CN103529256A - 一种波形合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波形合成装置，包括：波形计数器，与读写控制器相连接，用于根据脉冲信号进行计数；波形数据存储器，与读写控制器相连接，用于存储预设定的波形的幅度数据以及数字信息；所述的读写控制器，分别与所述的波形数据存储器、数模转换器相连接，用于在所述波形计数器的作用下从所述的波形数据存储器中依次提取所述的幅度数据，并将提取的幅度数据依次发送至所述的数模转换器；数模转换器，与所述的滤波放大器相连接，用于将所述的幅度数据进行数模转换，得到电流信号；电流电压变换器，与所述的数模转换器相连接，用于将所述的电流信号变换为电压信号。实现了高准确度模拟，具有精密、低噪声、频率稳定、高速输出的有益效果。

Description

一种波形合成装置

技术领域

本发明关于信号生成技术领域，特别是关于电压电流信号的合成技术，具体的讲是一种波形合成装置。

背景技术

波形发生器广泛应用于电子测量、通信、雷达、科学实验等领域，是主要的信号源。从某种程度上来说，高质量的信号源是实现高性能指标的关键。在很多现代电子系统、通信设备或测量系统中，都应用了高性能的信号发生源来提供高质量的信号。因此，在现代社会中高品质的信号发生器已经成为必不可少的电子系统。

传统的波形发生器，输出频率频段范围窄、输出的波形单一，输出频率不稳定。在实际应用中，有时需要波形发生器的输出频率捷变，频段范围尽量宽，并要能够实现多通道输出，这对多通道系统是非常重要的，并且多通道输出要同步，还要保持一定的相位关系。

传统的波形发生器对由模拟处理而产生的外部信号通道的不均衡、不同芯片间延时时间的差异所引起的输出信号的相位差没有考虑。

专利文件ZL200910056129.3公开了一种转子绕组匝间短路的诊断方法，它模拟产生一个电流激励源，从而测量转子绕组的阻抗值，以测量改值与上一次测量值与原始值进行比较，得出发电机转子交流阻抗是否存在稳定性短路故障。但是该方法所述的阻抗值，是由电压值除以所述电流激励源的电流值，由于该方法所研制的电流激励源准确度不高，所以其阻抗示值也存在较大误差，无法达到准确计量转子绕组交流阻抗的目的。

专利文件ZL200610011680.2公开了一种多路同步正弦信号发生器，它能够同时模拟多路正弦信号，并且为了频率稳定性采用了DDS技术。但是这种信号发生器输出的仅仅是一个信号源，其电流电压推动部分并未涉及。然而现实中的很多仪器，诸如交流阻测试仪，其电流电压量程比较特殊，因此该专利的信号发生器的输出电压和输出电流的能力上的缺陷制约了其应用，无法覆盖行业内各种测量仪器诸如交流阻抗测试仪的全量程。

因此，如何构建一种波形合成装置，其能够应用于测量系统进而检测各种测量仪器尤其是交流阻抗测量仪成为本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提出了一种波形合成装置，通过将预设的标准波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅度数据以数字信息进行存储，再根据初始相位的需要，从初始相位点以相同的顺序取出完整的存储的波形数据，并经D/A电路变换成模拟量，即可输出欲得到的波形，该波形合成装置可以作为电子系统、通信设备或测量系统的信号发生源来提供高质量的信号，为系统的高准确度检测工作提供了条件和保障。

本发明的目的是，提供了一种波形合成装置，所述的波形合成装置具体包括：波形计数器，与读写控制器相连接，用于根据脉冲信号进行计数；波形数据存储器，与所述的读写控制器相连接，用于存储预设定的波形的幅度数据以及数字信息；所述的读写控制器，分别与所述的波形数据存储器、数模转换器相连接，用于在所述波形计数器的作用下从所述的波形数据存储器中依次提取所述的幅度数据，并将提取的幅度数据依次发送至所述的数模转换器；所述的数模转换器，与所述的滤波放大器相连接，用于将所述的幅度数据进行数模转换，得到电流信号；电流电压变换器，与所述的数模转换器相连接，用于将所述的电流信号变换为电压信号。

