一种由PWM信号驱动扩展的双IO电路的制作方法

一种由pwm信号驱动扩展的双io电路
技术领域
1.本实用新型涉及电信号处理领域，具体涉及一种由pwm信号驱动扩展的双io电路。


背景技术：

2.pwm是脉冲宽度调制缩写，pwm信号是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形，对模拟信号电平进行数字编码，也就是说通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化。
3.在典型的pwm信号中，基频是固定的，而脉冲宽度是可变的。脉冲宽度（也称为占空比）与原始未调制信号的幅度成正比。例如，如果需要2.5v的模拟输出信号，并且pwm信号具有5v的逻辑高电压和0v的逻辑低电压，则占空比为50%的pwm信号就足够了。50% 的占空比意味着在半个周期内，pwm输出5v，每个周期的平均输出为2.5v。
4.而现有的一个pwm信号一般对应一个io口进行模拟输出，且pwm信号的傅里叶分析显示载波频率处的峰值，高次谐波出现在载波的整数倍处，这些信号给系统增加了不需要的噪声。那么如何实现一个pwm信号扩展出双io口且减少或消除信号噪声是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种由pwm信号驱动扩展的双io电路。
6.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种由pwm信号驱动扩展的双io电路，包括rc滤波子电路、基准电压产生子电路、第一比较开关子电路、第二比较开关子电路和第三比较开关子电路，所述基准电压产生子电路用于产生三个不同的基准电压；所述rc滤波子电路的输入端用于接入pwm信号，所述rc滤波子电路的输出端分别与所述第一比较开关子电路的反相输入端、第二比较开关子电路的同相输入端以及所述第三比较开关子电路的同相输入端连接，所述基准电压产生子电路的三个基准电压输出端分别对应与所述第一比较开关子电路的同相输入端、第二比较开关子电路的反相输入端以及所述第三比较开关子电路的反相输入端连接，所述第一比较开关子电路的输出端与所述第三比较开关子电路的输出端连接并共同作为扩展的一个io口，所述第二比较开关子电路的输出端独立作为扩展的另一个io口。
7.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
8.进一步，所述rc滤波子电路包括第一电容和第三电阻；所述第三电阻的一端为所述rc滤波子电路的输入端并用于接入pwm信号，所述第三电阻的另一端通过所述第一电容接地，所述第三电阻的另一端为所述rc滤波子电路的输出端并分别与所述第一比较开关子电路的反相输入端、第二比较开关子电路的同相输入端以及所述第三比较开关子电路的同相输入端连接。
9.进一步，所述基准电压产生子电路包括第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻，所述第十四电阻的一端连接逻辑电源，所述第十四电阻的另一端用于输出第一
基准电压vref1并与所述第一比较开关子电路的同相输入端连接，所述第十四电阻的另一端还与所述第十五电阻的一端连接，所述第十五电阻的另一端用于输出第二基准电压vref2并与第二比较开关子电路的反相输入端连接，所述第十五电阻的另一端与所述第十六电阻的一端连接，所述第十六电阻的另一端用于输出第三基准电压vref3并与所述第三比较开关子电路的反相输入端连接，所述第十六电阻的另一端还通过所述第十七电阻接地。
10.进一步，所述第一比较开关子电路包括第一电阻、第二电阻、第四电阻、第五电阻、第一比较器和第一三极管；所述第四电阻的一端为所述第一比较开关子电路反相输入端并连接在所述rc滤波子电路的输出端上，所述第四电阻的另一端连接在所述第一比较器的反相输入端上，所述第一比较器的同相输入端为所述第一比较开关子电路的同相输入端并接入所述第一基准电压vref1，所述第一比较器的正电源电压端接入逻辑电源，所述第一比较器的负电源电压端接地，所述第一比较器的输出端通过所述第二电阻接入逻辑电源，所述第一比较器的输出端还通过所述第五电阻连接在所述第一三极管的基极上，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管的集电极通过所述第一电阻接入逻辑电源，所述第一三极管的集电极为所述第一比较开关子电路输出端。
11.进一步，所述第二比较开关子电路包括第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二比较器和第二三极管；所述第九电阻的一端为所述第二比较开关子电路同相输入端并连接在所述rc滤波子电路的输出端上，所述第九电阻的另一端连接在所述第二比较器的同相输入端上，所述第二比较器的反相输入端为所述第二比较开关子电路的反相输入端并接入所述第二基准电压vref2，所述第二比较器的正电源电压端接入逻辑电源，所述第二比较器的负电源电压端接地，所述第二比较器的输出端通过所述第七电阻接入逻辑电源，所述第二比较器的输出端还通过所述第八电阻连接在所述第二三极管的基极上，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极通过所述第六电阻接入逻辑电源，所述第二三极管的集电极为所述第二比较开关子电路输出端。
