CN111371434A - 一种任意波形发生器 - Google Patents
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Abstract
一种任意波形发生器，包括：处理器根据设置的交流波形信息生成交流波形数据和频率控制字并输出给直接数字频率合成单元以产生所需频率的数字信号，第一DAC对该数字信号进行数模转换后经低通滤波器滤波，得到交流信号；处理器根据设置的直流偏置信息控制偏置控制单元配置对应的码字给第二DAC，经第二DAC进行数模转换后得到直流偏置信号；最后由叠加模块对得到的交流信号和直流偏置信号进行叠加得到所需的波形信号。由于将交流信号和直流偏置信号分开处理，互不干扰，使得在调节直流偏置时交流波形数据不需要更新，从而能够输出连续的波形信号；而且，由于直流偏置信息只有一个数据信息，使得信号的更新速度较快。
Description
技术领域
本发明涉及测试测量技术领域，具体涉及一种任意波形发生器。
背景技术
任意波形发生器是一种基于直接数字频率合成技术的信号发生设备，可以输出正弦波、方波、锯齿波以及用户编辑的任意波等各种类型的波形信号，这些波形信号可以带有直流偏置。
现有的任意波形发生器的结构框图可以参见图1，在输出波形时，用户通过人机交互界面输入所要输出的波形信号的信息，以输出带直流偏置的正弦波为例，处理器根据正弦波的波形信息生成包含直流偏置的原始波形数据，传输给FPGA(Field－ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)进行处理，处理后的信号输入给DAC(Digital to AnalogConverter，数字模拟转换器)进行数模转换，最后经低通滤波器滤波和放大器放大之后，得到所需的波形信号。任意波形发生器允许用户对交流信号的直流偏置进行调节，在每次调节直流偏置时，处理器都需要重新计算波形数据并刷新FPGA单元的波形数据；而交流信号包含的信息比较丰富，数据量较大，从处理器计算生成波形数据到传输给DAC需要花费一定的时间，这便造成输出信号的中断和不连续，波形信号的更新速度较慢。
发明内容
本申请提供一种任意波形发生器，以解决在调节交流信号的直流偏置时，输出信号不连续且更新速度慢的问题。
一种实施例中提供一种任意波形发生器，包括处理器、直接数字频率合成单元、偏置控制单元、第一DAC、低通滤波器、第二DAC和叠加模块；
所述处理器，用于根据设置的交流波形信息生成交流波形数据和频率控制字，并将所述交流波形数据和所述频率控制字输出给直接数字频率合成单元，根据设置的直流偏置信息控制偏置控制单元配置对应的码字给第二DAC；
所述直接数字频率合成单元用于在采样时钟的作用下根据所述频率控制字和所述交流波形数据输出所需频率的数字信号给第一DAC；
所述第一DAC用于将接收的数字信号转换为模拟信号；
所述低通滤波器用于对第一DAC输出的模拟信号进行低通滤波，得到交流信号；
所述第二DAC用于将偏置控制单元配置的码字转换为模拟信号，得到直流偏置信号；
所述叠加模块用于对所述交流信号和所述直流偏置信号进行叠加，得到所需的波形信号。
依据上述实施例的任意波形发生器，处理器根据设置的交流波形信息生成交流波形数据和频率控制字并输出给直接数字频率合成单元以产生所需频率的数字信号，第一DAC对该数字信号进行数模转换后经低通滤波器滤波，得到交流信号；处理器根据设置的直流偏置信息控制偏置控制单元配置对应的码字给第二DAC，经第二DAC进行数模转换后得到直流偏置信号；最后由叠加模块对得到的交流信号和直流偏置信号进行叠加后得到所需的波形信号。由于将交流信号和直流偏置信号分开处理，互不干扰，使得在调节直流偏置时交流波形数据不需要更新，从而能够输出连续的波形信号；而且，由于直流偏置信息只有一个数据信息，使得信号的更新速度较快。