优选的，所述的波形合成装置还包括：滤波放大器，分别与所述的数模转换器、所述的电流电压变换器相连接，用于将所述的电流信号进行滤波放大，并将滤波放大后的电流信号发送至所述的电流电压变换器。

优选的，所述的波形合成装置还包括：波形分解与量化单元，与所述的波形数据存储器相连接，用于将预设定的波形进行分解与量化，得到幅度数据以及数字信息。

本发明的有益效果在于，提出的一种波形合成装置，通过将预设的波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅度数据以数字信息进行存储，再以相同的顺序取出并经D/A电路变换成模拟量，即可输出欲得到的波形。通过数字式波形合成技术，实现波形合成装置的高准确度模拟，具有精密、低噪声、频率稳定、高速输出的有益效果，且该波形合成装置可以作为电子系统、通信设备或测量系统的信号发生源来提供高质量的信号，为系统的高准确度检测工作提供了条件和保障。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种波形合成装置的实施方式一的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种波形合成装置的实施方式二的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种波形合成装置的实施方式三的结构示意图；

图4为本发明实施例的波形合成装置中数模转换器的电路原理图；

图5为本发明实施例中预设定的正弦波的波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的数字波形合成装置的基本思想是：先把要得到的正弦信号波形（即预设定的波形）进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅度数据以数字信息存储在存储器里。工作时，再以相同的顺序取出幅度信息，经数模转换器变换成模拟量，输出欲得到的波形。

图1为本发明实施例提供的一种波形合成装置的实施方式一的结构示意图，由图1可知，在实施方式一中，波形合成装置具体包括：

波形计数器100，与读写控制器200相连接，用于根据脉冲信号进行计数，脉冲信号诸如为f_i。在具体的实施方式中，脉冲信号f_i可由晶体振荡器产生初始脉冲信号，再经过锁相环分频，产生所需频率的信号。

波形数据存储器200，与所述的读写控制器相连接，用于存储预设定的波形的幅度数据以及数字信息。此处的预设定的波形即为要得到的正弦信号波形，幅度数据以及数字信息可预先对预设定的波形进行分解和量化后得到。

所述的读写控制器300，分别与所述的波形数据存储器、数模转换器相连接，用于在所述波形计数器的作用下从所述的波形数据存储器中依次提取所述的幅度数据，并将提取的幅度数据依次发送至所述的数模转换器。

所述的数模转换器400，与所述的滤波放大器相连接，用于将所述的幅度数据进行数模转换，得到电流信号。数模转换器的电路原理图如图5所示，由图5可知，N1是精密基准电压源，N2是精密低噪声运算放大器，N3是电流输出型数模转换器，N4是精密低噪声运算放大器，C1、C5、C7是1μF旁路电容，C2、C3、C6、C8是0.1μF旁路电容，C4是2.2pF补偿电容。

在具体的实施方式中，数模转换器可选用的是美国模拟半导体ANALOG公司生产的AD5547芯片。电路采用电流输出DAC AD5547、精密基准电压源ADR01和运算放大器AD8512实现精密、双极性数据转换。它具有精密、低噪声、高速输出电压能力，非常适合过程控制、自动测试设备和数字校准等应用。

电流输出型DAC是双通道、精密、16位、乘法、低功耗、电流输出、并行输入数模转换器，采用2.7V至5.5V单电源供电，四象限输出的乘法基准电压为±15V。内置的四象限电阻有利于电阻匹配和温度跟踪，使多象限应用所需的元件数量降至最少。

电流电压变换器500，与所述的数模转换器相连接，用于将所述的电流信号变换为电压信号。电流电压变换器即I/V转换，在图4中为N₄，型号采用AD8512，是将输入的电流信号转换成满足一定关系的电压信号，转换后的电压相当于一个输出可调的恒压源，其输出电压应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。