12.进一步，所述第三比较开关子电路包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第三比较器和第三三极管；所述第十三电阻的一端为所述第三比较开关子电路同相输入端并连接在所述rc滤波子电路的输出端上，所述第十三电阻的另一端连接在所述第三比较器的同相输入端上，所述第三比较器的反相输入端为所述第三比较开关子电路的反相输入端并接入所述第三基准电压vref3，所述第三比较器的正电源电压端接入逻辑电源，所述第三比较器的负电源电压端接地，所述第三比较器的输出端通过所述第十一电阻接入逻辑电源，所述第三比较器的输出端还通过所述第十二电阻连接在所述第三三极管的基极上，所述第三三极管的发射极接地，所述第三三极管的集电极通过所述第十电阻接入逻辑电源，所述第三三极管的集电极为所述第三比较开关子电路输出端。
13.本实用新型的有益效果是：在本实用新型一种由pwm信号驱动扩展的双io电路中，pwm信号通过简单的rc滤波子电路进行低通滤波后可以减少或消除信号噪声，去噪后的pwm信号分别与三个基准电压在三个比较开关子电路的对比下输出，其中两个比较开关子电路的输出连接在一起共同作为一个扩展的io口，剩余一个比较开关子电路的输出单独作为另一个扩展的io口，这样就实现了一个pwm信号扩展出双io口且减少或消除信号噪声的目的。
附图说明
14.图1为本实用新型一种由pwm信号驱动扩展的双io电路的结构框图；
15.图2为本实用新型一种由pwm信号驱动扩展的双io电路的原理图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
17.如图1所示，一种由pwm信号驱动扩展的双io电路，包括rc滤波子电路、基准电压产生子电路、第一比较开关子电路、第二比较开关子电路和第三比较开关子电路，所述基准电压产生子电路用于产生三个不同的基准电压；所述rc滤波子电路的输入端用于接入pwm信号，所述rc滤波子电路的输出端分别与所述第一比较开关子电路的反相输入端、第二比较开关子电路的同相输入端以及所述第三比较开关子电路的同相输入端连接，所述基准电压产生子电路的三个基准电压输出端分别对应与所述第一比较开关子电路的同相输入端、第二比较开关子电路的反相输入端以及所述第三比较开关子电路的反相输入端连接，所述第一比较开关子电路的输出端与所述第三比较开关子电路的输出端连接并共同作为扩展的一个io口，所述第二比较开关子电路的输出端独立作为扩展的另一个io口；其中，图1中的io1为所述第一比较开关子电路的输出端与所述第三比较开关子电路的输出端连接并共同作为扩展的io口；io2为所述第二比较开关子电路的输出端独立作为扩展的io口。
18.在本实用新型一种由pwm信号驱动扩展的双io电路中，pwm信号通过简单的rc滤波子电路进行低通滤波后可以减少或消除信号噪声，去噪后的pwm信号分别与三个基准电压在三个比较开关子电路的对比下输出，其中两个比较开关子电路的输出连接在一起共同作为一个扩展的io口，剩余一个比较开关子电路的输出单独作为另一个扩展的io口，这样就实现了一个pwm信号扩展出双io口且减少或消除信号噪声的目的。
19.在本具体实施例中，如图2所示：
20.所述rc滤波子电路包括第一电容c1和第三电阻r3；所述第三电阻r3的一端为所述rc滤波子电路的输入端并用于接入pwm信号，所述第三电阻r3的另一端通过所述第一电容c1接地，所述第三电阻r3的另一端为所述rc滤波子电路的输出端并分别与所述第一比较开关子电路的反相输入端、第二比较开关子电路的同相输入端以及所述第三比较开关子电路的同相输入端连接。
21.所述基准电压产生子电路包括第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16和第十七电阻r17，所述第十四电阻r14的一端连接逻辑电源vcc，所述第十四电阻r14的另一端用于输出第一基准电压vref1并与所述第一比较开关子电路的同相输入端连接，所述第十四电阻r14的另一端还与所述第十五电阻r15的一端连接，所述第十五电阻r15的另一端用于输出第二基准电压vref2并与第二比较开关子电路的反相输入端连接，所述第十五电阻r15的另一端与所述第十六电阻r16的一端连接，所述第十六电阻r16的另一端用于输出第三基准电压vref3并与所述第三比较开关子电路的反相输入端连接，所述第十六电阻r16的另一端还通过所述第十七电阻r17接地。
22.在本具体实施例中，所述第十四电阻r14、所述第十五电阻r15、所述第十六电阻r16和所述第十七电阻r17的阻值均为10kω。