附图说明
图1为现有的任意波形发生器的结构框图；
图2为本发明实施例的一种任意波形发生器的结构示意图；
图3为本发明实施例中任意波形发生器产生所需的波形信号的过程示意图；
图4为本发明实施例的一种具体的任意波形发生器的结构示意图；
图5为本发明实施例的另一种具体的任意波形发生器的结构示意图；
图6为本发明实施例的又一种具体的任意波形发生器的结构示意图。
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。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
在本发明实施例中，将交流信号和直流偏置信号分开处理。处理器根据设置的交流波形信息生成交流波形数据和频率控制字并输出给直接数字频率合成单元以产生所需频率的数字信号，第一DAC对该数字信号进行数模转换后经低通滤波器滤波，得到交流信号；处理器根据设置的直流偏置信息控制偏置控制单元配置对应的码字给第二DAC，经第二DAC进行数模转换后得到直流偏置信号；最后由叠加模块对得到的交流信号和直流偏置信号进行叠加后得到所需的波形信号。
实施例一：
请参考图2，为本实施例提供的任意波形发生器的结构示意图，该任意波形发生器包括处理器01、直接数字频率合成单元02、偏置控制单元03、第一DAC04、低通滤波器05、第二DAC 06和叠加模块07。
其中，处理器01用于根据设置的交流波形信息生成交流波形数据和频率控制字，并将交流波形数据和频率控制字输出给直接数字频率合成单元02，根据设置的直流偏置信息控制偏置控制单元03配置对应的码字给第二DAC 05。其中的交流波形信息包括波形类型、幅度信息、频率信息和相位信息等基本信息。
具体的，假设直接数字频率合成单元02的位宽为M，系统时钟的频率为fclk，设置的波形频率为f，则处理器01可以根据如下的公式一计算出频率控制字FTW，并将FTW输出给直接数字频率合成单元02，公式一为：
直接数字频率合成单元02用于在采样时钟的作用下根据频率控制字和交流波形数据输出所需频率的数字信号给第一DAC 03。具体的，直接数字频率合成单元02包括相位累加器和波形存储器，直接数字频率合成单元02接收到交流波形数据后，将该交流波形数据存储于波形存储器中，在采样时钟的作用下，相位累加器不断对频率控制字FTW进行累加，用相位累加器输出的数据作为地址在波形存储器中通过查找地址所对应的交流波形数据，得到所需频率的数字信号，然后将该数字信号输出给第一DAC 03。
第一DAC 03用于将接收的数字信号转换为模拟信号，然后将该模拟信号输出给低通滤波器04，由低通滤波器04对第一DAC 03输出的模拟信号进行低通滤波，得到交流信号，然后将该交流信号输出给叠加模块06的第一输入端a。第二DAC 05用于将偏置控制单元03配置的码字转换为模拟信号，得到直流偏置信号，并将该直流偏置信号出给叠加模块06的第二输入端b。
叠加模块06用于对接收到的交流信号和直流偏置信号进行叠加，得到所需的波形信号。
实际应用中，直接数字频率合成单元02和偏置控制单元03可以由FPGA来实现。