本发明的具体实施例中，电流电压变换器(I-V)级中使用了运算放大器。运算放大器的偏置电流和失调电压均为选择精密电流输出DAC的重要标准，因此该电路采用具有超低失调电压（B级器件典型值为80μV）和偏置电流（典型值为25pA）的AD8512运算放大器。C9为补偿电容。本应用的C9电容值为2.2pF，经过优化可以补偿DAC的外部输出电容。因此该电路采用具有超低失调电压和偏置电流的AD8512运算放大器。

运算放大器的输入失调电压要乘以电路的可变噪声增益（由于存在DAC的代码相关输出阻抗）。由于放大器的输入电压失调，两个相邻数字码之间的噪声增益变化会使输出电压产生步进变化。此输出电压变化与两个代码间所需的输出变化相叠加，引起差分线性误差；如果该误差足够大，可能会导致DAC非单调。一般而言，为了确保沿各代码步进时保持单调性，输入失调电压必须只相当于为LSB的小部分。对于ADR01和AD5547，LSB大小为：

$\frac{10V}{2^{16}}=153\mathrm{\μV}$

运算放大器的输入偏置电流也会在电压输出上产生失调，其原因是偏置电流会流经反馈电阻RFB。就AD8512而言，其输入偏置电流典型值仅为25pA，流经RFB电阻（通常为10kΩ）时仅产生0.25μV的误差。

AD5547DAC架构采用电流导引R-2R梯形电阻设计，要求使用外部基准电压源和运放，以便转换为输出电压。AD5547的输出电压V_OUT可通过以下公式计算：

$\mathrm{VOUT}=\left[\frac{\mathrm{VREF}\×D}{2^{16-1}}\right]-\mathrm{VREF}$

其中D为输入码的十进制等效值；对于16位DAC，D=0至65535。

也即，本发明的波形合成装置，在预先在波形数据存储器里已存贮好了幅度数据以及数字信息。在脉冲信号f_i作用下，波形计数器依次从0-35999计数并将幅度数据依次从波形数据存储器相应地址取出送入数模转换器。在数模转换器中把幅值的数字信息变为相应的模拟量(电流信号)，再经电流电压变换器把电流信号变为双极性的电压信号。由于波形点数有达36000点，已经很平滑，可无需再附加低通滤波器。本电路使用高精度、高稳定性、10V精密基准电压源ADR01。基准电压源的温度系数和长期漂移性能均为要求高精度转换应用的主要考虑因素。本发明提供的波形合成装置可以作为电子系统、通信设备或测量系统的信号发生源来提供高质量的信号，为系统的高准确度检测工作提供了条件和保障，尤其诸如应用于测量系统，可准确测量交流阻抗测试仪等仪器。

图2为本发明实施例提供的一种波形合成装置的实施方式二的结构示意图，由图2可知，在实施方式二中，波形合成装置还包括：

滤波放大器600，分别与所述的数模转换器400、所述的电流电压变换器500相连接，用于将所述的电流信号进行滤波放大，并将滤波放大后的电流信号发送至所述的电流电压变换器。

图3为本发明实施例提供的一种波形合成装置的实施方式三的结构示意图，由图3可知，在实施方式三中，波形合成装置还包括：

波形分解与量化单元700，与所述的波形数据存储器200相连接，用于将预设定的波形进行分解与量化，得到幅度数据以及数字信息。此处提及的预设定的波形即为测试系统欲测试仪器诸如交流阻抗测试仪时需要的试验电压、电流信号。在测试前即可根据要测试的仪器确定出。

首先把预设定正弦信号波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅值以数字信息存储在存储器里。根据相位的调节细度来选择分解的点数，相位调节细度越高，应分解的点数就越多，所需数据量就越大。假设预设定的正弦波的波形示意图如图5所示，在一个周期内等分成16段，即一个完整的正弦波是由16个点组成，每两点间相隔以360°/16=22.5°，在幅值峰-峰值之间共分成±100个等级，16个点的量化等级标于图中。显然，要使波形逼真，一个周期内分解的点数和幅度的量化级数越多越好。但是分解的点数越多，产生一个完整的正弦波所需的数据量就越大。一般是根据相位的调节细度来选择分解的点数。当相位调节细度为1°时，可取360点，当调节细度为0.1°时，可取3600点。相位调节细度越高，应分解的点数就越多，所需数据量就越大。根据我们的设计要求，相位调节细度为0.01°，所以一个周期取36000点。

