CN103607183B - 一种多通道隔离函数信号发生器及信号发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多通道隔离函数信号发生器及信号发生方法。多通道隔离函数信号发生器包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及逻辑控制单元。本发明可直接产生几个到几十通道的隔离函数信号；每个通道函数信号有直流、正弦、脉冲三种模式；各通道信号的幅度、频率、相位、脉宽参数均可独立设置，幅度高达20V。

Description

一种多通道隔离函数信号发生器及信号发生方法

技术领域

本发明涉及一种多通道隔离函数信号发生器，尤其涉及需要通道隔离、需要同步、需要多信号叠加、信号电压变化范围大等特征的多通道函数信号信号发生器。

背景技术

函数信号发生器是信号发生器的一种，因其能产生不同幅度、不同频率、不同相位的正弦波，通常作为激励源在很多领域的科学研究和设备试验中有着广泛的应用。对于非通信领域的激励信号源，信号频段并不需要很高。有些场合，需要提供若干路电气隔离的波形信号作为不同电气设备部件的激励，有时还要求这些电气隔离的多路信号保持一定的相位关系以及通道间的同步关系，这就需要多通道隔离函数发生器。有些应用场合，需要激励的电压变化大或直流偏置电压高，或两者激励的电压变化大且直流偏置电压高，超出通用函数信号发生器的输出电压范围，需要多个函数发生器的输出串联来实现。还有些应用场合，需要的激励是多个独立频率分量叠加而形成的波形复杂，通用的函数信号发生器无法输出这种波形复杂的，就需要用对复杂波形数据量化后用任意波形发生器输出。

现有的多通道函数/任意波形信号发生器可以产生多路信号，通道间信号可以具有同步特征。每个通道的各通道波形发生电路的数字部分可以共用一片可编程逻辑器件，但模拟部分使是独立的，数字部分以较高的数据传输速率向模拟部分传送波形数据。每个通道的数字部分与模拟部分至少需要10多个信号线相连。但是可编程逻辑器件的引脚数、存储器资源、以及模拟器件硬件成本和物理尺寸将制约这类函数信号发生器通道数增加，无法满足需要通道数较多的应用场合。上述多通道信号相互实现电气隔离，则每路信号的模拟部分需要增加10多路高速光耦或磁藕器件，以及一定功率的隔离DC-DC电源模块，这将进一步导致物理尺寸增大和元件成本上升，制约电气隔离型函数发生器的通道数增加。

任意波形发生器的电路原理与函数发生器基本一致，主要差异在需要将特定的复杂波形量化后传输存储到任意波形发生器的波形存储器中，波形的更改操作比较繁琐，需要计算机的协助，任意波形发生器需要有传送波形数据的标准接口。但是任意波形发生器输出的量化复杂波形与多个独立频率分量叠加而形成的理论波形会造成时间累计失真，时间越长，波形失真越大。

多个函数发生器的输出串联使用，可以形成电压变化大或直流偏置电压高，或两者激励的电压变化大且直流偏置电压高的波形。由于每个多个函数发生器的时基不同，参数设置不同步，也会造成串联波形信号的时间累计失真，时间越长，波形失真越大。而且多个函数发生器同时工作、体积庞大，操作不便。

发明内容

本发明的目的在于提供通道信号串联使用时可以产生大范围变化的波形信号，可以产生高偏置电压的波形信号，可以形成复杂波形信号，还可以形成谐波信号的一种多通道隔离函数信号发生器。

本发明的目的是这样实现的：它包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及逻辑控制单元；接口电路分别连接微处理器和逻辑控制单元，时钟发生电路分别连接外部晶振和逻辑控制单元，逻辑控制单元连接模拟单元；逻辑控制单元包括参数锁存器、数控振荡器、相位加法器和幅度字数据比较器、脉冲字数据比较器，参数锁存器分别连接数控振荡器、相位加法器、幅度字数据比较器和脉冲字数据比较器，接口电路、时钟发生电路分别连接数控振荡器，数控振荡器连接相位加法器，相位加法器连接幅度字数据比较器，幅度字数据比较器和相位加法器分别连接二选一数字开关，时钟发生电路连接脉冲字数据比较器，二选一数字开关和脉冲字数据比较器分别连接模拟单元。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的接口电路包括微处理器接口单元和锁存器，微处理器连接微处理器接口单元，微处理器接口单元连接锁存器，锁存器连接逻辑控制单元；