基于图2所示的任意波形发生器，参照图3，示出了任意波形发生器产生所需的波形信号的过程，该过程以产生正弦波为例来进行说明。处理器01根据用户设置的交流波形信息生成正弦波数据和频率控制字FTW，将该正弦波数据存入直接数字频率合成单元02的波形存储器中，直接数字频率合成单元02在采样时钟的作用下根据FTW和波形存储器中的正弦波数据产生所需频率的数字信号，图3中的T为产生的数字信号的周期，该周期的倒数即为该数字信号的频率，图3中的P代表该数字信号的相位信息，以此可实现波形的频率和相位。直接数字频率合成单元02然后将产生的该数字信号输给第一DAC 04，由第一DAC 04将数字信号转换成模拟信号输出。第一DAC 04的输出信号中夹杂有很多高频成份，将其输出信号经过低通滤波器05进行平滑滤波，这样可以去除高频杂散信号，提高有用信号的信噪比。经平滑滤波后的信号与第二DAC 05输出的直流偏置信号进行叠加，便可得到所需的波形信号，即得到所需的带有直流偏置的正弦波信号。
本实施例提供的任意波形发生器，将交流信号和直流偏置信号分为两个通道分别进行处理，交流信号和直流偏置信号互不干扰，使得在调节直流偏置时交流波形数据不需要更新，从而能够输出连续的波形信号；而且，由于直流偏置信息只有一个数据信息，在调节直流偏置时使得信号的更新速度较快，用户可以连续、快速地调节直流偏置。
实施例二：
基于实施例一，本实施例提供一种具体的任意波形发生器，其结构示意图参见图4，该任意波形发生器包括处理器01、直接数字频率合成单元02、偏置控制单元03、第一DAC04、低通滤波器05、第二DAC 06、叠加模块07和人机交互装置08。其中，处理器01、直接数字频率合成单元02、偏置控制单元03、第一DAC 04、低通滤波器05、第二DAC 06和叠加模块07可以实现如实施例一所述的功能和作用，具体可参见实施例一。
人机交互装置08与处理器01连接，用于显示波形配置界面，检测用户在该波形配置界面中的配置操作，其中的波形配置界面中包括用于配置交流波形信息和直流偏置信息的菜单，其中的交流波形信息包括波形的类型、幅度、频率和相位等基本信息，波形类型可以包括正弦波、方波、锯齿波等。一种实施例中，可以在波形配置界面中提供用于配置交流波形信息的菜单，在任意波形发生器的面板上提供用于配置直流偏置信息的旋钮，用户可以在波形配置界面中设置交流波形信息，然后通过旋转该旋钮设置和调节直流偏置信号。
叠加模块07包括第一输入端a、第二输入端b、信号输出端c、第一电阻R1和第二电阻R2，第一输入端a与低通滤波器05的输出端连接，第二输入端b与第二DAC 06的输出端连接，第一电阻R1连接在第一输入端a和信号输出端c之间，第二电阻R2连接在第二输入端b和信号输出端c之间。假设输入到第一输入端a的电压为Va，输入到第二输入端b的电压为Vb，信号输出端c输出的电压为Vc，则基于电路的叠加定理可得信号输出端c输出的电压Vc＝R1/(R1+R2)*Vb+R2/(R1+R2)*Va。对于叠加模块07，Va和Vb可以看作是两个独立源，根据戴维南等效定理可知，叠加模块07的输出阻抗为R1//R2(即R1并联R2的等效阻抗)，对于任意波形发生器，一般要求输出阻抗为50Ω，在一种实施例中，例如，R1可以采用64Ω的电阻，R2可以采用228Ω的电阻，此时有Vc＝64/(64+228)*Vb+228/(64+228)*Va，输出阻抗为64//228＝50Ω。
对于任意波形发生器，其需要输出频率很高的交流信号，因此，必须采用高速的DAC实现数字信号到模拟信号的转换，而DAC的速度与DAC的精度和温度稳定度特性成反比的关系，即DAC的转换速率越高，其直流精度和温度稳定度的性能越差。考虑到该原因，在本发明中，任意波形发生器采用交流信号通道与直流偏置信号通道分开设计的方案，将交流信号和直流偏置信号分开来处理，两者之间互不影响，这样便可以根据系统指标要求单独设计直流偏置信号通道和交流信号通道。为了满足任意波形发生器能够输出较高频率的交流信号的要求，第一DAC 04可以选用高速DAC；为了实现精确的直流偏置，第二DAC 06可以选用高精度DAC，选用的高精度DAC可以具有较好的温度稳定度。如此可以实现精确的直流偏置，提高了直流偏置的精度。
