專利名稱：欠采樣混頻電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及信號混頻技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用欠采樣的原理將高頻信號混頻 到低頻信號的混頻電路。
背景技術(shù)：
在高頻測試電路中，從信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻信號加載到待測元件上之后產(chǎn)生的 測試信號仍然為高頻信號，對這些高頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理的時候，往往因?yàn)椴蓸有酒?樣頻率較低無法滿足要求，而導(dǎo)致無法對待測元件進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測，如果選擇采樣頻率高 的采樣芯片，成本會很高，而且需要配置相應(yīng)的高性能的處理芯片，最終導(dǎo)致成本極高或者 是根本無法實(shí)現(xiàn)對待測元件的檢測。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對背景技術(shù)中所述的現(xiàn)有的高頻測試電路中現(xiàn)有的采 樣芯片的采樣頻率較低，無法滿足高頻測試電路的需要的問題，提供一種欠采樣混頻電路。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種欠采樣混頻電路，其特征在于其包括采樣控制信號發(fā)生器、第一級欠采樣 電路、第二級欠采樣電路以及帶通濾波器，采樣控制信號發(fā)生器的第一輸出端連接第一級 欠采樣電路的控制信號輸入端，采樣控制信號發(fā)生器的第二輸出端連接第二級欠采樣電路 的控制信號輸入端，第一級欠采樣電路的信號輸出端與第二級欠采樣電路的信號輸入端連 接，第二級欠采樣電路的信號輸出端連接帶通濾波器。所述的采樣控制信號發(fā)生器包括采樣頻率輸入端、D觸發(fā)器、或門以及非門，所述 的采樣頻率輸入端與D觸發(fā)器的CLK端、第一或門和第二或門的輸入端連接，D觸發(fā)器的輸 出端Q端連接第一或門的輸入端^端連接第二或門的輸入端以及D觸發(fā)器的D端，D觸發(fā) 器的CLR端和ra端連接電源，第一或門的輸出端連接第一非門，第二或門的輸出端連接第 二非門，第一或門的輸出端為第二級采樣電路的正控制信號輸入端，第一非門的輸出端為 第二級采樣電路的負(fù)控制信號的輸入端，第二或門的輸出端為第一級采樣電路的正控制信 號輸入端，第二非門的輸出端為第一級采樣電路的負(fù)控制信號的輸入端。所述的第一級采樣電路的正控制信號輸入端與第一場效應(yīng)管、第三場效應(yīng)管以及 第四場效應(yīng)管的柵極連接，第一場效應(yīng)管的源極連接待采樣信號，第一場效應(yīng)管的漏極連 接第一運(yùn)放的正輸入端和第一電阻，第一電阻另一端接地，第一運(yùn)放的輸出端通過第二電 阻連接第一運(yùn)放的負(fù)輸入端，第一運(yùn)放輸出端通過第三電阻連接第二場效應(yīng)管的漏極，第 二場效應(yīng)管的柵極連接第一級采樣電路的負(fù)控制信號輸入端，第二場效應(yīng)管的源極接地， 第三電阻與第三場效應(yīng)管的源極連接，第三場效應(yīng)管的漏極連接第二運(yùn)放的負(fù)輸入端，第 四場效應(yīng)管的漏極接地，第四場效應(yīng)管的源極連接第二運(yùn)放的正輸入端，第二運(yùn)放的輸出 端為第一級欠采樣電路的信號輸出端，第四場效應(yīng)管的源極和漏極之間連接有第一電容， 第二運(yùn)放的負(fù)輸入端與輸出端之間連接有第二電容，第二運(yùn)放的輸出端通過第四電阻與第二場效應(yīng)管的漏極連接。