CN104678343A - 一种波形发生器频响特性校准方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种波形发生器频响特性校准方法及装置，获取待校准波形发生器指定频点频率响应的理想输出幅值和当前时刻频率响应的实际输出幅值，计算该指定频点当前时刻的频率响应误差，如果当前时刻的频率响应误差小于或等于预设阈值，则确定向该指定频点提供的校准数据为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和。由于采取逐次逼近的校准方式获取波形发生器的校准数据，使校准后的实际输出幅值与理想幅值之间的误差收敛在预设阈值范围内，提高了校准精度，继而改善了波形发生器频响特性幅度的平坦度。

Description

一种波形发生器频响特性校准方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及检测源仪器领域，具体涉及一种波形发生器频响特性校准方法、装置及系统。

背景技术

现有的波形发生器的基本组成可以等效成图1所示的框图所示，波形发生器产生信号的基本流程为CPU配置FPGA产生波形数据送给DAC，DAC输出幅度固定的模拟波形信号，再经过乘法器和信号源幅度控制电路(如运放、π型电阻衰减等)对幅度进行调理，得到符合用户设置的波形信号输出。

由于信号通道中采用的模拟器件如运算放大器、乘法器等呈现低通且带内不平坦的频率响应特性(简称频响特性)，导致在输出信号时，幅度会随着输出频率的增大而震荡衰减。所以需要对信号通道的频率响应曲线进行校准补偿，使波形发生器的信号通道获得平坦的幅度输出。

发明内容

本申请提供一种波形发生器频响特性校准方法、装置及系统，以提高波形发生器频响特性幅度的平坦度。

根据第一方面，一种实施例中提供一种波形发生器频响特性校准方法，包括：

理想幅值获取步骤，获取待校准波形发生器指定频点频率响应的理想输出幅值；实际幅值获取步骤，获取该指定频点当前时刻频率响应的实际输出幅值；频响误差计算步骤，根据该指定频点当前时刻的实际输出幅值和理想输出幅值计算该指定频点当前时刻的频率响应误差；判断步骤，判断当前时刻的频率响应误差是否小于或等于预设阈值，如果判断为是，则执行校准数据确定步骤；如果判断为否，则执行补偿步骤；校准数据确定步骤，确定向该指定频点提供的校准数据为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和；补偿步骤，向该指定频点提供当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和作为下一时刻的补偿数据对该指定频点进行补偿；获取下一时刻补偿后频率响应的实际输出幅值，计算下一时刻的频率响应误差，并判断下一时刻的频率响应误差是否小于预设阈值。

根据第二方面，一种实施例中提供一种波形发生器频响特性校准装置，包括：

理想幅值获取模块，用于获取待校准波形发生器指定频点频率响应的理想输出幅值；实际幅值获取模块，用于获取该指定频点当前时刻频率响应的实际输出幅值；频响误差计算模块，用于根据该指定频点当前时刻的实际输出幅值和理想输出幅值计算该指定频点当前时刻的频率响应误差；判断模块，用于判断当前时刻的频率响应误差是否小于或等于预设阈值；校准数据确定模块，用于当判断模块判断为是时，确定向该指定频点提供的校准数据为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和；补偿模块，用于当判断模块判断为否时，向该指定频点提供当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和作为下一时刻的补偿数据对该指定频点进行补偿。

根据第三方面，一种实施例中提供一种波形发生器频响特性校准系统，包括：

功率计，用于与待校准波形发生器信号连接，检测待校准波形发生器指定频点的频率响应的实际输出幅值；上述频响特性校准装置，频响特性校准装置与功率计信号连接，功率计将检测到的频率响应的实际输出幅值输出给频响特性校准装置，频响特性校准装置根据获取的频率响应的实际输出幅值进行相应的处理。

依据上述实施例的波形发生器频响特性校准方法及装置，由于采取逐次逼近的校准方式获取波形发生器的校准数据，使校准后的实际输出幅值与理想幅值之间的误差收敛在预设阈值范围内，提高了校准精度，继而改善了波形发生器频响特性幅度的平坦度。

附图说明

图1为波形发生器的结构原理图；

图2为一种实施例的波形发生器频响特性校准系统结构示意图；

图3a为一例波形发生器频率响应特性输出信号示意图；

图3b为一例波形发生器频率响应特性输出信号校准误差示意图；

图4为本实施例公开的一种波形发生器频响特性校准装置结构示意图；

图5为本实施例公开的一种波形发生器频响特性校准方法流程图；

图6为本实施例公开的一种波形发生器频响特性校准策略示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本申请的方法装置及系统适用于波形发生器，本申请实施例中以任意波形发生器为例进行说明，在其它实施例中，也适用于其它特定的波形发生器，如正弦波、锯齿波发生器等。