本实施例提供的任意波形发生器，一方面，用户可以通过人机交互装置配置所要输出的波形信号的类型、频率、幅度、相位和直流偏置等信息，交流信号和直流偏置信号被分为两个通道分别进行处理，两者之间互不干扰，使得在调节直流偏置时交流波形数据不需要更新，从而能够输出连续的波形信号，且在调节直流偏置时信号的更新速度较快。另一方面，交流信号通道采用高速DAC，可以满足任意波形发生器能够输出较高频率的交流信号的要求；直流偏置信号通道采用高精度DAC，可以实现精确的直流偏置，提高了直流偏置的精度；如此，用户可以连续、快速地调节直流偏置，且输出信号的精度较高。
实施例三：
基于实施例二，本实施例提供另一种具体的任意波形发生器，其结构示意图参见图5，与实施例二不同的是，本实施例的任意波形发生器还包括第一运算放大器091和第二运算放大器092。其中，第一运算放大器091连接在第二DAC06的输出端和叠加模块07的第二输入端b之间，用于对第二DAC 06输出的直流偏置信号进行放大处理。第二运算放大器092连接在低通滤波器05的输出端和叠加模块07的第一输入端a之间，用于对低通滤波器05输出的交流信号进行放大处理。
由于交流信号通道的第一DAC 04和直流偏置信号通道的第二DAC 06的输出电阻都比较大，在低通滤波器05的后面连接一个第二运算放大器092，在第二DAC 06的输出端连接一个第一运算放大器091，可以起到缓冲和阻抗变换的作用，更利于驱动后面的电路。
实际应用中，第一运算放大器091可以采用高精度宽电压的运算放大器，这样便可以满足直流偏置的高精度要求。任意波形发生器一般需要输出较高频率的交流信号，为了满足该需求，第二运算放大器092可以采用高速运算放大器。
如实施例二中的举例，在叠加模块07中，R1可以采用64Ω的电阻，R2可以采用228Ω的电阻，则输出阻抗为64//228＝50Ω，可以满足任意波形发生器输出阻抗为50Ω的要求，这时有Vc＝64/(64+228)*Vb+228/(64+228)*Va。对于直流偏置信号通道，第二DAC 06输出的直流偏置信号经过叠加模块07之后会存在1-64/(64+228)＝78％的衰减，但该衰减量可以通过第一运算放大器091的供电电压来弥补。
本实施例提供的任意波形发生器，一方面，用户可以通过人机交互装置配置所要输出的波形信号的类型、频率、幅度、相位和直流偏置等信息，交流信号和直流偏置信号被分为两个通道分别进行处理，两者之间互不干扰，使得在调节直流偏置时交流波形数据不需要更新，从而能够输出连续的波形信号，且在调节直流偏置时信号的更新速度较快。另一方面，交流信号通道可以采用高速DAC和高速运算放大器，能够满足任意波形发生器能够输出较高频率的交流信号的要求，同时，通过高速运算放大器起到缓冲和阻抗变换的作用，更利于驱动后面的电路；直流偏置信号通道可以采用高精度DAC和高精度宽电压的运算放大器，能够实现精确的直流偏置，提高了直流偏置的精度，同时通过高精度宽电压的运算放大器起到缓冲和阻抗变换的作用，更利于驱动后面的电路；而且，在直流偏置信号通道中，可以通过第一运算放大器的供电电压来弥补直流偏置信号经过叠加模块之后的衰减量。如此，用户可以连续、快速地调节直流偏置，且输出信号的精度较高。
实施例四：
基于实施例三，本实施例提供又一种具体的任意波形发生器，其结构示意图参见图6，与实施例三不同的是，本实施例的任意波形发生器还包括衰减器00和切换开关K，切换开关K连接在低通滤波器05的输出端和第二运算放大器092的输入端之间，衰减器00包括输入端和输出端，衰减器00的输入端与低通滤波器05的输出端连接，衰减器00的输出端通过切换开关K与第二运算放大器092的输入端连接。一种实施例中，切换开关K包括固定端d、第一切换端e1和第二切换端e2，固定端d与第二运算放大器092的输入端连接，第一切换端e1与衰减器00的输出端连接，第二切换端e2与低通滤波器05的输出端连接；固定端d与第二切换端e2构成切换开关K的第一通道，固定端d与第一切换端e1构成切换开关K的第二通道。
