CN111245404A - 产生波形的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种产生波形的装置，包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接，其中，所述阻容电路包括第一电阻器和电容器，所述第一电阻器的第一端连接所述电容器的第一端，所述电容器的第二端接地，所述第一电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的PWM信号。本发明涉及一种产生波形的方法。通过本发明的产生波形的装置和方法，可以以较低的成本实现频率范围宽幅度大形式任意的波形。
Description
技术领域
本发明属于电力电子系统领域，特别是涉及产生波形的装置和方法。
背景技术
目前，产生波形的通常方式包括采用数模转换(DA)模块或数模转换芯片以及采用波形发生器。
然而，采用数模转换模块或数模转换芯片产生波形受数模转换频率的影响，生成波形的频率幅度都比较低，而采用波形发生器生成波形，成本往往比较高。
从而，需要一种新的波形产生方式，能够在较低成本下产生高频率和高幅度的波形。
发明内容
因此，我们提出一种产生波形的装置和方法，使用的最廉价的阻容电路，通过PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)对阻容电路中的电容快速充放电来控制电容两端的电压差来实现任意波形的产生。然后，根据实际需要，再通过波形调整电路将波形放大和/或偏移到理想的幅度。
根据本发明的第一个方面，提供一种产生波形的装置，包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接，其中，所述阻容电路包括第一电阻器和电容器，所述第一电阻器的第一端连接所述电容器的第一端，所述电容器的第二端接地，所述第一电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的PWM信号。
根据本发明的第二个方面，提供一种采用第一方法所述的产生波形的装置产生波形的方法，包括：所述PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述PWM信号；以及将所述PWM信号输入所述阻容电路，使得所述阻容电路的所述电容器的电压变化产生所需产生的波形。
根据本发明的第三个方面，提供一种产生波形的装置，包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接，其中，所述阻容电路包括第一电阻器、电容器和第二电阻器，所述第一电阻器的第一端连接所述电容器的第一端，所述电容器的第二端连接所述第二电阻器的第一端，所述第一电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的第一PWM信号，所述第二电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的第二PWM信号。
根据本发明的第四个方面，提供一种采用第三方面所述的产生波形的装置产生波形的方法，包括：所述PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述第一PWM信号和所述第二PWM信号；以及将所述第一PWM信号和所述第二PWM信号分别输入所述阻容电路，使得所述阻容电路的所述电容器的电压变化产生所需产生的波形。
通过本发明的产生波形的装置和方法，可以以较低的成本实现频率范围宽幅度大形式任意的波形。
附图说明
为进一步清楚解释本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
在下面的附图中：
图1是根据本发明的产生波形的装置的示意图。
图2是根据本发明实施例的阻容电路的结构示意图。
图3是波形调整电路的结构示意图。
图4是根据本发明一个实施例的产生波形的装置的结构示意图。
图5是根据本发明另一个实施例的产生波形的装置的结构示意图。
图6是根据本发明实施例的路对称的PWM信号的示意图。
图7是根据本发明实施例的产生波形的方法的流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
根据本发明的一个方面，提出一种产生波形的装置和方法，使用的最廉价的阻容电路，通过PWM对阻容电路中的电容快速充放电来控制电容两端的电压差来实现任意波形的产生。然后，根据实际需要，再通过波形调整电路将波形放大和/或偏移到理想的幅度。通过本发明的产生波形的装置和方法，可以以较低的成本实现频率范围宽幅度大形式任意的波形。
图1是根据本发明的产生波形的装置的示意图。如图1所示，产生波形的装置包括PWM生成电路和阻容电路，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接。所述PWM信号生成电路所述阻容电路可以是任一能够产生PWM信号的电路，包括单片机、FPGA(Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)、DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、ARM(Advanced RISC Machines，高级精简指令集处理器)、CPU(CentralProcessing Unit，中央处理器)等。所述阻容电路是电阻器和电容器组成的电路，其具体结构如图2所示。这样，通过PWM脉宽调制对电容快速充放电来控制阻容电路的电容其两端的电压差来实现任意波形的产生。