请参考图2，为本实施例公开的一种波形发生器频响特性校准系统结构示意图，该系统包括：功率计3和频响特性校准装置1，其中，功率计3用于与待校准波形发生器2信号连接，功率计3检测待校准波形发生器2指定频点f_n的频率响应的实际输出幅值频响特性校准装置1与功率计3信号连接，功率计3将检测到的频率响应的实际输出幅值输出给频响特性校准装置1，频响特性校准装置1根据获取的频率响应的实际输出幅值进行相应的处理。在具体实施例中，频响特性校准装置1根据实际输出幅值处理后得到指定频点f_n的校准数据，并将该校准数据写入待校准的波形发生器2，以实现对波形发生器2指定频点f_n的校准。

请参考图3a，为一例波形发生器频率响应特性输出信号示意图，图3a中，虚线表征理想频率响应曲线，实线为波形发生器实际频率响应特性曲线，通常，波形发生器输出信号在一个标称的固定的频带内，在对频带内各指定频点f₁、f₂、f₃……f_n-2、f_n-1、f_n进行校准时，使用标准测试设备测出各指定频点的实际幅度数据，再根据输入输出关系计算出与各指定频点相对应的实际增益值，即各指定频点的频响误差数据：Δd₁、Δd₂、Δd₃、...、Δd_n-2、Δd_n-1、Δd_n，用该响应误差作为校准数据配置到乘法器，从而实现对各指定频点进行校准补偿，其中，f_n表示频带内第n个指定频点，Δd_n表示频带内第n个指定频点的频响误差。理论上，将这些频响误差数据作为校准数据配置到信号通道的乘法器之后可得到良好的信号平坦度。但是，实际上当使用标准测试设备去测试频响校准数据配置之后的信号通道的输出时，发现校准补偿后的信号通道频率响应曲线仍低于理想频率响应曲线，与期望的响应曲线有较大的偏差，如图3b所示，图3b中，点划线为校准补偿后的信号通道频率响应曲线。导致这种现象的原因有两个：第一、因为频响数据校准补偿的具体操作是根据频响补偿数据，调节增大乘法器的增益，以弥补实际信号通道频率响应曲线到理想频响曲线之间的偏差，由于乘法器的带宽会随着其增益的增加而减小，其频响曲线同时也会随着输出信号幅度的增加陡降更剧烈；第二、由于频响补偿后，乘法器输出到幅度控制电路的信号幅度增大了，导致幅度控制电路中的运算放大器输出信号幅度增大，而运算放大器同样存在随着信号输出幅度增大，频响曲线陡降系数增加的基本特性。基于以上两个原因导致无法使发生器得到良好的幅度平坦度。

为此，本申请实施例针对频响特性校准装置1进行了改进，以提高波形发生器频响特性幅度的平坦度。请参考图4，为本实施例公开的一种波形发生器频响特性校准装置结构示意图，该校准装置包括：理想幅值获取模块11、实际幅值获取模块12、频响误差计算模块13、判断模块14、校准数据确定模块15和补偿模块16，其中，

理想幅值获取模块11用于获取待校准波形发生器指定频点f_n频率响应的理想输出幅值实际幅值获取模块12用于获取该指定频点f_n当前时刻频率响应的实际输出幅值频响误差计算模块13用于根据该指定频点f_n当前时刻的实际输出幅值和理想输出幅值计算该指定频点f_n当前时刻的频率响应误差其中，表示第n个指定频点f_n第i时刻的实际输出幅值；判断模块14用于判断当前时刻的频率响应误差是否小于或等于预设阈值，其中，表示第n个指定频点f_n第i时刻的频率响应误差；校准数据确定模块15用于当判断模块判断为是时，确定向该指定频点f_n提供的校准数据Δd_n为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和；补偿模块16用于当判断模块判断为否时，向该指定频点f_n提供当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和作为下一时刻的补偿数据对该指定频点f_n进行补偿。

在一种具体实施例中，波形发生器频响特性校准装置还包括：指定频点选取模块17，指定频点选取模块17用于根据预设规则在待校准波形发生器的所需频带上选取多个指定频点f_n。

在一种具体实施例中，波形发生器频响特性校准装置还包括：非指定频点校准模块18，非指定频点校准模块18用于根据与该非指定频点相邻的各指定频点f_n的校准数据进行拟合得到该非指定频点的校准数据。

