的开关采用PM0S管，阴性电路的开关采用NM0S管，所述方波控制信号控制PMOS管和NM0S管的栅极。
所述N个方波控制信号可以由环形振荡器产生。
所述N个方波控制信号也可以由一个方波信号通过延时锁定环产生。所述N个方波控制信号还可以由一个方波信号通过计数器电路产生。
图5和图6所示的电路仍以N=8为例，可以采用电流型的加权数模转
换器得到所需的正弦波信号，从原理上考虑，其实任何形式的数模转换器都可以实现正弦波成型，但是由于成型电路需要进行频繁的加减运算，这对于电流型数模转换器是特别适合的，因为电流实现加减运算可以直接通过节点连接实现，并且在信号速度较高的情况下，电流型数模转换器的速
度优势也较为明显。类似于图1的时序图，在第一个单位时间内，8个时钟相位均为正半周，那么所有的N管开关都断开，所有的P管开关都闭合，从而输出电流即为8个N管对应的电流之和(n+I2+I3+I4+I5+I6+I7+I8)，在第二个单位时间内，则相位1对应的N管闭合而P管断开，其余相位对应的N管断开而P管闭合，11 = 18，则有相位1对应的P管电流和相位8对应的N管电流抵消，则输出电流为(12+13+14+15+16+17)，以此类推，12 = 17， 13 = 16， 14 = 15，则第三个单位时间的输出电流为(I3 + I4+I5+I6)，第四个单位时间的输出电流为(14+15)，……。可见对应到图l中，
A=I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7+I8=2 (I1+I2+I3+I4);
B二I2+I3+I4+I5+I6+I7二2 (12+13+14);
C二I3+I4+I5+I6二2 (13+14);
D二I4+I5二2 (14+15)。
考虑到A、 B、 C、 D的比例关系，容易求出
11:12:13:14 = 0. 0761:0. 2168:0. 3244:0. 3827。
根据这一 比例选定合适的电流值实现这一 电路。本发明所提供的方波一正弦波信号转换方法及转换电路的一个重要应 用即是调频发射系统。由于发射信号是采用频率调制，也就是说信息仅存 在于调制信号的频率变化中，因此调频发射系统往往采用基于锁相环的频 率合成器进行调制，也就是说压控振荡器的输出即是调制后的调频信号， 一般而言调频系统的压控振荡器是采用环形振荡器构成，这种结构的压控 振荡器具有设计简单和面积小的优势，虽然相位噪音相对于电容-电感谐振 的振荡器差一些，但是也足以满足调频系统要求了。在设计环形振荡器的 过程中，为了提高相位噪声，需要使得振荡信号具有尽可能快的上升时间 和下降时间，也就是说信号往往为接近方波的形式。假定压控振荡器的输 出为周期T的理想方波，那么该方波中除了包含频率为1/T的基频分量，
还包括频率为3/T， 5/T，……等高次谐波，各次谐波的幅度分别为基波的 1/3， 1/5，……，可见各高次谐波分量在方波信号中占据了相当的能量。 假如将该信号直接送入功率放大器，那么这些高次谐波也会被放大，这些 高次分量可能会进入其他无线电应用的频段，对其他信号造成干扰，因此 必须将高次谐波尽可能减小。
由于调频信号的频段在100MHz左右，如前所述，很难采取高阶的高频
滤波器滤除离基频较近的各次谐波，而采取正弦波成型技术则可以很好的 解决这一问题。图4给出了一个较为典型的方波一正弦波信号转换电路的 调频系统框图，利用基于锁相环的调频器产生多相调制信号，送入到正弦 波成型电路中，产生的正弦信号经过缓冲放大级即可驱动片外的负载。
正弦波成型电路的具体实现如图6所示，利用电流镜电路产生各路电流，P管都采用电流镜形式，而N管则利用电阻R和电容C产生一个直流反
馈，将N管的栅压和漏级电压给定，如果不采用这样的反馈形式，而是将N
管和p管都接成高阻输出的电流镜形式，则输出节点为高阻节点，会使得
直流电平不稳定，造成电路失效，因此N管这样的处理可以起到稳定直流 电平的作用。在RC值足够大的情况下，仅构成直流和低频反馈，而高频信 号不会反馈，因此在高频下N管也可看作和P管同样的电流镜形式，即二 者的高频输出阻抗都较大，可以保证电流信号的输出性能。由于该电路是 基于电流型数模转换器的，因此输出阻抗较大，驱动能力相对较弱， 一般 需要通过缓冲放大电路驱动片外负载，由于缓冲放大器电路存在一定的输 入电容，这一电容恰好也可以用于将伪正弦波滤为较为纯净的正弦波，另 外在放大器中也可根据需要设置一些简单的滤波电路，和直接采用滤波器 的方法相比，这里仅需要滤除很高次的谐波，因此是很容易实现的。最终 达到了性能良好的正弦波成型目的，并且可将信号经过缓冲放大驱动相应 的负载。