在经PWM生成电路和阻容电路产生的波形往往是所需产生的波形的雏形，根据需要，还需要对这个雏形进行调整。由此，在一个可选的实施例中，如图1所示，产生波形的装置还包括波形调整电路，所述阻容电路与所述波形调整电路连接。该波形调整电路对波形的雏形进行调整，获得所需的波形，该调整通常用于信号放大和幅度的偏移。波形调整电路的具体组成结构如图3所示。
图2是根据本发明实施例的阻容电路的结构示意图。如图2(a)所示，阻容电路包括第一电阻器和电容器，所述第一电阻器的第一端连接所述电容器的第一端，所述电容器的第二端接地。如图2(b)所示，阻容电路包括第一电阻器、电容器和第二电阻器，第一电阻器的第一端连接电容器的第一端，电容器的第二端连接第二电阻器的第一端。在图2(a)和图2(b)中，该第一电阻器的第二端用于输入由PWM信号生成电路生成的PWM信号。在图2(b)中，所述第二电阻器的第二端接地或者用于输入由PWM信号生成电路生成的PWM信号。
需要注意的是图2(a)和图2(b)只是展示了阻容电路的几个具体实现方式，在设计过程中根据需要可以设计其他阻容电路。如图2(c)所示，在图2(b)的基础上，阻容电路还包括两个电感器和另外两个电阻器。
图3是波形调整电路的结构示意图。波形调整电路通常用于信号放大和幅度的偏移，波形调整电路包括跟随电路、放大电路以及偏移电路中的一个或多个，其中，随电路、放大电路以及偏移电路均为运算放大器组成的电路。图3(a)为跟随电路的结构示意图，图3(b)为放大电路的结构示意图，而图3(c)为偏移电路的结构示意图。需要注意的是，图3(a)、图3(b)和图3(c)仅仅是跟随电路、放大单路和偏移电路的一种具体的电路结构，跟随电路、放大单路和偏移电路均可以包括多种其他电路结构，限于篇幅且为了不模糊本发明的发明目的，不再一一例举，但是随电路、放大单路和偏移电路所有其他电路结构都可以用来形成波形调整电路。
从而，根据实际需要，波形调整电路包括跟随电路、放大电路以及偏移电路中的一种或多种，即波形调整电路可以包括跟随电路，波形调整电路可以包括放大电路、波形调整电路可以包括偏移电路、波形调整电路可以包括跟随电路和放大电路、波形调整电路可以包括放大电路和偏移电路、波形调整电路可以包括跟随电路、放大电路和偏移电路。并且，波形调整电路种的跟随电路、放大电路以及偏移电路各自数量可以不至一个。
图4是根据本发明一个实施例的产生波形的装置的结构示意图。如图4(a)所示，产生波形的装置包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，PWM信号生成电路与阻容电路连接。阻容电路包括第一电阻器和电容器，第一电阻器的第一端连接电容器的第一端，电容器的第二端接地，第一电阻器的第二端输入由PWM信号生成电路生成的PWM信号。如图4(b)所示，产生波形的装置包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，PWM信号生成电路与阻容电路连接。阻容电路包括第一电阻器、第二电阻器和电容器，第一电阻器的第一端连接电容器的第一端，电容器的第二端连接第二电阻器的第一端，第一电阻器的第二端输入由PWM信号生成电路生成的PWM信号，第二电阻器的第二端接地。这样，通过PWM信号对阻容电路的电容器快速充放电来控制电容器两端的电压差来实现任意波形的产生。
图5是根据本发明另一个实施例的产生波形的装置的结构示意图。如图5所示，产生波形的装置包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接，其中，阻容电路包括第一电阻器、电容器和第二电阻器，第一电阻器的第一端连接电容器的第一端，电容器的第二端连接所述第二电阻器的第一端，第一电阻器的第二端输入由PWM信号生成电路生成的第一PWM信号，第二电阻器的第二端输入由PWM信号生成电路生成的第二PWM信号。其中，第一PWM信号与第二PWM信号是双路对称的PWM信号。
图6是根据本发明实施例的路对称的PWM信号的示意图。如图6所示，在t1至t2时间段，第一PWM信号是高电平，而第二PWM信号是低电平，而在t2至t3时间段，第一PWM信号是低电平，而第二PWM信号是高电平。也就是说，第一PWM信号与第二PWM信号中，一个为高电平，另一个就为低电平，显示波形上是对称的波形，从而称为双路对称的PWM信号。
在图5中，通过PWM信号对阻容电路的电容器快速充放电来控制电容器两端的电压差来实现任意波形的产生，然而，与图4不同的是，在图5所示阻容电路上施加双路对称的PWM信号，而不是一路PWM信号，可以实现对电容器更为快速的充放电，能够产生更高频率和更宽幅度的波形。
图7是根据本发明实施例的产生波形的方法的流程图。如图7所示，所示方法包括：步骤S701，PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述PWM信号；以及步骤S702，将PWM信号输入阻容电路，使得阻容电路的电容器的电压变化产生所需产生的波形。
下面举一个例子来说明步骤S701。对于波形[1+Sin(t*2*π/T)]/2,t时间计数，T为周期，如果波形频率为1KHz，那么T等于1ms。对这个曲线进行采样，假定采样的时间间隔定为10us即100个10us，那么在一个周期内需要取100次的数值，这个值可以是电压值。对于任意一个数值，可以计算该数值对应的PWM信号的占空比。可以根据如下等式(1)来计算占空比：
y＝Vn/(Vmax-Vmin) (1)
其中，y表示设定时间间隔的占空比，Vn表示设定时间间隔内所需产生的波形在某一时刻的数值，Vmax表示所需产生的波形的最大值，Vmin表示所需产生的波形的最小值。
