專利名稱：邏輯混頻電路及邏輯混頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理領(lǐng)域，尤其涉及測量領(lǐng)域中將高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻輸出的混頻電路及對應(yīng)的混頻方法。
背景技術(shù)：
在信號處理中，常常需要對兩個或多個信號進行混頻操作，從而得到所需求的信號。許多測量領(lǐng)域中，是由傳感器將被測量量轉(zhuǎn)化為測量頻率信號，再根據(jù)測量頻率信號與被測量量之間特定的關(guān)系，獲取被測量量的數(shù)據(jù)。在某些領(lǐng)域，為得到較高的測量分辨率，通常要求傳感器具有較高的基頻，然而，高頻信號對測量系統(tǒng)中的計數(shù)電路器件(用于獲取測量頻率信號的頻率)的要求較高，對線路構(gòu)成、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笠草^高。所以，針對某些對傳感器分辨率、系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性有較高要求的測量系統(tǒng)，現(xiàn)有技術(shù)是將測量所得的測量頻率信號與一基準頻率信號先進行混頻，從而得到低頻信號，然后，根據(jù)該低頻信號與被測量量的特定關(guān)系，而獲取被測量量的數(shù)據(jù)。
混頻操作是由混頻電路完成的，如圖3所示為一種現(xiàn)有的混頻電路的原理框圖。該混頻電路包括基準頻率信號產(chǎn)生電路、測量頻率信號產(chǎn)生電路、混頻器、濾波電路及信號驅(qū)動電路，基準頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接混頻器的輸入端，測量頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接混頻器的輸入端，混頻器的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接信號驅(qū)動電路的輸入端。所述混頻器為模擬乘法器等混頻電路，該混頻電路需要的信號源一般為沒有直流分量的正弦波信號，對于系統(tǒng)采用單一供電方式的條件下，必須將信號隔直后再送入混頻電路內(nèi)。在此條件下，常規(guī)的混頻電路還必須考慮系統(tǒng)的正負電源供電以保證系統(tǒng)的正常工作，在多種電源供電條件下，系統(tǒng)的功耗也將相應(yīng)增加。
因此，現(xiàn)有的混頻技術(shù)存在線路復(fù)雜，功耗大及噪聲大的缺點，并不能很好地滿足測量系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定性及低功耗的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種邏輯混頻電路及邏輯混頻方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的邏輯混頻電路包括基準頻率信號產(chǎn)生電路、測量頻率信號產(chǎn)生電路、混頻器件、濾波電路及信號驅(qū)動電路，基準頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接混頻器件的輸入端，測量頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接混頻器件的輸入端，混頻器件的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接信號驅(qū)動電路的輸入端，其特征在于所述基準頻率信號產(chǎn)生電路及測量頻率信號產(chǎn)生電路均為方波產(chǎn)生電路，所述混頻器件為邏輯混頻器件，濾波電路為低通濾波電路。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的邏輯混頻方法包括(1)由基準頻率信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生基準頻率信號，由測量頻率信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生測量頻率信號，基準頻率信號和測量頻率信號均為方波信號；(2)將基準頻率信號和測量頻率信號輸入邏輯混頻器件，進行混頻；(3)將混頻后輸出的信號經(jīng)過低通濾波器濾波，輸出濾波信號；(4)濾波信號經(jīng)過信號驅(qū)動電路整流后輸出。