所述第一級欠采樣電路的信號輸出端為第二級欠采樣電路的信號輸入端，第二極 采樣電路的信號輸入端連接第五場效應(yīng)管的源極，第二極采樣電路的正控制信號輸入端連 接第五場效應(yīng)管、第七場效應(yīng)管以及第八場效應(yīng)管的柵極，第五場效應(yīng)管的漏極通過第五 電阻連接第六場效應(yīng)管的漏極，第六場效應(yīng)管的柵極連接第二極采樣電路的負(fù)控制信號輸 入端，第六場效應(yīng)管的源極接地，第六場效應(yīng)管的漏極連接第七場效應(yīng)管的源極，第七場效 應(yīng)管的源極與第三運(yùn)放的負(fù)輸入端連接，第八場效應(yīng)管的源極連接第三運(yùn)放的正輸入端， 第八場效應(yīng)管的漏極接地，第八場效應(yīng)管的源極與漏極之間連接有第三電容，第三運(yùn)放的 輸出端通過第三電容連接第三運(yùn)放的負(fù)輸入端，第三運(yùn)放的輸出端通過第六電阻連接第六 場效應(yīng)管的漏極，第三運(yùn)放的輸出端為第二級欠采樣電路的信號輸出端。本實(shí)用新型與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有的有益效果在于因?yàn)楸緦?shí)用新型的欠采樣混 頻電路中設(shè)置有采樣控制信號發(fā)生器、第一級欠采樣電路、第二極欠采樣電路以及帶通濾 波器，根據(jù)奈奎斯特定理時間連續(xù)信號轉(zhuǎn)換成離散信號時，在一個周期內(nèi)的采樣次數(shù)要 多于兩次，如果采樣次數(shù)不夠，將無法恢復(fù)丟失的信號。欠采樣后的波形頻率會發(fā)生變化， 但是，如果對電流和電壓兩信號同步采樣的話，生成的兩個波形的相對幅度和相位不變，因 此，通過欠采樣獲得的波形仍然能夠保證元件測試所需的參量不變，進(jìn)而保證元件檢測的 精確性。第一級欠采樣電路的采樣控制信號fsl為高電平、nfsl為低電平時，第一場效應(yīng) 管、第三場效應(yīng)管、第四場效應(yīng)管導(dǎo)通，第二場效應(yīng)管截止，第一運(yùn)放完成跟隨功能，第二運(yùn) 放完成反向功能，整個第一級欠采樣電路可以一比一反向跟隨輸入信號的變化，當(dāng)采樣控 制信號fsl為低電平、nfsl為高電平時，第一場效應(yīng)管、第三場效應(yīng)管、第四場效應(yīng)管截止， 第二場效應(yīng)管導(dǎo)通，第二運(yùn)放完成保持功能，整個第一級欠采樣電路進(jìn)入保持狀態(tài)。因?yàn)?第一級采樣電路的采樣的孔徑時間很長，導(dǎo)致采樣到的波形里面采樣階段有很多原來的信 號波形，因此需要通過第二級采樣電路把這部分波形去掉，第二級欠采樣電路的采樣控制 信號fs2為高電平、nfs2為低電平時，第五場效應(yīng)管、第七場效應(yīng)管和第八場效應(yīng)管導(dǎo)通， 第六場效應(yīng)管截止，第三運(yùn)放完成反向一比一放大的作用，當(dāng)采樣控制信號fs2為低電平、 nfs2為高電平時，第五場效應(yīng)管、第七場效應(yīng)管和第八場效應(yīng)管截止，第六場效應(yīng)管導(dǎo)通， 第三運(yùn)放完成保持功能。第二級欠采樣電路與第一級欠采樣電路的采樣控制信號不同，因 此在第一欠采樣電路保持的地方第二級欠采樣電路進(jìn)行采樣，因?yàn)榈谝患壡凡蓸与娐繁３?的時候波形時相對平穩(wěn)的，因此第二極欠采樣電路采樣時的波形也是平穩(wěn)的，最終第二欠 采樣電路的輸出波形也是相對平穩(wěn)的。