对于上述波形[1+Sin(t*2*π/T)]/2来说，所需产生的波形的最大值Vmax为1，所需产生的波形的最小值Vmin为0，那么，若在第一个预设时间间隔内采样的数值为0.5，对应的PWM信号占空比为50％；若在第二个预设时间间隔内采样的数值为0.531395，对应的PWM信号占空比为53.1395％；若在第三个预设时间间隔内采样的数值为0.562667，对应的PWM信号占空比为56.2667％，……这样直到遍历一个周期内的100个采样数值，获得一个周期内的100个采样数值对应的PWM信号占空比，PWM信号生成装置根据PWM信号占空比，生成对应的PWM信号。例如，一个采样数值对应的PWM信号占空比为50％，那么，在预设的时间间隔内，PWM信号生成装置产生占空比为50％的PWM信号。
对于规律的波形，可以只记录对一个周期内曲线采样数值对应的PWM信号占空比，对于其他周期就可以重复利用所记录的PWM信号占空比，从而产生对应的PWM信号。
以上是对规律波形，对于非规律的波形也可以采用上述方法，依次遍历非规律暴行的所有的预设的时间间隔，获取每一个预设的时间间隔内对非规律的波形的采样数值，并获取所需产生的波形的最大值和最小值，根据等式(1)计算各个时间间隔对应的占空比，PWM信号生成电路根据占空比生成PWM信号。
另外，对于双路对称的PWM信号，根据上述方法生成一路PWM信号之后，根据二者的对称性，就可以对应生成另一路PWM信号。
通过本发明的产生波形的装置和方法，可以以较低的成本实现频率范围宽幅度大形式任意的波形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种产生波形的装置，包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接，其中，
所述阻容电路包括第一电阻器和电容器，所述第一电阻器的第一端连接所述电容器的第一端，所述电容器的第二端接地，所述第一电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的PWM信号。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述阻容电路还包括第二电阻器，所述电容器的第二端连接所述第二电阻器的第一端，所述第二电阻器的第二端接地。
3.如权利要求1所述的装置，还包括波形调整电路，所述阻容电路与所述波形调整电路连接。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述波形调整电路包括跟随电路、放大电路以及偏移电路中的一种或多种。
5.一种采用权利要求1至4中任一者所述的产生波形的装置产生波形的方法，包括：
所述PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述PWM信号；以及
将所述PWM信号输入所述阻容电路，使得所述阻容电路的所述电容器的电压变化产生所需产生的波形。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述PWM信号包括：
依次遍历预设数量的时间间隔，获取所需产生的波形在每一个时间间隔中某一时刻的数值Vn，并获取所需产生的波形的最大值Vmax以及所需产生的波形的最小值Vmin；
根据所述数值Vn、所述最大值Vmax和所述最小值Vmin，获得每一个时间间隔对应的所述PWM信号的占空比y，其中，y＝Vn/(Vmax-Vmin)；以及
根据所述PWM信号的占空比生成所述PWM信号。
7.一种产生波形的装置，包括PWM信号生成电路和阻容电路，其中，所述PWM信号生成电路与所述阻容电路连接，其中，
所述阻容电路包括第一电阻器、电容器和第二电阻器，所述第一电阻器的第一端连接所述电容器的第一端，所述电容器的第二端连接所述第二电阻器的第一端，所述第一电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的第一PWM信号，所述第二电阻器的第二端输入由所述PWM信号生成电路生成的第二PWM信号。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述第一PWM信号与所述第二PWM信号是双路对称的PWM信号。
9.如权利要求8所述的装置，还包括波形调整电路，所述阻容电路与所述波形调整电路连接。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述波形调整电路包括跟随电路、放大电路以及偏移电路中的一种或多种。
11.一种采用权利要求7至10中任一者所述的产生波形的装置产生波形的方法，包括：
所述PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述第一PWM信号和所述第二PWM信号；以及
将所述第一PWM信号和所述第二PWM信号分别输入所述阻容电路，使得所述阻容电路的所述电容器的电压变化产生所需产生的波形。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述PWM信号生成电路根据所采集的所需产生的波形对应的数值生成所述第一PWM信号和所述第二PWM信号包括：
依次遍历预设数量的时间间隔，获取所需产生的波形在每一个时间间隔中某一时刻的数值Vn，并获取所需产生的波形的最大值Vmax以及所需产生的波形的最小值Vmin；
根据所述数值Vn、所述最大值Vmax和所述最小值Vmin，获得每一个时间间隔对应的所述PWM信号的占空比y，其中，y＝Vn/(Vmax-Vmin)；
根据所述第一PWM信号的占空比，对应获得所述第二PWM信号的占空比；以及
根据所述第一PWM信号的占空比以及所述第二PWM信号的占空比生成所述第一PWM信号和所述第二PWM信号。
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