CN104065360B - 一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器，包括PWM发生电路和与其连接的带通滤波器，PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构和C语言或汇编语言编程实现，带通滤波器采用标准压控电压源二阶带通滤波电路。具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构包括占空因素寄存器1，缓冲器2，比较器3，定时器4，比较器5，周期寄存器6，RS触发器7，输出控制器8。带通滤波器包括低通滤波器电阻R₁和电容C₁；高通滤波器电容C₂和电阻R₂；反馈电阻R₃，同相比例运算电路电阻R_x和电阻R_f，运算放大器N₁。本发明的近正弦载波发生器能够宽温应用，且频率稳定可控产生的近正弦波能够成为数字调制系统中的受调载波。

Description

一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种载波发生器，具体涉及一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器。

背景技术

在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便于产生及接收。通常，作为载波的正弦信号都采用波形发生器产生。但是，对于高温应用环境(比如125℃)来说，目前没有能满足要求的纯硬件正弦发生器，而只有可编程波形发生器，这种器件虽然功能强大，但都需要与微处理器配合，且控制接口关系复杂，实现成本较高。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种能够宽温应用，且频率稳定可控的近正弦载波发生器。原理上讲，在数字调制系统中受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输就可以了。当选择正弦信号作为载波时，其失真度参数并没有特别的要求。因此，近正弦信号在数字调制系统中能够成为受调载波。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器，包括PWM发生电路和与其连接的带通滤波器，所述PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构通过编程实现，所述带通滤波器采用压控电压源二阶带通滤波电路。

进一步地，具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构包括：占空因素寄存器1，缓冲器2，比较器3，定时器4，比较器5，周期寄存器6，RS触发器7，输出控制器8。采用的编程语言是C语言或汇编语言。

进一步地，PWM波形有两个重要参数，周期和占空因素，所述宽温单片机内部结构中：缓冲器2从占空因素寄存器1中取出占空因素数据，与定时器4计数相比较，当二者相等时，比较器3输出复位信号到RS触发器R端；周期寄存器的周期数据，与定时器4计数比较，当二者相等时，比较器5输出置位信号到RS触发器S端；RS触发器根据R、S端的输入信号输出相应的PWM信号进入输出控制器8；输出控制器8再根据相应的指令确定是否输出PWM波形。

进一步地，所述带通滤波器包括低通滤波器电阻R₁和电容C₁，高通滤波器电容C₂和电阻R₂，反馈电阻R₃，同相比例运算电路电阻R_x和电阻R_f，运算放大器N₁。

进一步地，在所述带通滤波器的压控电压源二阶带通滤波器中，取C₁＝C₂＝C，A_f＝1+R_f/R_x，其传递函数为：

$A_u\left(s\right)=\frac{\frac{A_f}{R_{1}C}s}{s^2+\frac{1}{C}(\frac{2}{R_3}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}(1-A_f))+s\frac{1}{R_3{C}^2}(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})},$ 其中s为复变量，

设定R₁＝R₂＝R，R₃＝2R，其传递函数简化为 $A_u\left(s\right)=A_f\·\frac{\mathrm{RCs}}{{\left(\mathrm{RCs}\right)}^2+(3-A_f)\mathrm{RCs}+1}.$

令中心频率 $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}},$ 得到下限截止频率 $f_{p1}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}-(3-A_f)],$ 上限截止频率 $f_{p2}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}+(3-A_f)].$

因此，通频带f_bw＝f_p2-f_p1＝(3-A_f)f₀，通带放大倍数其中Q是品质因素， $Q=\frac{f_0}{f_{\mathrm{bw}}}.$

一种采用上述近正弦载波发生器生成近正弦载波的方法，其步骤包括：

1)通过PWM发生电路输出PWM波形，所述PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构通过编程实现；

2)输出的PWM波形经过压控电压源二阶带通滤波电路，转换成中心频率f₀不变，在通频带f_bw内有一定频率叠加且正负电压对称的近正弦波。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

对于高温应用环境(如125℃)，目前没有能满足要求的纯硬件正弦发生器，而只有可编程波形发生器，需要与微处理器配合，且控制接口关系复杂，实现成本较高。本发明的近正弦载波发生器电路实现简单，频率稳定可控，成本低廉，所产生的近正弦信号完全能够成为数字调制系统中的受调载波，应用广泛。

附图说明

图1是本发明的宽温应用且频率稳定可控的近正弦发生器电路的原理图。

图2是单片机输出PWM波形与带通滤波器输出近正弦载波波形示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本实施例提供的一种能够宽温应用，且频率稳定可控的近正弦发生器电路，其原理图如图1所示。具体实施方式为PWM发生电路和一级带通滤波器相结合。PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构和C语言编程实现，带通滤波器采用标准压控电压源二阶带通滤波电路。

如图1所示，具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构包括占空因素寄存器1，缓冲器2，比较器3，定时器4，比较器5，周期寄存器6，RS触发器7，输出控制器8。缓冲器2从占空因素寄存器1中取出占空因素数据，与定时器4计数相比较，当二者相等时，比较器3输出复位信号到RS触发器R端；周期寄存器的周期数据，与定时器4计数比较，当二者相等时，比较器5输出置位信号到RS触发器S端；RS触发器根据R、S端的输入信号输出相应的PWM信号进入输出控制器8；输出控制器8再根据相应的指令确定是否输出PWM波形。