第二欠采樣電路的輸出波形經(jīng)過帶通濾波器使輸出 波形變?yōu)槠交恼也?，該正弦波的頻率與輸入信號相比發(fā)生了改變，實(shí)現(xiàn)了高頻信號向 低頻信號的轉(zhuǎn)變，輸出波形的頻率能夠滿足通用的采樣芯片的采樣頻率的要求，極大的節(jié) 省了檢測系統(tǒng)的制造成本，而且保證了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖1為本實(shí)用新型的方框原理示意圖；圖2為本實(shí)用新型的采樣控制信號發(fā)生器的電路原理圖；圖3為本實(shí)用新型的欠采樣電路的電路原理圖；圖4為本實(shí)用新型的采樣控制信號的波形示意圖；[0014]圖5為經(jīng)過第一級欠采樣電路后的信號示意圖；圖6為經(jīng)過第二級采樣電路后的信號示意圖；圖7為帶通濾波器電路示意圖；圖8為經(jīng)過帶通濾波器后的信號示意圖；圖9為混頻后的信號與輸入信號的對比示意圖；圖10為應(yīng)用本實(shí)用新型進(jìn)行元件檢測的檢測系統(tǒng)的電路原理具體實(shí)施方式
參照附圖1至附圖9所示的一種欠采樣混頻電路，其包括采樣控制信號發(fā)生器、 第一級欠采樣電路、第二極欠采樣電路以及帶通濾波器，采樣控制信號發(fā)生器包括采樣頻 率輸入端、D觸發(fā)器、或門以及非門，所述的采樣頻率輸入端與D觸發(fā)器的CLK端、第一或門 UlA和第二或門UlB的輸入端連接，D觸發(fā)器的輸出端Q端連接第一或門UlA的輸入端，巧端 連接第二或門UlB的輸入端以及D觸發(fā)器的D端，D觸發(fā)器的CLR端和I3R端連接電源，第一 或門UlA的輸出端連接第一非門U2A，第二或門UlB的輸出端連接第二非門，第一或門UlA 的輸出端為第二級采樣電路的正控制信號輸入端fs2，第一非門U2A的輸出端為第二級采 樣電路的負(fù)控制信號的輸入端nfs2，第二或門UlB的輸出端為第一級采樣電路的正控制信 號輸入端fsl，第二非門U2B的輸出端為第一級采樣電路的負(fù)控制信號的輸入端nfsl。所 述的第一級采樣電路的正控制信號輸入端fsl與第一場效應(yīng)管Q3、第三場效應(yīng)管Ql以及第 四場效應(yīng)管Q7的柵極連接，第一場效應(yīng)管Q3的源極連接待采樣信號，第一場效應(yīng)管Q3的 漏極連接第一運(yùn)放U4A的正輸入端和第一電阻R6，第一電阻R6另一端接地，第一運(yùn)放U4A 的輸出端通過第二電阻R2連接第一運(yùn)放U4A的負(fù)輸入端，第一運(yùn)放U4A輸出端通過第三電 阻R4連接第二場效應(yīng)管Q5的漏極，第二場效應(yīng)管Q5的柵極連接第一級欠采樣電路的負(fù)控 制信號輸入端，第二場效應(yīng)管Q5的源極接地，第三電阻R4與第三場效應(yīng)管Ql的源極連接， 第三場效應(yīng)管Ql的漏極連接第二運(yùn)放U4B的負(fù)輸入端，第四場效應(yīng)管Q7的漏極接地，第四 場效應(yīng)管Q7的源極連接第二運(yùn)放U4B的正輸入端，第二運(yùn)放U4B的輸出端為第一級欠采樣 電路的信號輸出端vsmp，第四場效應(yīng)管Q7的源極和漏極之間連接有第一電容C3，第二運(yùn)放 U4B的負(fù)輸入端與輸出端之間連接有第二電容Cl，第二運(yùn)放U4B的輸出端通過第四電阻Rl 與第二場效應(yīng)管Q5的漏極連接。