综上所述，本发明通过采用将方波信号叠加的方式，直接生成所需正 弦波信号，避免了直接采用较高阶数的高频滤波器，大大的节省了芯片的 面积和功耗，降低了设计复杂度。
1权利要求
1. 一种方波—正弦波信号转换方法，其特征在于，包括N个周期相同、占空比为50％的方波控制信号，N为大于1的整数，所述N个方波控制信号按顺序排列，后一个方波控制信号的相位比其前一个方波控制信号的相位滞后1/2N个周期；由N个方波控制信号分别生成N个方波次级信号，所述N个方波次级信号的振幅总和为a，第n个方波信号的振幅为其中1≤n≤N；将所述N个方波次级信号叠加，得到一个伪正弦波信号，对伪正弦波信号进行滤波得到正弦波信号。
2. 根据权利要求1所述的方波一正弦波信号转换方法，其特征在于， 所述N个方波控制信号由一个方波控制信号生成。
3. —种实现如权利要求1所述的方波一正弦波信号转换方法所采用的 方波一正弦波信号转换电路，其特征在于，包括正弦波成型电路，所述正 弦波成型电路包括按顺序排列的相互并联的N路恒流源电路，N为大于1的 整数，每一路恒流源电路包括串联连接的阳性电路和阴性电路，所述阳性 电路的一端接电源端，阴性电路的一端接地，所述阳性电路包括一个恒流 源和一个开关，所述阴性电路包括一个恒流源和一个开关；所述每一路恒 流源电路中阳性电路和阴性电路的恒流源产生的电流大小相等，方向相同，第n路恒流源电路中的恒流源所产生的电流大小^ = / 其中I为电流基准大小，1《n《N;所述恒流源电路中的开关分别由N个周W —1 w cos-"^r — cos——；r期相同的方波控制信号控制，所述N个方波控制信号按顺序排列，后一个 方波控制信号的相位比其前一个方波控制信号的相位滞后1/2N个周期，当 所述方波控制信号为前半个周期时，该方波控制信号所控制的阳性电路的 开关闭合、阴性电路的开关断开，当所述方波控制信号为后半个周期时， 该方波控制信号所控制的阳性电路的开关断开、阴性电路的开关闭合；所 述N路恒流源电路中阳性电路与阴性电路连接的节点全部相互连接在一起，并作为伪正弦波信号的输出端；所述为正弦波信号的输出端连接有滤波放 大电路，将所述伪正弦波信号处理成正弦波信号。
4. 根据权利要求3所述的方波一正弦波信号转换电路，其特征在于， 所述阳性电路的开关采用PM0S管，阴性电路的开关采用丽0S管，所述方 波控制信号控制PM0S管和NM0S管的栅极。
5. 根据权利要求3所述的方波一正弦波信号转换电路，其特征在于， 所述N为偶数。
6. 根据权利要求3所述的方波一正弦波信号转换电路，其特征在于， 所述N个方波控制信号由环形振荡器产生。
7. 根据权利要求3所述的方波一正弦波信号转换电路，其特征在于， 所述N个方波控制信号由一个方波信号通过延时锁定环产生。
8. 根据权利要求3所述的方波一正弦波信号转换电路，其特征在于， 所述N个方波控制信号由一个方波信号通过计数器电路产生。
全文摘要
本发明公开了一种方波-正弦波信号转换方法，由一个方波信号生成N个周期相同的方波控制信号，所述N个方波控制信号按顺序排列，由N个方波控制信号分别生成N个方波次级信号，所述N个方波次级信号的振幅总和为a，第n个方波信号的振幅为右式，将所述N个方波次级信号叠加，得到一个伪正弦波信号，对伪正弦波信号进行滤波得到正弦波信号。本发明还公开了一种方波-正弦波信号转换电路，通过控制电流的叠加实现上述方法中N个方波次级信号的叠加，得到正弦波信号。本发明避免了直接采用较高阶数的高频滤波器，大大的节省了芯片的面积和功耗，降低了设计复杂度。
文档编号H03B28/00GK101478286SQ20081004315
公开日2009年7月8日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者杜定坤, 春 赵, 魏述然 申请人:锐迪科微电子(上海)有限公司