幅度量化的级数越多，将来所需的D/A位数就越多。例如，量化为256级时，则需8位D/A(2⁸=256)，量化为2048级时，则需12位D/A。D/A位数少时成本低，但输出波形不平滑，含有高次谐波，需要用低通滤波器加以滤除，而低通滤波器会产生附加相移。因此，可取65536级，所以波形合成时需用16位D/A，并且采用偏移二进制双极性码来表示正弦波的正负极性。即将模拟量的零值移到与数字量的8000H对应，当Sin0°=0，量化值为8000H。正弦波的正半周用8000H～FFFFH来表示，Sin90°=1时，量化值为FFFFH；正弦波的负半周用0000H～8000H来表示，sin270°=-1时，量化值为0000H。要存贮这样的正弦波信息，所需的存贮器容量为36000×16×2位，即需要有144000个字节单元。

即本发明提供的波形合成装置，在波形存储器里存储完波形数据后，在脉冲信号f_i作用下，波形计数器依次从0-35999计数并将幅度数据依次从波形存储器相应地址取出送入数模转换器。在数模转换器中把幅值的数字信息变为相应的模拟量，即电流信号，再经运算放大器把电流信号变为双极性的电压信号。由于波形点数多达36000点，正弦波形已经很平滑，所以无需额外附加低通滤波器。数模转换器选用电流输出并行输入16位数模转换器。电路采用电流输出DAC芯片、精密基准电压源ADR01和运算放大器AD8512实现精密、双极性数据转换。

精密基准电压源ADR01，基准电压源的温度系数和长期漂移性能均为要求高精度转换应用的主要考虑因素，具有高精度、高稳定性特点。ADR01为图1中的数模转换器400，为数模转换器提供高精密度的10.0V基准电压，该器件还提供TRIM引脚，用于精密调整输出电压。

综上所述，本发明提出的一种波形合成装置，通过将预设的波形进行分解和量化，然后按顺序将波形的幅度数据以数字信息进行存储，再以相同的顺序取出并经D/A电路变换成模拟量，即可输出欲得到的波形。通过数字式波形合成技术，实现波形合成装置的高准确度模拟，具有精密、低噪声、频率稳定、高速输出的有益效果，且该波形合成装置可以作为电子系统、通信设备或测量系统的信号发生源来提供高质量的信号，为系统的高准确度检测工作提供了条件和保障。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例系统中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各系统的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种波形合成装置，其特征是，所述的波形合成装置具体包括：

波形计数器，与读写控制器相连接，用于根据脉冲信号进行计数；

波形数据存储器，与所述的读写控制器相连接，用于存储预设定的波形的幅度数据以及数字信息；

所述的读写控制器，分别与所述的波形数据存储器、数模转换器相连接，用于在所述波形计数器的作用下从所述的波形数据存储器中依次提取所述的幅度数据，并将提取的幅度数据依次发送至所述的数模转换器；

所述的数模转换器，与所述的滤波放大器相连接，用于将所述的幅度数据进行数模转换，得到电流信号；

电流电压变换器，与所述的数模转换器相连接，用于将所述的电流信号变换为电压信号。

2.根据权利要求1所述的波形合成装置，其特征是，所述的波形合成装置还包括：

滤波放大器，分别与所述的数模转换器、所述的电流电压变换器相连接，用于将所述的电流信号进行滤波放大，并将滤波放大后的电流信号发送至所述的电流电压变换器。

3.根据权利要求1所述的波形合成装置，其特征是，所述的波形合成装置还包括：

波形分解与量化单元，与所述的波形数据存储器相连接，用于将预设定的波形进行分解与量化，得到幅度数据以及数字信息。

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