所述第一級欠采樣電路的信號輸出端Vsmp為第二級欠采 樣電路的信號輸入端，第二極采樣電路的信號輸入端連接第五場效應(yīng)管Q4的源極，第二極 采樣電路的正控制信號輸入端連接第五場效應(yīng)管Q4、第七場效應(yīng)管Q2以及第八場效應(yīng)管 Q8的柵極，第五場效應(yīng)管Q4的漏極通過第五電阻連接第六場效應(yīng)管Q6的漏極，第六場效應(yīng) 管Q6的柵極連接第二極采樣電路的負(fù)控制信號輸入端，第六場效應(yīng)管Q6的源極接地，第六 場效應(yīng)管Q6的漏極連接第七場效應(yīng)管Q2的源極，第七場效應(yīng)管Q2的源極與第三運(yùn)放U5A 的負(fù)輸入端連接，第八場效應(yīng)管Q8的源極連接第三運(yùn)放TOA的正輸入端，第八場效應(yīng)管Q8 的漏極接地，第八場效應(yīng)管Q8的源極與漏極之間連接有第三電容C4，第三運(yùn)放TOA的輸出 端通過第三電容C4連接第三運(yùn)放U5A的負(fù)輸入端，第三運(yùn)放U5A的輸出端通過第六電阻R3 連接第六場效應(yīng)管Q6的漏極，第三運(yùn)放TOA的輸出端為第二級欠采樣電路的信號輸出端 vsmp2。第二級欠采樣電路的信號輸出端vsmp2連接帶通濾波器的輸入端。所述的運(yùn)放為 AD826雙路、高速電壓反饋型運(yùn)算放大器，特別適合要求單位增益穩(wěn)定性和高輸出驅(qū)動能力的應(yīng)用，如緩沖和電纜驅(qū)動等。欠采樣控制信號發(fā)生器的采樣頻率輸入端將方波加載到D 觸發(fā)器的CLK端以及第一或門UlA和第二或門UlB的輸入端，D觸發(fā)器的D端與D觸發(fā)器 的豆端連接，Q端與第一或門UlA的輸入端連接4端與第二或門UlB的輸入端連接，第一或 門UlA的輸出端輸出第二級采樣電路的正控制信號fs2，第二或門UlB的輸出端輸出第一 級采樣電路的正控制信號fsl，fsl經(jīng)過第二非門U2B后輸出為第一級采樣電路的負(fù)控制 信號nfsl，fs2經(jīng)過第一非門U2A后輸出為第二級采樣電路的負(fù)控制信號nfs2，根據(jù)D觸 發(fā)器的特性，當(dāng)CLK為低電平時，輸出端Q和$不變，當(dāng)CLK為高電平時，輸出端Q與D端電 平相同巧與D端電平相反，如圖4可見輸出的欠采樣控制信號fsl、nfsl、fs2和nfs2的波 形圖。第一級欠采樣電路的采樣控制信號fsl為高電平、nfsl為低電平時，第一場效應(yīng)管 Q3、第三場效應(yīng)管Q1、第四場效應(yīng)管Q7導(dǎo)通，第二場效應(yīng)管Q5截止，第一運(yùn)放U4A完成跟 隨功能，第二運(yùn)放U4B完成反向功能，整個第一級欠采樣電路可以一比一反向跟隨輸入信 號的變化，當(dāng)采樣控制信號fsl為低電平、nfsl為高電平時，第一場效應(yīng)管Q3、第三場效應(yīng) 管Ql、第四場效應(yīng)管Q7截止，第二場效應(yīng)管Q5導(dǎo)通，第二運(yùn)放U4B完成保持功能，整個第一 級欠采樣電路進(jìn)入保持狀態(tài)。因?yàn)榈谝患壊蓸与娐返牟蓸拥目讖綍r間很長，導(dǎo)致采樣到的 波形里面采樣階段有很多原來的信號波形，因此需要通過第二級采樣電路把這部分波形去 掉，第二級欠采樣電路的采樣控制信號fs2為高電平、nfs2為低電平時，第五場效應(yīng)管Q4、 第七場效應(yīng)管Q2和第八場效應(yīng)管Q8導(dǎo)通，第六場效應(yīng)管Q6截止，第三運(yùn)放U5A完成反向 一比一放大的作用，當(dāng)采樣控制信號fs2為低電平、nfs2為高電平時，第五場效應(yīng)管Q4、第 七場效應(yīng)管Q2和第八場效應(yīng)管Q8截止，第六場效應(yīng)管Q6導(dǎo)通，第三運(yùn)放U5A完成保持功 能。第二級欠采樣電路與第一級欠采樣電路的采樣控制信號不同，因此在第一欠采樣電路 保持的地方第二級欠采樣電路進(jìn)行采樣，因?yàn)榈谝患壡凡蓸与娐繁３值臅r候波形時相對平 穩(wěn)的，因此第二極欠采樣電路采樣時的波形也是平穩(wěn)的，最終第二欠采樣電路的輸出波形 也是相對平穩(wěn)的。