CN101923106B - 四路正弦信号发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一个可应用于精密电磁测量的高精度信号发生器。所述装置包括主处理器屏蔽箱(1)，从处理器屏蔽箱(2)，三路正弦信号产生屏蔽箱(3)，单路正弦信号产生屏蔽箱(4)，系统时钟源(5)，数据通信光纤(6)。采用主从处理器式的结构和完整的光纤隔离方案，实现了单通道输出信号在改变相角时能保持极高的幅值稳定性，通过外接可调的系统时钟可实现输出信号高的频率分辨率，同时主从处理器之间通过光纤通信实现了严格的实时同步，另外四路正弦信号通过共用同一个高精度的电压基准源一定程度上提高了幅值的相对稳定性。

Description

四路正弦信号发生装置

技术领域：

本发明涉及一种高准确度的信号源，用于精密电磁测量中不同阻抗的比较和测量。

背景技术：

在精密电磁测量领域，不同性质阻抗的比较和测量一般较为熟知的方法是直角电桥法，它最为突出的优点是对信号源的准确度要求低，但是电桥法实现起来比较复杂，同时无法准确实现四线测量。随着数字技术和计算机技术的发展，从信号源的角度进行突破进而寻找新的测量和比较方法是一个可以尝试的思路。

信号发生的频率合成方法，一般可分间接法和直接法；其中，间接合成法是基于锁相环原理实现，直接法又可分为模拟直接合成法和数字直接合成法。美国学者J.Tiemcy、C.M.Rader及B.Gold在1971年提出了直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis简称DDFS或DDS)，它与传统的合成法相比，具有频率分辨率高、变频速度快、变频相位连续、相位噪声低等优点，且易于功能扩展和全数字化集成，容易实现对输出信号的多种调制。

DDS技术的这些突出优点使得它在近些年得到了广泛应用，而在精密电磁测量领域，基于补偿法的比较测量中，信号源将被用于平衡阻抗上的压降，它近似为一把电压标尺，因此对其也有着特殊的要求。商业用的基于DDS技术的信号源往往无法满足要求，主要存在以下四点问题：

1.通常商用的信号源幅值稳定性不够高，它可以从两个方面来进行说明，一是单通道本身的幅值稳定性，它可以通过FLUKE5790进行有效值的测量来进行评价。二是信号源中多通道的相对稳定性，它可以通过锁相放大器SR830中A-B测量来进行评估。

2.在不同阻抗测量和比较时，需要某一路信号源在改变初始相位前后幅值保持不变。通常商用的信号源在相位发生改变时，它的幅值变化较大。这一点可以在改变初始相位前后通过FLUKE5790对有效值的测量来进行评价。

3.通常商用的信号源在某一路初始相位发生改变时，将会对其它各路信号造成较大影响，这在精密电磁测量中是必须要克服和解决的问题。这一点可以通过改变某路初始相位，对其它各路进行检测来进行评估。

4.通常商用的信号源系统采样时钟固定，通过改变采样步长来改变频率，频率分辨率不高，并且随着输出频率变高，每个周期内的有效数据数量减少，此时所得正弦信号的低次谐波含量丰富。

发明内容：

为了克服背景技术中常规商用信号源的四点问题，本发明设计了一种基于主从处理器结构的带有完整光纤隔离的高精度信号源。

本发明提供了一种四路正弦信号发生装置，该装置包括主处理器屏蔽箱(1)、从处理器屏蔽箱(2)、三路正弦信号产生屏蔽箱(3)、单路正弦信号产生屏蔽箱(4)、系统时钟源(5)和数据通信光纤(6)，其中，屏蔽箱(1)包括主处理器(7)、第一个交流供电的5V电源(8)和光纤发送器电路(9)；屏蔽箱(2)包括从处理器(10)、第二个交流供电的5V电源(11)和光纤发送器(12)；屏蔽箱(3)包括三路的DA板(13)、三路正弦信号幅值调节部分(14)、第一个电池供电的+-9V、5V电源板(15)、第一组两个12V电池(16)、第一电池充电部分(17)和第一光纤接受器(18)；屏蔽箱(4)包括单路的DA板(19)、5V基准源(20)、单路正弦信号幅值调节部分(21)、第二个电池供电的+-9V、5V电源板(22)、第二组两个12V电池(23)、第二电池充电部分(24)和第二光纤接受器(25)；数据通信光纤(6)包括三路信号的采样数据光纤(26)、单路信号的采样数据光纤(27)、三路信号DA转换控制信号光纤(28)、单路信号DA转换控制信号光纤(29)、主处理器和从处理器的同步控制光纤(30)和单路信号相位控制光纤(31)。