2、所述的时钟发生电路包括数字锁相环倍频单元、偶数分频单元和计数器分频单元，外部晶振连接数字锁相环倍频单元，数字锁相环倍频单元分别连接偶数分频单元和二进制计数器分频单元，偶数分频单元和计数器分频单元分别连接逻辑控制单元，如可编程逻辑器件采用CPLD，则无数字锁相环倍频单元，外部晶振直接连接偶数分频单元和二进制计数器分频单元；

3、所述的模拟单元包括依次连接的隔离单元，第一级二选一模拟开关，有源低通滤波单元，第二级二选一模拟开关，第一级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第三级二选一模拟开关，第二级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第四级二选一模拟开关和同相放大单元，逻辑控制单元连接隔离单元，同相放大单元输出与其反相之差即为最终输出；

4、所述的隔离单元由隔离DC-DC电源、高速磁耦或光藕芯片组成。

本发明的另一目的在于提供一种多通道隔离函数信号发生器的实现方法，每个通道可以产生正弦信号、脉冲信号、直流电压；各通道信号的幅度、频率、脉宽、初始相位参数均可单独设置，电气隔离的通道间信号可以同步，信号幅度高达20V，幅度分辨率为0.01%；正弦波和脉冲波的，频率分辨率力1mHz，相位分辨率为0.1度，脉冲波脉宽分辨率为0.1%。

本发明一种多通道隔离函数信号发生器的实现方法步骤包括：信号发生电路由单片可编程逻辑器件实现和多路模拟单元组成，可编程逻辑器件内嵌了接口电路、时钟发生电路以及多个控制单元；每个逻辑控制单元输出4个逻辑控制信号给对应的模拟单元以产生该通道函数信号，无需使用存储器和DAC；可编程逻辑器件的型号和封装可以根据通道数和函数信号的技术参数要求来确定；

（1）可编程逻辑器件的接口电路将来自微处理器的串行总线转换为的内部并行总线BUS，以设置各通道信号幅度、频率、相位、脉宽参数；接口电路还通过锁存器设置各通道复位控制位S_YNC，引入来自微处理器的全局复位SRST信号；

（2）可编程逻辑器内置的时钟发生电路产生以下三种时钟信号：第一个是晶振时钟或晶振经数字锁相环倍频后的高频时钟Fsys信号，第二个是由Fsys经偶数分频后得到的基频方波信号F_BAS，第三个是Fsys经计数器分频后出来的时钟数组Fout；如使用FPGA的数字锁相环来提高Fsys频率，就可以相应提高输出正弦和脉冲信号的频段；

（3）可编程逻辑器内嵌了多个电路结构与工作原理完全相同的控制逻辑单元，控制逻辑单元产生表征幅度的逻辑PWM信号，产生经变换后可以表征频率、幅度、相位、脉宽的逻辑FSQU和FSET信号，产生用于波形选择的逻辑MODE信号；控制逻辑单元的参数设置电路通过译码器和锁存器将设置幅度、频率、相位、脉宽、控制模式；时钟数组Fout与幅度字相比较，数据比较器小于等于输出即为表征幅度的PWM信号，幅度字位数决定了信号幅度分辨率；基频方波信号F_BAS与模式控制位0进行或操作，输出即为FSQU信号。相位加法器的输出为数组PH[9..0]，数控振荡器的输入频率字和相位字；频率字决定了输出信号的频率及分辨率，相位字决定了输出信号的初始相位分辨率；数组PH[9..0]与脉宽字相比较，数据比较器小于等于输出即为表征脉冲波逻辑的信号，数组PH[9]表征正弦波逻辑的信号，模式控制位1选择脉冲波逻辑信号或正弦波逻辑信号与模式控制位2进行或操作，其输出即为逻辑FSET信号，模式控制位0也直接输出作为逻辑MODE信号。