第二欠采樣電路的輸出波形經(jīng)過帶通濾波器使輸出波形變?yōu)槠交恼?波，該正弦波的頻率與輸入信號相比發(fā)生了改變，實(shí)現(xiàn)了高頻信號向低頻信號的轉(zhuǎn)變，輸出 波形的頻率能夠滿足通用的采樣芯片的采樣頻率的要求，極大的節(jié)省了檢測系統(tǒng)的制造成 本，而且保證了檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。 如圖10所示為本實(shí)用新型的一種應(yīng)用，信號源產(chǎn)生20Hz 5MHz的正弦波，通過 限流電阻后加到被測件Zx上，后繼的電壓檢測模塊和電流檢測模塊可以檢測被測件Zx上 的壓降V和流過Zx的電流I，把這個V和I傳輸?shù)胶罄m(xù)的混頻電路，再送到后續(xù)的ADC進(jìn) 行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后把轉(zhuǎn)換好的數(shù)字量送給CPU進(jìn)行計算Zx = U/I。這里U和I都是復(fù)數(shù)。 要把時域的正弦波形轉(zhuǎn)換頻域的復(fù)數(shù)量，一個正弦波周期至少要有16個采樣點(diǎn)，并且需要 16bit的分辨率，所以IkHz的信號至少需要16kHz的采樣率。從成本和性價比考慮，選擇 的是48kHz的雙聲道音頻采樣芯片，可以看出，按道理這個AD采樣芯片只能采樣48k/16 = 3kHz的測試信號，則從3KHz 5MHz的信號無法采樣，一種方案就是提高ADC的采樣率，要 滿足5MHz并且16點(diǎn)的采樣，至少需要80MHz的采樣率，80MHz采樣率能達(dá)到16bit精度的 雙通道ADC芯片市場上幾乎沒有，即使有價格也是相當(dāng)高，而且，即使使用了這種ADC芯片， 還要要求CPU的數(shù)據(jù)吞吐率要高，至少總線速度要大于160MHz，成本極高。本實(shí)用新型采 用了欠采樣混頻電路，對高頻電壓和高頻電流進(jìn)行混頻處理，使其頻率降低至1KHZ，并保證 原始信號的幅度和相位信息不丟失，使ADC芯片能夠?qū)ζ溥M(jìn)行采樣，采樣后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU，得到待測件的相關(guān)參數(shù)。
權(quán)利要求一種欠采樣混頻電路，其特征在于其包括采樣控制信號發(fā)生器、第一級欠采樣電路、第二級欠采樣電路以及帶通濾波器，采樣控制信號發(fā)生器的第一輸出端連接第一級欠采樣電路的控制信號輸入端，采樣控制信號發(fā)生器的第二輸出端連接第二級欠采樣電路的控制信號輸入端，第一級欠采樣電路的信號輸出端與第二級欠采樣電路的信號輸入端連接，第二級欠采樣電路的信號輸出端連接帶通濾波器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠采樣混頻電路，其特征在于所述的采樣控制信號發(fā)生器 包括采樣頻率輸入端、D觸發(fā)器、或門以及非門，所述的采樣頻率輸入端與D觸發(fā)器的CLK 端、第一或門和第二或門的輸入端連接，D觸發(fā)器的輸出端Q端連接第一或門的輸入端，巧端 連接第二或門的輸入端以及D觸發(fā)器的D端，D觸發(fā)器的CLR端和I3R端連接電源，第一或 門的輸出端連接第一非門，第二或門的輸出端連接第二非門，第一或門的輸出端為第二級 采樣電路的正控制信號輸入端，第一非門的輸出端為第二級采樣電路的負(fù)控制信號的輸入 端，第二或門的輸出端為第一級采樣電路的正控制信號輸入端，第二非門的輸出端為第一 