优选地，DA转换所在的三路正弦信号产生屏蔽箱(3)和单路正弦信号产生屏蔽箱(4)采用电池供电。

为了解决频率分辨率不高以及有效数据量随着频率增高而减少的技术问题采用定步长变采样时钟的方法。采用高分辨率的时钟源作为系统采样时钟，可得到很高分辨率的正弦信号。

为了解决正弦信号源幅值稳定性的技术问题，选用高精度的基准源和低噪声高精度的DAC，使得幅值稳定性较高。同时使各通道共用同一基准源，使得各通道幅值相对稳定性提高。

为了解决正弦信号源改变相位时幅值也同时改变的技术问题，在软件方面，采用定步长且步长为1的方法，也就意味着在不同初始相位时，所得正弦信号每个周期内的有效数据是一样的。在硬件方面，单独产生要求改变初始相位的正弦信号，并且数模转换芯片和处理器之间的数据通信采用光纤隔离，以隔绝高速处理器的高频串扰。

为了解决在改变初始相位时对其它通道造成影响的技术问题，采用主从处理器结构，主处理器产生三路无需改变初始相位的正弦信号，从处理器产生需改变初始相位的正弦信号，主从处理器的同步和逻辑通信皆采用光纤隔离，以避免各路之间地回路的影响。同时主从处理器和对应数模转换芯片之间的数据通信也采用光纤隔离。

为了解决主从处理器所产生正弦信号的严格适时同步技术问题，主从处理器共用同一个系统采样时钟，主处理器在正弦信号每个周期的开始都会发出信号通过光纤告知从处理器，从处理器根据接收到的控制信号执行同步操作。

利用根据本发明的四路正弦信号发生装置所产生的高精度正弦信号源可以应用到基于补偿法的阻抗比较测量系统中，相比较传统复杂的电桥法，具有实现简单、调节灵活、天然四线测量等诸多优点。尤其针对不同类型阻抗的比较和测量，如互感的测量，电容电阻的比较等。该高精度信号源在阻抗比较测量系统中因其独特的高稳定性优势，可以当作一把电压标尺，通过补偿平衡，将电容，互感溯源到不确定度低的直流量子化霍尔电阻。

应当理解，实现此高精度信号源的技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域的技术人员，可以很容易在此实现的原理和方法上，采取不同的实施手段实现各种变形和改进，这些变形和改进并不脱离本发明的保护范围。

附图说明：

图1为根据本发明的四路正弦信号发生装置的整体结构示意图；

图2为根据本发明的四路正弦信号发生装置中DDS的实现原理图；

图3为采用Fluke5790型交流测量标准仪测量商用多通道发生器和根据本发明的多通道信号发生器在改变相位时有效值变化情况的对比图。

具体实施方式：

图1为本发明的高精度信号源的整体结构示意图，所述装置包括主处理器屏蔽箱(1)、从处理器屏蔽箱(2)、三路正弦信号产生屏蔽箱(3)、单路正弦信号产生屏蔽箱(4)、系统时钟源(5)和数据通信光纤(6)。

通过设置主屏蔽箱上的按键值，来改变四路正弦信号的相对相位。主从处理器之间的同步通信采用光纤连接，主处理器产生正弦信号时，在每个周期的开始向从处理器发出同步命令，从处理器按照接受的同步命令严格进行同步操作。

选用Altera公司的EP3C25 FPGA当作主从处理器，它具有高速的处理性能，大容量的存储器，可嵌入NISO II的SOPC结构。在FPGA上的ROM表中导入一个正弦信号周期16384个16位量化的数据，通过相位累加器之后的地址对称寻址这四分之一周期的正弦信号数据，然后把这些数据通过光纤隔离后送入DAC中转化即可得到双极性输出地正弦信号，通过各个通道的幅值调节部分即可得到所需的不同幅值的正弦信号。其中DDS数字核心部分可直接在FPGA上进行开发，基于人机接口的按键和显示部分可通过嵌入NISO II软核进行设计。