在一种具体实施例中，波形发生器频响特性校准装置还包括：校准数据输出模块19，校准数据输出模块19用于向待校准波形发生器输出指定频点f_n的校准数据Δd_n。

基于上述波形发生器频响特性校准装置，本实施例还公开了一种波形发生器频响特性校准方法，请参考图5，为校准方法的流程图，该校准方法包括如下步骤：

步骤S100，理想幅值获取步骤。获取待校准波形发生器指定频点f_n频率响应的理想输出幅值在具体实施例中，理想输出幅值可以通过系统预设。在波形发生器的校准中，频响特性曲线通常采用正弦波信号，在其它实施例中，也可以将其它信号分解为正弦波信号，或者不分解。本领域技术人员应当理解，在具体实施例中，无论采用何种信号进行校准，不同指定频点f_n所对应的理想输出幅值应当相同。

步骤S200，实际幅值获取步骤。获取该指定频点f_n当前时刻频率响应的实际输出幅值在用户选择一个适当的幅度并触发波形发生器后，波形发生器的信号通道会输出一个频响的实际信号，此时，可以检测获取到指定频点f_n当前时刻频率响应的实际输出幅值

步骤S100和步骤S200的先后执行顺序并不限制。需要说明的是，在非阶跃响应的频响特性中，理想输出幅值和实际输出幅值应当具有对应关系，即第n个指定频点f_n的理想输出幅值和第n个指定频点f_n的实际输出幅值具有一一对应关系。

步骤S300，频响误差计算步骤。根据该指定频点f_n当前时刻的实际输出幅值和理想输出幅值计算该指定频点f_n当前时刻的频率响应误差其中，为当前时刻(如第i时刻)的波形发生器输出的频响特性幅值，为当前时刻(如第i时刻)的波形发生器输出的频响特性误差。在一种具体实施例中，当前时刻的频率响应误差可以采用差值计算：当然，在其它实施例中，也可以采用其它可替换的方式求得，如实际输出幅值和理想输出幅值作差取绝对值。

步骤S400，判断步骤。判断当前时刻的频率响应误差是否小于或等于预设阈值W，如果判断为是，则执行步骤S510；如果判断为否，则执行步骤S520。在具体实施例中，预设阈值W可以根据经验或者精度要求在系统中设置，预设阈值W越小，精度越高。

步骤S510，校准数据确定步骤。确定向该指定频点f_n提供的校准数据Δd_n为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和。具体地，即 $\mathrm{\Δ}{d}_n=\mathrm{\Δ}{d}_n^1+\mathrm{\Δ}{d}_n^2+\mathrm{\Δ}{d}_n^3+...+\mathrm{\Δ}{d}_n^i,$ 其中，为当前时刻(第i时刻)之前时刻的频率响应误差。

步骤S520，补偿步骤。向该指定频点f_n提供当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和作为下一时刻的补偿数据对该指定频点f_n进行补偿。波形发生器在补偿后会继续输出频率响应信号，此时重复执行步骤S200、S300和步骤S400：获取下一时刻补偿后频率响应的实际输出幅值，计算下一时刻的频率响应误差，并判断下一时刻的频率响应误差是否小于预设阈值，根据判断结果执行相应的操作。

需要说明的是，在步骤S400判断为频率响应误差大于预设阈值W时，则将当前时刻的误差与之前时刻的误差叠加补偿到该指定频点f_n，直到波形发生器的频响误差小于或等于预设阈值W时，才确定此时的误差与之前的误差之和为该指定频点f_n的校准数据。

波形发生器输出信号在一个标称的频带内，该频带内分布有众多不同的频率点，一般情况下，并不需要对该频带内的每个频点进行上述的校准，因此，可以选取适当的频点进行校准，在优选的实施例中，在执行步骤S200之前还可以包括：

步骤S600，指定频点选取步骤。请参考图6，可以根据预设规则在待校准波形发生器的所需频带上选取多个指定频点f₁、f₂、f₃……f_n-2、f_n-1、f_n。而后对选取的各个指定频点f_n分别进行校准。在具体实施例中，多个指定频点的选取可以是等分选取，也可以是不等分选取。指定频点的选取数量可以根据需要设置，指定频点的数量越多，精度越高。

在具体实施例中，在得到频带内各指定频点的校准数据之后，还可以根据频带内各指定频点的校准数据对频带内其它的非指定频点进行校准，具体地，可以包括：

步骤S700，非指定频点校准步骤。根据与该非指定频点相邻的各指定频点f_n的校准数据进行拟合得到该非指定频点的校准数据。在一种具体实施例中，可以根据与该非指定频点最临近的指定频点的校准数据进行校准，在另一种实施例中，也可以根据频带内所有的指定频点的校准数据进行校准。其中，拟合的方法可以采用现有的如线性插值的方式等得到该非指定频点的校准数据。需要说明的是，当频带内指定频点选取越密集，则拟合精度越高。