本發(fā)明提供的邏輯混頻電路線路簡潔，實現(xiàn)簡單，由于系統(tǒng)前、后級均不需要考慮信號調(diào)理及放大和模擬乘法器或二極管的非線性特性實現(xiàn)模擬信號混頻，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)點減少，相應(yīng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性大大提高；另外，系統(tǒng)可以采用單一電源供電，不需要提供正負電源以用于模擬混頻，在此條件下，系統(tǒng)功耗將大大降低，傳感器的功耗大幅下降對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性提高將具備重大意義；而且，邏輯混頻電路實際上采用的是高速開關(guān)信號邏輯運算混頻，系統(tǒng)內(nèi)不存在非線性和脈動干擾，因此，系統(tǒng)抗干擾能力、對于器件非線性特性的要求，穩(wěn)定性將得到提高。本發(fā)明提供的邏輯混頻方法中，輸入信號應(yīng)當(dāng)為方波信號，通過邏輯混頻器件對輸入的方波信號做乘法運算，并經(jīng)過濾波得到輸出信號，使得輸出信號的頻率為輸入信號頻率的差，實現(xiàn)將高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號的混頻目的。


圖1為本發(fā)明邏輯混頻電路的原理框圖；圖2為本發(fā)明邏輯混頻電路在溫度測量領(lǐng)域中使用的原理框圖；圖3為現(xiàn)有混頻電路的原理框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明提供的邏輯混頻電路包括基準頻率信號產(chǎn)生電路、測量頻率信號產(chǎn)生電路、邏輯混頻器件、濾波電路及信號驅(qū)動電路。基準頻率信號產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生基準頻率信號A，基準頻率信號產(chǎn)生電路為方波產(chǎn)生電路，產(chǎn)生的基準頻率信號A為方波信號，基準頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接邏輯混頻器件的一輸入端。測量頻率信號產(chǎn)生電路根據(jù)被測量量而產(chǎn)生測量頻率信號B，測量頻率信號產(chǎn)生電路為方波產(chǎn)生電路，產(chǎn)生的測量頻率信號B為方波信號，測量頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接邏輯混頻器件的另一輸入端。邏輯混頻器件的輸出端連接低通濾波電路的輸入端，低通濾波電路的輸出端連接信號驅(qū)動電路的輸入端。本實施例中，邏輯混頻器件為異或門電路，容易理解的是，邏輯混頻器件也可以使用異或非門電路。
數(shù)字電路中，邏輯異或門輸出輸入關(guān)系為Y＝AB(yǎng)＝AB+AB，其真值表如表1。

表1而對于乘法而言，運算表達式Y(jié)＝-A×B存在表2所示的關(guān)系

表2從而可以看出，當(dāng)把邏輯信號0當(dāng)作模擬信號-1，邏輯信號1當(dāng)作模擬信號1時，邏輯異或門的運算與運算表達式Y(jié)＝-A×B的運算完全相當(dāng)，即可以將邏輯異或門的運算看作在特定條件下的模擬乘法運算。
其中，邏輯混頻器件的輸入信號的最高頻率不能高于邏輯器件的上升沿時間和下降沿時間之和，例如，對于HCMOS器件，其上升沿時間在8ns，則對應(yīng)輸入信號的最高頻率一般在50MHz以內(nèi)。
假設(shè)f(ω·t)為標(biāo)準方波的泰勒展開式，則標(biāo)準方波、信號A、信號B的泰勒展開表達式f((ω+dω1)t)和f((ω+dω2)t)分別為f(ω·t)=Σn=1∞(-1)n-1(4(2n-1)πcos(2n-1)(ω·t))]]>f((ω+dω1)t)=Σn=1∞(-1)n-1(4(2n-1)πcos(2n-1)(ω+dω1))]]>f((ω+dω2)t)=Σn=1∞(-1)n-1(4(2n-1)πcos(2n-1)(ω+dω2)t)]]>用邏輯異或電路搭建的混頻電路，相當(dāng)于將兩個方波相乘。按照邏輯異或門等效于乘法運算Y＝AB(yǎng)＝-A×B其輸出為Y=f((ω+dω1)t)·f((ω+dω2)t)]]>=[Σn=1∞(-1)n-1(4(2n-1)πcos(2n-1)(ω+dω1)t]·[Σn=1∞(-1)n-1(4(2n-1)πcos(2n-1)(ω+dω2)t]]]>上述兩式相乘的結(jié)果為Y＝h(dω1，dω2，t)+H(ω，dω1，dω2，t)信號Y式中h(dω1，dω2，t)為不包含高頻分量ω的函數(shù)部分，而H(ω，dω1，dω2，t)為包含高頻分量ω的函數(shù)部分，其中h(dω1,dω2,t)=Σn=1∞8(2n-1)2π2cos(2n-1)(dω1-dω2)t]]>=Σn=1∞8(2n-1)2·π2cos(2n-1)dω0t,]]>而H(ω，dω1，dω2，t)的表達式相當(dāng)復(fù)雜，因此不羅列。但可以確認所有的H(ω，dω1，dω2，t)其在頻域上所有組成頻點均大于高頻分量ω。Σn=1∞8(2n-1)2π2cos(2n-1)(dω0t)]]>為標(biāo)準三角波的泰勒展開式。當(dāng)用截止頻率小于ω的低通濾波器即可從乘積中濾出頻率為dω0的三角波。該三角波的頻率等于信號A的頻率與信號B的頻率之差。由于dω0＜＜ω，因此該低通濾波器極容易設(shè)計(標(biāo)準二階濾波器即可)，而且可以獲得極佳的濾波性能(阻帶衰減＞60dB以上)。同時，由于輸出標(biāo)準三角波沒有任何增益衰減(0dB)，即輸出與輸入信號的峰峰值比為1∶1，因此在系統(tǒng)后級只需要考慮整形電路，而不須考慮信號增益放大。整形電路將三角波轉(zhuǎn)化為方波輸出。