（4）模拟单元实现从PWM_J、FSQU_J、FSET_J、MODE_J信号到特定幅度、频率、脉宽、初始相位的函数信号发生，作为隔离性函数信号发生器，每个模拟单元需要有隔离DC-DC电源以产生模拟单元所需隔离工作电源；可编程逻辑器件输出的PWM_J、FSQU_J、FSET_J、MODE_J控制信号均需经过高速光耦/磁藕进行电气隔离，隔离为模拟单元内部的控制逻辑PWM、FSQU、FSET、MODE；基准及其反相分别接第一级二选一模拟开关的两个输入，该模拟开关受逻辑PWM信号控制，模拟开关公共端信号经有源低通滤波后得到一个与PWM脉宽相关的直流电压VDC；VDC及其反相分别接第二级二选一模拟开关的两个输入，模拟开关受逻辑FSQU信号控制，模拟开关公共端信号经第一级跟随、无源低通滤波、同相放大后得到信号V0；V0及其反相分别接第三级二选一模拟开关的两个输入，第三级二选一模拟开关受逻辑FSET信号控制，第三级二选一模拟开关公共端信号经第二级跟随、无源低通滤波、同相放大后得到信号V1；V1及其反相接第四级二选一模拟开关的两个输入，第四级二选一模拟开关受逻辑MODE信号控制，第四级二选一模拟开关公共端信号同相放大后得到信号V2， 对V2进行反相，V2与其反相之差作为输出信号OUT。

每路函数信号有三种工作模式：直流、脉冲、正弦。当模拟单元的FSQU、FSET、MODE均为1时，OUT为直流信号，信号幅度由PWM确定，即由控制单元的幅度字设置。当模拟单元的FSQU、MODE均为1时，脉冲信号的频率、初始相位、脉宽由FSET确定，幅度由PWM确定，即脉冲信号的幅度、频率、初始相位、脉宽由控制单元的相应参数字确定。当模拟单元的FSQU、MODE均为1时，正弦信号的频率为FSET与FSQU之差，初始相位由FSET确定，幅度由PWM确定，即正弦信号的幅度、频率、初始相位控制单元的相应参数字确定。

本发明可直接产生几个到几十通道的隔离函数信号；每个通道函数信号有直流、正弦、脉冲三种模式；各通道信号的幅度、频率、相位、脉宽参数均可独立设置，幅度高达20V。本发明的有益效果有：

1.本发明所述的一种多通道隔离函数正弦信号发生器，其可编程逻辑器件不使用存储器资源（可以用单片CPLD实现），与微处理器只需4个信号相连；若函数信号通道数N，则可编程逻辑器件只需4N个控制线便可设置所有通道函数信号。数字逻辑系统电路设计表明，单片低成本的CPLD可以驱动几个通道，大容量多引脚封装的FPGA则可驱动几十通道。

2.本发明所述的一种多通道隔离函数信号发生器，通道间正弦信号频率相同时，同步复位后，同频正弦信号的相位差由对应的相位字之差决定。

3.本发明所述的一种多通道隔离函数信号发生器，在若干各通道输出信号串联使用时，可以产生大范围变化的波形信号，可以产生高偏置电压的波形信号，可以形成复杂波形信号，还可以形成谐波信号，信号发生器的技术指标得到很大提升，应用领域更加广泛。

（四）附图说明

图1为本发明的多通道隔离函数发生器结构框图。

图2为实施本发明的24通道隔离函数发生器总体框图。

图3是图2所示的逻辑控制单元原理框图。

图4是图2所示的模拟单元原理框图。

图5为实施本发明的4通道隔离函数发生器总体框图。

（五）具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的两种较佳实施方式。

实施例一：

结合图2，为本发明所述的第一种较佳实施方式。图2为24通道隔离函数信号发生器结构框图，图3为图2所示的控制控制单元的原理框图，图4为图2所示的模拟单元原理框图，各框图的工作原理以及通道信号的多种应用模式可见前面发明内容中的有关论述。

图2中的可编程逻辑器件采用FPGA器件EP2C8Q208；外部晶振时钟频率为40MHz，经锁相环倍频后系统时钟Fsys为280MHz，基频时钟FBAS为140kHz。