如图1所示，带通滤波器包括低通滤波器电阻R₁和电容C₁；高通滤波器电容C₂和电阻R₂；反馈电阻R₃，同相比例运算电路电阻R_x和电阻R_f，运算放大器N₁。

参见图1宽温单片机PWM输出部分，C语言编程要完成如下几步：

(1)写周期寄存器6以设定PWM周期；

(2)写占空因素寄存器1以设定PWM占空因数0.5；

(3)通过配置输出控制器8以设定PWM引脚为输出状态；

(4)配置定时器的前分频值，并通过向定时器控制寄存器写入来使能相应的定时器；

(5)设定相应模块工作在PWM方式。

参见图1带通滤波器部分，取C₁＝C₂＝C，A_f＝1+R_f/R_x，其传递函数为：

$A_u\left(s\right)=\frac{\frac{A_f}{R_{1}C}s}{s^2+\frac{1}{C}(\frac{2}{R_3}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}(1-A_f))+s\frac{1}{R_3{C}^2}(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})},$ 其中s为复变量，

设定R₁＝R₂＝R，R₃＝2R，其传递函数简化为 $A_u\left(s\right)=A_f\·\frac{\mathrm{RCs}}{{\left(\mathrm{RCs}\right)}^2+(3-A_f)\mathrm{RCs}+1}.$

令中心频率 $f_0=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}},$ 得到下限截止频率 $f_{p1}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}-(3-A_f)],$ 上限截止频率 $f_{p2}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}+(3-A_f)].$

因此，通频带f_bw＝f_p2-f_p1＝(3-A_f)f₀，通带放大倍数其中Q是品质因素， $Q=\frac{f_0}{f_{\mathrm{bw}}}.$

在设定以上参数时，必须注意以下几个问题：

1)运算放大器的正V_dd、负电源V_ss的值在一定裕度内必须对称，即|V_dd|＝|V_ss|；

2)运算放大器的转换速率必须大于2倍频率与正负电源模和值的乘积，即

3)通带放大倍数A_p与PWM幅值U_PWM乘积必须小于等于运算放大器能够输出的正电压V_xx和负电压V_yy模的和值，即A_p·U_PWM≤(V_xx+|V_yy|)；

4)结合2)、3)的参数，设置尽可能大的品质因素Q。

其中，步骤1)～步骤3)是必须要满足的条件，步骤4)是优选措施。

参见图2，通过以上实施方法，单片机引脚输出具有固定频率f₀，占空比为50％，幅度为0～U_pwm的方波经过压控电压源二阶带通滤波电路后，转换成中心频率f₀不变，在通频带f_bw内，有一定频率叠加且正负电压对称的近正弦波，能够成为数字调制系统中的受调载波。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (8)

1.一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器，其特征在于，包括PWM发生电路和与其连接的带通滤波器，所述PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构通过编程实现，所述带通滤波器采用压控电压源二阶带通滤波电路；所述宽温单片机内部结构包括：占空因素寄存器(1)，缓冲器(2)，比较器(3)，定时器(4)，比较器(5)，周期寄存器(6)，RS触发器(7)，输出控制器(8)；缓冲器(2)从占空因素寄存器(1)中取出占空因素数据，与定时器(4)计数相比较，当二者相等时，比较器(3)输出复位信号到RS触发器R端；周期寄存器的周期数据，与定时器(4)计数比较，当二者相等时，比较器(5)输出置位信号到RS触发器S端；RS触发器根据R、S端的输入信号输出相应的PWM信号进入输出控制器(8)；输出控制器(8)再根据相应的指令确定是否输出PWM波形。

2.如权利要求1所述的近正弦载波发生器，其特征在于：所述宽温单片机采用的编程语言是C语言或汇编语言。

3.如权利要求1所述的近正弦载波发生器，其特征在于：所述带通滤波器包括低通滤波器电阻R₁和电容C₁，高通滤波器电容C₂和电阻R₂，反馈电阻R₃，同相比例运算电路电阻R_x和电阻R_f，运算放大器N₁。

4.如权利要求3所述的近正弦载波发生器，其特征在于：所述带通滤波器的压控电压源二阶带通滤波器中，取C₁＝C₂＝C，A_f＝1+R_f/R_x，其传递函数为：

其中s为复变量。

5.如权利要求4所述的近正弦载波发生器，其特征在于：设定R₁＝R₂＝R，R₃＝2R，将所述传递函数简化为

6.如权利要求5所述的近正弦载波发生器，其特征在于：令中心频率则下限截止频率上限截止频率通频带f_bw＝f_p2-f_p1＝(3-A_f)f₀，通带放大倍数其中Q是品质因素，

7.如权利要求6所述的近正弦载波发生器，其特征在于，各装置设定的参数满足以下条件：

1)运算放大器的正V_dd、负电源V_ss的值在一定裕度内对称，即|V_dd|＝|V_ss|；

2)运算放大器的转换速率大于2倍频率与正负电源模和值的乘积，即SR＞2f·(|V_dd|+|V_SS)；

3)通带放大倍数A_p与PWM幅值U_PWM乘积小于等于运算放大器能够输出的正电压V_xx和负电压V_yy模的和值，即A_p·U_PWM≤(V_xx+|V_yy|)；

4)结合步骤2)和3)的参数，设置尽可能大的品质因素Q。

8.一种采用权利要求1所述近正弦载波发生器生成近正弦载波的方法，其步骤包括：

1)通过PWM发生电路输出PWM波形，所述PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构通过编程实现；

2)输出的PWM波形经过压控电压源二阶带通滤波电路，转换成中心频率f₀不变，在通频带f_bw内有一定频率叠加且正负电压对称的近正弦波。