图2为本发明的信号源中DDS原理图，根据输出频率，系统时钟，存储深度和寻址步长之间的关系如以下表达式所示：

$f_o=\frac{\mathrm{FCW}}{2^N}{f}_{\mathrm{clk}}---\left(1\right)$

可知要实现频率高的分辨率，一是将ROM表中的存储深度N取得尽量大，二是选用高分辨率的系统时钟，明显前者受限于计算机的存储容量，本发明中选用高频率分辨率的信号源Agilent 33220当作系统时钟，其频率分辨率可达到10^-7，可知正弦信号输出的频率分辨率可实现远小于10^-9。另外要在相位发生改变时实现高的幅值稳定性，这里选取寻址步长FCW(频率控制字)为1，因为在不刷新波表的情况下，仅在步长为1时，虽初始相位不同，但正弦信号每个周期的采样点数和数据是一样的。

本发明中选用低噪声低温漂的DA芯片DAC8820，它是一个16位的数模转化芯片。

本发明中为了隔离高速处理器对DAC转化模块的高频串扰，以及隔断各通道之间的地回路，实现了完整的光纤隔离，这些光纤传输的信号中包括4路16位的数据信号、两路DAC转换控制信号、两路单通道相位控制信号和一路同步信号。

本发明中，四路DAC共用同一个高精度的电压基准源Max6350，这样在一定程度上保证了各个通道极高的幅值相对稳定性。

图3为采用Fluke5790型交流测量标准仪测量商用多通道发生器和本发明研制的多通道信号源在改变相位时有效值变化情况的对比图。从图中的数据可以看出，商用多通道信号源在相位变化时有效值的变化可达十万分之四，而本发明所研制的多通道信号源在相位变化时，有效值保持恒定。同时还可以看出，在相位不变时，本发明完成的装置的稳定性也优于商用多通道信号发生器。

Claims (6)

1.一种四路正弦信号发生装置，其特征在于：所述装置包括主处理器屏蔽箱(1)、从处理器屏蔽箱(2)、三路正弦信号产生屏蔽箱(3)、单路正弦信号产生屏蔽箱(4)、系统时钟源(5)和数据通信光纤(6)，

其中，所述主处理器屏蔽箱(1)包括主处理器(7)、第一个交流供电的5V电源(8)和光纤发送器电路(9)；所述从处理器屏蔽箱(2)包括从处理器(10)、第二个交流供电的5V电源(11)和光纤发送器(12)；所述三路正弦信号产生屏蔽箱(3)包括三路的DA板(13)、三路正弦信号幅值调节部分(14)、第一个电池供电的+-9V、5V电源板(15)、第一组两个12V电池(16)、第一电池充电部分(17)和第一光纤接受器(18)；所述单路正弦信号产生屏蔽箱(4)包括单路的DA板(19)、5V基准源(20)、单路正弦信号幅值调节部分(21)、第二个电池供电的+-9V、5V电源板(22)、第二组两个12V电池(23)、第二电池充电部分(24)和第二光纤接受器(25)；所述数据通信光纤(6)包括三路信号的采样数据光纤(26)、单路信号的采样数据光纤(27)、三路信号DA转换控制信号光纤(28)、单路信号DA转换控制信号光纤(29)、主处理器和从处理器的同步控制光纤(30)和单路信号相位控制光纤(31)，

并且其中，主处理器和从处理器共用所述系统时钟源，DAC的各通道共用同一基准源。

2.根据权利要求1所述的四路正弦信号发生装置，其特征在于：DA转换所在的三路正弦信号产生屏蔽箱(3)和单路正弦信号产生屏蔽箱(4)采用电池供电。

3.根据权利要求1或2所述的四路正弦信号发生装置，其特征在于：所述系统时钟源(5)具有高分辨率。

4.根据权利要求1所述的四路正弦信号发生装置，其特征在于：主处理器和三路的DA板之间、从处理器和单路的DA板之间以及主处理器和从处理器之间采用光纤数据通信。

5.根据权利要求4所述的四路正弦信号的发生装置，其特征在于，通过所述光纤数据通信使得主处理器(7)和从处理器(10)所产生的正弦信号适时严格同步，通过所述光纤数据通信使得主处理器(7)可以控制从处理器(10)所产生正弦信号的相位。

6.根据权利要求1所述的四路正弦信号发生装置，其特征在于，主处理器(7)和从处理器(10)采用高速的大存储容量的EP3C25FPGA，在主处理器(7)和从处理器(10)上分别实现直接数字频率合成技术的核心数字部分，并在主处理器(7)和从处理器(10)中嵌入NISO II软核以实现整个系统的逻辑控制。

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