在图3中，所示的逻辑控制单元幅度字为16bit、频率字为40Bit、相位字12Bit、脉宽字为10Bit。幅度分辨率为0.01%，正弦信号和脉冲信号的频率可达100kHz、频率分辨率力1mHz，相位分辨率为0.1度，脉宽分辨率为0.1%。

在图4中，正负5V隔离电源由芯片DCH010505D变换产生；控制逻辑单元输出的4个控制逻辑PWM_J、FSQU_J、FSET_J、MODE_J经磁藕芯片ADUM1400（4路高速隔离）隔离变换为模拟单元内部的4个控制逻辑PWM、FSQU、FSET、MODE。产生V2及其反相信号的同相放大器和反相器的运放用采用AD8512以改善脉冲波跳沿质量，其他跟随器、反相器、同相放大器的运放全部由普通四运放实现。模拟单元产生的函数信号幅度变化范围可达正负8V。4个二选一模拟开关由2片74HC4053实现，每个74HC4053各提供2组开关。有源低通滤波器需保证PWM信号的所有谐波分量衰减在80dB以上；2组无源低通滤波器拓扑结构相同，均为9阶椭圆低通滤波器，第一级滤波器的通带频率在150kHz左右，第二级滤波器的通带频率在110kHz左右。

实施例二：

结合图5，为本发明所述的第二种较佳实施方式，工作原理和第一种实施方式一样，只是使用的元器件的参数及函数信号技术指标有所不同。

在图5中，可编程逻辑器件采用CPKD器件EPM570T100；Fsys为外部晶振频率50MHz，Fsys经偶数分频的25kHz基频时钟FBAS。

图5中，所示的控制逻辑单元幅度字为16bit、频率字为36Bit、相位字12Bit、脉宽字为10Bit。幅度分辨率为0.01%，正弦信号和脉冲信号的频率可达20kHz、频率分辨率力1mHz，相位分辨率为0.1度，脉宽分辨率为0.1%。

在图5中，正负15V隔离电源由芯片DCH010515D变换产生；控制逻辑单元输出的4个控制逻辑PWM_J、FSQU_J、FSET_J、MODE_J经磁藕芯片ADUM1400（4路高速隔离）隔离变换为模拟单元内部的4个控制逻辑PWM、FSQU、FSET、MODE。产生V2及其反相信号同相放大器和反相放大器的运放用采用AD8512以改善脉冲波跳沿质量，其他跟随器、反相器、同相放大器的运放全部由普通四运放实现。模拟单元产生的函数信号幅度变化范围可达正负20V。4个二选一模拟开关由1片ADG1334实现。有源低通滤波器需保证PWM信号的所有谐波分量衰减在80dB以上；2组无源低通滤波器拓扑结构相同，均为9阶椭圆低通滤波器，第一级滤波器的通带频率在30kHz左右，第二级滤波器的通带频率在22kHz左右。

以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明精神和原则之内的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于它包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及逻辑控制单元；接口电路分别连接微处理器和逻辑控制单元，时钟发生电路分别连接外部晶振和逻辑控制单元，逻辑控制单元连接模拟单元；逻辑控制单元包括参数设置电路、数控振荡器、相位加法器和幅度字数据比较器、脉冲字数据比较器，参数设置电路分别连接数控振荡器、相位加法器、幅度字数据比较器和脉冲字数据比较器，接口电路、时钟发生电路分别连接数控振荡器，数控振荡器连接相位加法器，相位加法器连接幅度字数据比较器，幅度字数据比较器和相位加法器分别连接二选一数字开关，时钟发生电路连接脉冲字数据比较器，二选一数字开关和脉冲字数据比较器分别连接模拟单元。

2.根据权利要求1所述的一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于所述的接口电路包括微处理器接口单元和锁存器，微处理器连接微处理器接口单元，微处理器接口单元连接锁存器，锁存器连接逻辑控制单元。

3.根据权利要求2所述的一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于所述的时钟发生电路包括数字锁相环倍频单元、偶数分频单元和计数器分频单元，外部晶振连接数字锁相环倍频单元，数字锁相环倍频单元分别连接偶数分频单元和计数器分频单元，偶数分频单元和计数器分频单元分别连接逻辑控制单元；可编程逻辑器件采用CPLD，则无数字锁相环倍频单元，外部晶振直接连接偶数分频单元和二进制计数器分频单元。