23.所述第一比较开关子电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第四电阻r4、第五电阻r5、第一比较器u1c和第一三极管q1；所述第四电阻r4的一端为所述第一比较开关子电路反相输入端并连接在所述rc滤波子电路的输出端上，所述第四电阻r4的另一端连接在所述第一比较器u1c的反相输入端上，所述第一比较器u1c的同相输入端为所述第一比较开关子电路的同相输入端并接入所述第一基准电压vref1，所述第一比较器u1c的正电源电压端接入逻辑电源vcc，所述第一比较器u1c的负电源电压端接地，所述第一比较器u1c的输出端通过所述第二电阻r2接入逻辑电源vcc，所述第一比较器u1c的输出端还通过所述第五电阻r5连接在所述第一三极管q1的基极上，所述第一三极管q1的发射极接地，所述第一三极管q1的集电极通过所述第一电阻r1接入逻辑电源vcc，所述第一三极管q1的集电极为所述第一比较开关子电路输出端。
24.所述第二比较开关子电路包括第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第二比较器u1a和第二三极管q2；所述第九电阻r9的一端为所述第二比较开关子电路同相输入端并连接在所述rc滤波子电路的输出端上，所述第九电阻r9的另一端连接在所述第二比较器u1a的同相输入端上，所述第二比较器u1a的反相输入端为所述第二比较开关子电路的反相输入端并接入所述第二基准电压vref2，所述第二比较器u1a的正电源电压端接入逻辑电源vcc，所述第二比较器u1a的负电源电压端接地，所述第二比较器u1a的输出端通过所述第七电阻r7接入逻辑电源vcc，所述第二比较器u1a的输出端还通过所述第八电阻r8连接在所述第二三极管q2的基极上，所述第二三极管q2的发射极接地，所述第二三极管q2的集电极通过所述第六电阻r6接入逻辑电源vcc，所述第二三极管q2的集电极为所述第二比较开关子电路输出端。
25.所述第三比较开关子电路包括第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第三比较器u1b和第三三极管q3；所述第十三电阻r13的一端为所述第三比较开关子电路同相输入端并连接在所述rc滤波子电路的输出端上，所述第十三电阻r13的另一端连接在所述第三比较器u1b的同相输入端上，所述第三比较器u1b的反相输入端为所述第三比较开关子电路的反相输入端并接入所述第三基准电压vref3，所述第三比较器u1b的正电源电压端接入逻辑电源vcc，所述第三比较器u1b的负电源电压端接地，所述第三比较器u1b的输出端通过所述第十一电阻r11接入逻辑电源vcc，所述第三比较器u1b的输出端还通过所述第十二电阻r12连接在所述第三三极管q3的基极上，所述第三三极管q3的发射极接地，所述第三三极管q3的集电极通过所述第十电阻r10接入逻辑电源vcc，所述第三三极管q3的集电极为所述第三比较开关子电路输出端。
26.在本具体实施例中，第一比较器u1c、第二比较器u1a和第三比较器u1b的型号均为lmv339mtx。
27.在本具体实施例中，由基准电压产生子电路的结构特点可知，vref1＞vref2＞vref3，设pwm信号占空比转换出来的第一电容c1上端的电压为vin，则：
28.（1）当vin》vref1时，io1=0，io2=1;
29.（2）当vref1》vin》vref2时，io1=1，io2=1;
30.（3）当vref2》vin》vref3时，io1=1，io2=0;
31.（4）当vref3》vin时，io1=0，io2=0。
32.另外，在本实用新型中，所需信号的带宽应小于或等于 pwm频率，如果所需信号的
带宽等于pwm频率，则可以使用砖墙式滤波器。砖墙式滤波器的衰减可以立即从几乎无衰减过渡到完全衰减，但它是一种非常昂贵且制作复杂的滤波器。如果需要这种精度，则使用外部 dac 可能比构建昂贵的滤波器更便宜。出于实际目的，本实用新型使用rc低通滤波器（rc滤波子电路），如果使用简单的 rc低通滤波器，则所需信号的带宽必须小于 pwm频率。
33.rc低通滤波器中需要选择电阻值和电容值，即需要确定rc滤波子电路中第一电容c1的容值以及第三电阻r3的阻值。
34.第一电容c1的容值以及第三电阻r3的阻值根据截止频率计算，其计算公式为：
[0035][0036]
其中，r代表第三电阻r3的阻值，c代表第一电容c1的容值， fc代表截止频率，例如截止频率fc为5khz。
[0037]
知道了第三电阻r3的阻值与第一电容c1的容值电的乘积，接着阻值可以是根据固定电容值计算得出的，如下表所示：
[0038][0039]
其中，当截止频率为fc为5khz时，第三电阻r3的阻值与第一电容c1的容值电的乘积rc=1/（10π）=0.03185
×
10-3
，当第一电容c1的容值选取为1pf时，第三电阻r3的阻值的计算值为31.85 mω，由于市场上并没有该阻值对应的电阻，因此可以选择相对31.85 mω最接近且可在市场上获取的33 mω的电阻；同理，当第一电容c1的容值选取为1pf时，第三电阻r3的阻值的计算值为3.185 kω，此时可以选择相对3.185 kω最接近且可在市场上获取的3.3 kω的电阻；同理，当第一电容c1的容值选取为0.022μf时，第三电阻r3的阻值的计算值为1.44 kω，此时可以选择相对1.44kω最接近且可在市场上获取的1.5 kω的电阻。
[0040]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。