圖2為本發(fā)明在溫度測量領(lǐng)域中使用的實例的示意圖。圖中，測溫晶振方波振蕩電路用于感測被測量環(huán)境的溫度，并產(chǎn)生頻率為f0+Δf(f0為測溫晶振的基頻，Δf為溫度變化相對應(yīng)的頻率變化量)的測量頻率信號，基準晶振方波振蕩電路用于產(chǎn)生頻率恒定為f0的基準頻率信號。產(chǎn)生的測量頻率信號和基準頻率信號均以方波輸入異或門電路，異或門電路執(zhí)行混頻(即對兩信號執(zhí)行乘法運算)，之后將輸出信號輸入低通濾波電路，經(jīng)低通濾波后輸出的信號為頻率為Δf的三角波，該三角波在經(jīng)整流后，便輸出頻率為Δf的方波。通過測量Δf，并根據(jù)Δf與溫度的關(guān)系曲線，即可獲取溫度的數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種邏輯混頻電路，包括基準頻率信號產(chǎn)生電路、測量頻率信號產(chǎn)生電路、混頻器件、濾波電路及信號驅(qū)動電路，基準頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接混頻器件的輸入端，測量頻率信號產(chǎn)生電路的輸出端連接混頻器件的輸入端，混頻器件的輸出端連接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端連接信號驅(qū)動電路的輸入端，其特征在于所述基準頻率信號產(chǎn)生電路及測量頻率信號產(chǎn)生電路均為方波產(chǎn)生電路，所述混頻器件為邏輯混頻器件，濾波電路為低通濾波電路。
2.如權(quán)利要求1所述的邏輯混頻電路，其特征在于所述邏輯混頻器件為異或門電路。
3.如權(quán)利要求1所述的邏輯混頻電路，其特征在于所述邏輯混頻器件為異或非門電路。
4.如權(quán)利要求2或3所述的邏輯混頻電路，其特征在于所述邏輯混頻器件的輸入信號的最高頻率不能高于邏輯器件的上升沿時間和下降沿時間之和。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的邏輯混頻電路，其特征在于所述基準頻率信號產(chǎn)生電路為基準晶振方波振蕩電路，所述測量頻率信號產(chǎn)生電路為測溫晶振方波振蕩電路。
6.一種邏輯混頻方法，其特征在于包括如下步驟(1)由基準頻率信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生基準頻率信號，由測量頻率信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生測量頻率信號，基準頻率信號和測量頻率信號均為方波信號；(2)將基準頻率信號和測量頻率信號輸入邏輯混頻器件，進行混頻；(3)將混頻后輸出的信號經(jīng)過低通濾波器濾波，輸出濾波信號；(4)濾波信號經(jīng)過信號驅(qū)動電路整流后輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的邏輯混頻方法，其特征在于所述邏輯混頻器件為異或門電路。
8.如權(quán)利要求6所述的邏輯混頻方法，其特征在于所述邏輯混頻器件為為異或非門電路。
9.如權(quán)利要求7或8所述的邏輯混頻方法，其特征在于所述邏輯混頻器件的輸入信號的最高頻率不能高于邏輯器件的上升沿時間和下降沿時間之和。
10.如權(quán)利要求6、7或8所述的邏輯混頻方法，其特征在于所述基準頻率信號由基準晶振方波振蕩電路產(chǎn)生，所述測量頻率信號由測溫晶振方波振蕩電路產(chǎn)生。
全文摘要
本發(fā)明涉及混頻技術(shù)，尤其涉及測量領(lǐng)域中的混頻電路及混頻方法，本發(fā)明提供的邏輯混頻電路的混頻輸入為方波信號，通過邏輯器件對輸入信號進行混頻，對輸入的方波作乘法運算，并經(jīng)過低通濾波，使得輸出信號的頻率為輸入信號頻率的差值，實現(xiàn)將高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號的混頻目的。本發(fā)明線路簡潔，容易實現(xiàn)，相應(yīng)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性大大提高；另外，系統(tǒng)可以采用單一電源供電，不需要提供正負電源以用于模擬混頻，在此條件下，系統(tǒng)功耗將大大降低；而且，邏輯混頻電路實際上采用的是高速開關(guān)信號邏輯運算混頻，系統(tǒng)內(nèi)不存在非線性和脈動干擾，因此，系統(tǒng)抗干擾能力、對于器件非線性特性的要求，穩(wěn)定性將得到提高。
文檔編號H03D7/00GK1929294SQ20061012228
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者羅新恒, 張哲 申請人:珠海市泰德企業(yè)有限公司