在具体实施例中，得到指定频点的校准数据之后，还可以将校准数据发送给波形发生器，以供波形发生器向乘法器提供校准数据，具体地，还可以包括：

步骤S800，校准数据输出步骤。向待校准波形发生器输出指定频点f_n的校准数据Δd_n。在一种实施例中，可以在获得所有指定频点的校准数据之后再向波形发生器输出各指定频点的校准数据；在另一种实施例中，也可以在每求出一个指定频点f_n的校准数据Δd_n时，便将该指定频点f_n的校准数据Δd_n输出给波形发生器。在其它实施例中，还可以将非指定频点的校准数据输出给波形发生器。

通常，波形发生器中会配置有存储器来存储校准数据，在触发波形发生器中的某一波形时，波形发生器中的CPU会调取相应的校准数据给乘法器，从而实现了对输出信号的校准。

本实施例公开的波形发生器校准方法，通过采取逐次逼近的校准方式获取波形发生器的信号通道的校准数据，使校准后的信号通道增益特性与理想频率响应曲线之间的差值收敛到期望的精度之内，提高了校准精度，继而提高了波形发生器频响特性幅度的平坦度。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘或光盘等。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种波形发生器频响特性校准方法，其特征在于，包括：

理想幅值获取步骤，获取待校准波形发生器指定频点(f_n)频率响应的理想输出幅值

实际幅值获取步骤，获取该指定频点(f_n)当前时刻频率响应的实际输出幅值

频响误差计算步骤，根据该指定频点(f_n)当前时刻的实际输出幅值和理想输出幅值计算该指定频点(f_n)当前时刻的频率响应误差

判断步骤，判断当前时刻的频率响应误差是否小于或等于预设阈值，如果判断为是，则执行校准数据确定步骤；如果判断为否，则执行补偿步骤；

校准数据确定步骤，确定向该指定频点(f_n)提供的校准数据(Δd_n)为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和；

补偿步骤，向该指定频点(f_n)提供当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和作为下一时刻的补偿数据对该指定频点(f_n)进行补偿；获取下一时刻补偿后频率响应的实际输出幅值，计算下一时刻的频率响应误差，并判断下一时刻的频率响应误差是否小于预设阈值。

2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，还包括：

指定频点选取步骤，根据预设规则在待校准波形发生器的所需频带上选取多个指定频点(f_n)；

对选取的各个指定频点(f_n)分别进行校准。

3.如权利要求2所述的校准方法，其特征在于，还包括：

非指定频点校准步骤，根据与该非指定频点相邻的各指定频点(f_n)的校准数据进行拟合得到该非指定频点的校准数据。

4.如权利要求1-3任意一项所述的校准方法，其特征在于，还包括：

校准数据输出步骤，向待校准波形发生器输出指定频点(f_n)的校准数据(Δd_n)。

5.一种波形发生器频响特性校准装置，其特征在于，包括：

理想幅值获取模块，用于获取待校准波形发生器指定频点(f_n)频率响应的理想输出幅值

实际幅值获取模块，用于获取该指定频点(f_n)当前时刻频率响应的实际输出幅值

频响误差计算模块，用于根据该指定频点(f_n)当前时刻的实际输出幅值和理想输出幅值计算该指定频点(f_n)当前时刻的频率响应误差 $\left(\mathrm{\Δ}{d}_n^i\right);$

判断模块，用于判断当前时刻的频率响应误差是否小于或等于预设阈值；

校准数据确定模块，用于当判断模块判断为是时，确定向该指定频点(f_n)提供的校准数据(Δd_n)为当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和；

补偿模块，用于当判断模块判断为否时，向该指定频点(f_n)提供当前时刻及之前时刻的频率响应误差之和作为下一时刻的补偿数据对该指定频点(f_n)进行补偿。

6.如权利要求5所述的校准装置，其特征在于，还包括：

指定频点选取模块，用于根据预设规则在待校准波形发生器的所需频带上选取多个指定频点(f_n)。

7.如权利要求6所述的校准装置，其特征在于，还包括：

非指定频点校准模块，用于根据与该非指定频点相邻的各指定频点(f_n)的校准数据进行拟合得到该非指定频点的校准数据。

8.如权利要求5-7任意一项所述的校准装置，其特征在于，还包括：

校准数据输出模块，用于向待校准波形发生器输出指定频点(f_n)的校准数据(Δd_n)。

9.一种波形发生器频响特性校准系统，包括：功率计，用于与待校准波形发生器信号连接，检测待校准波形发生器指定频点(f_n)的频率响应的实际输出幅值；其特征在于，还包括：

如权利要求5-8任意一项所述的频响特性校准装置，所述频响特性校准装置与所述功率计信号连接，所述功率计将检测到的频率响应的实际输出幅值输出给所述频响特性校准装置，所述频响特性校准装置根据获取的频率响应的实际输出幅值进行相应的处理。