4.根据权利要求3所述的一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于所述的模拟单元包括依次连接的隔离单元，第一级二选一模拟开关，有源低通滤波单元，第二级二选一模拟开关，第一级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第三级二选一模拟开关，第二级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第四级二选一模拟开关和同相放大单元，逻辑控制单元连接隔离单元，第四级同相放大单元输出与其反相之差即为最终输出。

5.根据权利要求3所述的一种多通道隔离函数信号发生器的一种多通道隔离函数信号发生方法，其波形发生电路由单片可编程逻辑器件和多路模拟单元构成，可编程逻辑器件内置了接口电路、时钟发生电路、多个逻辑控制单元；模拟单元产生函数信号，模拟单元由隔离DC-DC电源、高速磁耦或光耦芯片、模拟多路开关、运算放大器组成，其特征在于它包括以下步骤：

（1）接口电路将来自微处理器的串行总线转换为内部并行总线BUS，以设置各通道信号幅度、频率、相位、脉宽参数；接口电路还通过锁存器设置各通道复位控制位S_YNC，引入来自微处理器的全局复位SRST信号；

（2）时钟发生电路产生以下三种时钟信号：系统时钟信号Fsys、由Fsys经偶数分频后得到的基频方波信号F_BAS、由Fsys经二进制计数器分频后出来的时钟数组Fout[15..0]；使用FPGA的数字锁相环来提高Fsys频率，就相应提高输出信号的频段；

（3）每个逻辑控制单元输出PWM、FSQU、FSET、MODE逻辑信号；数组Fout[15..0]与幅度字相比较，数据比较器输出即为表征幅度的PWM信号；基频信号FBAS与模式控制位0进行或操作，输出即为FSQU信号；数控振荡器的输入为频率字和相位字，工作时钟为Fsys，复位信号为SRST，数组PH[9..0]与10Bit脉宽字相比较，数据比较器输出即为表征脉冲波逻辑的信号，数组PH[9]表征正弦波逻辑的信号，模式控制位1选择脉冲波逻辑信号或正弦波逻辑信号与模式控制位2进行或操作，其输出即为逻辑FSET信号；模式控制位0也直接输出作为逻辑MODE信号；

（4）每个模拟单元仅受PWM、FSQU、FSET、MODE控制；基准及其反相分别接第一级二选一模拟开关的两个输入，该模拟开关受逻辑PWM信号控制，第一级二选一模拟开关公共端信号经有源低通滤波后得到一个与PWM脉宽相关的直流电压VDC；VDC及其反相分别接第二级二选一模拟开关的两个输入，第二级二选一模拟开关受逻辑FSQU信号控制，第二级二选一模拟开关公共端信号经第二级跟随、无源低通滤波、同相放大后得到信号V0；V0及其反相分别接第三级二选一模拟开关的两个输入，第三级二选一模拟开关受逻辑FSET信号控制，第三级二选一模拟开关公共端信号经第三级跟随、无源低通滤波、同相放大后得到信号V1；V1及其反相接第四级二选一模拟开关的两个输入，第四级二选一模拟开关受逻辑MODE信号控制，第四级二选一模拟开关公共端信号同相放大后得到信号V2，V2及其反相之差作为输出信号OUT；

（5）每路函数信号有三种工作模式：直流、脉冲、正弦，当模拟单元的FSQU、FSET、MODE均为1时，OUT为直流信号，信号幅度由PWM确定，即由控制单元的幅度字设置；当模拟单元的FSQU、MODE均为1时，OUT为脉冲信号，信号的频率、初始相位、脉宽由FSET确定；当模拟单元的FSQU、MODE均为1时，OUT为正弦信号，信号的频率为FSET与FSQU之差，初始相位由FSET确定；

（6）各函数信号均源于系统时钟信号Fsys，由SRST对所有通道复位，通道复位控制字可实现若干路信号复位，实现全部通道或部分通道函数信号同步；当通道间为同频正弦波信号时，该种信号发生器即为一种多相隔离正弦波发生器 。