級采樣電路的負(fù)控制信號的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠采樣混頻電路，其特征在于所述的第一級采樣電路的正 控制信號輸入端與第一場效應(yīng)管、第三場效應(yīng)管以及第四場效應(yīng)管的柵極連接，第一場效 應(yīng)管的源極連接待采樣信號，第一場效應(yīng)管的漏極連接第一運(yùn)放的正輸入端和第一電阻， 第一電阻另一端接地，第一運(yùn)放的輸出端通過第二電阻連接第一運(yùn)放的負(fù)輸入端，第一運(yùn) 放輸出端通過第三電阻連接第二場效應(yīng)管的漏極，第二場效應(yīng)管的柵極連接第一級采樣電 路的負(fù)控制信號輸入端，第二場效應(yīng)管的源極接地，第三電阻與第三場效應(yīng)管的源極連接， 第三場效應(yīng)管的漏極連接第二運(yùn)放的負(fù)輸入端，第四場效應(yīng)管的漏極接地，第四場效應(yīng)管 的源極連接第二運(yùn)放的正輸入端，第二運(yùn)放的輸出端為第一級欠采樣電路的信號輸出端， 第四場效應(yīng)管的源極和漏極之間連接有第一電容，第二運(yùn)放的負(fù)輸入端與輸出端之間連接 有第二電容，第二運(yùn)放的輸出端通過第四電阻與第二場效應(yīng)管的漏極連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的欠采樣混頻電路，其特征在于所述第一級欠采樣電路的信 號輸出端為第二級欠采樣電路的信號輸入端，第二極采樣電路的信號輸入端連接第五場效 應(yīng)管的源極，第二極采樣電路的正控制信號輸入端連接第五場效應(yīng)管、第七場效應(yīng)管以及 第八場效應(yīng)管的柵極，第五場效應(yīng)管的漏極通過第五電阻連接第六場效應(yīng)管的漏極，第六 場效應(yīng)管的柵極連接第二極采樣電路的負(fù)控制信號輸入端，第六場效應(yīng)管的源極接地，第 六場效應(yīng)管的漏極連接第七場效應(yīng)管的源極，第七場效應(yīng)管的源極與第三運(yùn)放的負(fù)輸入端 連接，第八場效應(yīng)管的源極連接第三運(yùn)放的正輸入端，第八場效應(yīng)管的漏極接地，第八場效 應(yīng)管的源極與漏極之間連接有第三電容，第三運(yùn)放的輸出端通過第三電容連接第三運(yùn)放的 負(fù)輸入端，第三運(yùn)放的輸出端通過第六電阻連接第六場效應(yīng)管的漏極，第三運(yùn)放的輸出端 為第二級欠采樣電路的信號輸出端。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種欠采樣混頻電路，其包括采樣控制信號發(fā)生器、第一級欠采樣電路、第二級欠采樣電路以及帶通濾波器，采樣控制信號發(fā)生器的第一輸出端連接第一級欠采樣電路的控制信號輸入端，采樣控制信號發(fā)生器的第二輸出端連接第二級欠采樣電路的控制信號輸入端，第一級欠采樣電路的信號輸出端與第二級欠采樣電路的信號輸入端連接，第二級欠采樣電路的信號輸出端連接帶通濾波器。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于成本低，能夠?qū)⒏哳l信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l信號，特別適用于元件檢測裝置中。
文檔編號H03D7/12GK201674464SQ20102020692
公開日2010年12月15日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者朱華國, 汪剛, 趙浩華, 陸文興, 高志齊 申請人:常州市同惠電子有限公司