处理器01除具有实施例三的功能外，还用于在判断用户通过人家交互装置08配置的交流波形的幅度大于预设幅度值时，控制切换开关切K换至第一通道，以将低通滤波器05的输出端与第二运算放大器092的输入端接通；处理器01在判断用户配置的交流波形的幅度小于或等于预设幅度值时，控制切换开关K切换至第二通道，以将衰减器00的输出端与第二运算放大器092的输入端接通。这样，在输出小幅度波形信号时接通衰减器00，在输出大幅度波形信号时选择直通，以得到所需幅度的波形信号，可以根据输出波形的幅度要求选择是否经过衰减器00。
实际应用中，衰减器00比如可以是π型电阻衰减网络或T型衰减网络等。
本实施例提供的任意波形发生器，可以实现如实施例三所述的有益效果，而且可以根据输出波形的幅度要求选择是否经过衰减器，以对交流波形信号的幅度进行选择调整，得到任意所需幅度的波形信号。
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 (10)
1.一种任意波形发生器，其特征在于，包括处理器、直接数字频率合成单元、偏置控制单元、第一DAC、低通滤波器、第二DAC和叠加模块；
所述处理器用于根据设置的交流波形信息生成交流波形数据和频率控制字，并将所述交流波形数据和所述频率控制字输出给直接数字频率合成单元，根据设置的直流偏置信息控制偏置控制单元配置对应的码字给第二DAC；
所述直接数字频率合成单元用于在采样时钟的作用下根据所述频率控制字和所述交流波形数据输出所需频率的数字信号给第一DAC；
所述第一DAC用于将接收的数字信号转换为模拟信号；
所述低通滤波器用于对第一DAC输出的模拟信号进行低通滤波，得到交流信号；
所述第二DAC用于将偏置控制单元配置的码字转换为模拟信号，得到直流偏置信号；
所述叠加模块用于对所述交流信号和所述直流偏置信号进行叠加，得到所需的波形信号。
2.如权利要求1所述的任意波形发生器，其特征在于，所述叠加模块包括第一输入端、第二输入端、信号输出端、第一电阻和第二电阻；
所述第一输入端与低通滤波器的输出端连接，所述第二输入端与第二DAC的输出端连接；
所述第一电阻连接在所述第一输入端和所述信号输出端之间；
所述第二电阻连接在所述第二输入端和所述信号输出端之间。
3.如权利要求2所述的任意波形发生器，其特征在于，所述第二DAC的输出端和所述第二输入端之间还连接有第一运算放大器；
所述第一运算放大器用于对第二DAC输出的直流偏置信号进行放大处理。
4.如权利要求3所述的任意波形发生器，其特征在于，所述第一运算放大器为高精度宽电压的运算放大器。
5.如权利要求2所述的任意波形发生器，其特征在于，所述低通滤波器的输出端和所述第一输入端之间还连接有第二运算放大器；
所述第二运算放大器用于对低通滤波器输出的交流信号进行放大处理。
6.如权利要求5所述的任意波形发生器，其特征在于，所述第二运算放大器为高速运算放大器。
7.如权利要求5所述的任意波形发生器，其特征在于，还包括衰减器和切换开关；
所述切换开关连接在低通滤波器的输出端和第二运算放大器的输入端之间；
所述衰减器包括输入端和输出端，其输入端与低通滤波器的输出端连接，其输出端通过切换开关与第二运算放大器的输入端连接；
所述交流波形信息中包括波形的幅度，所述处理器还用于在判断所述幅度大于预设幅度值时，控制所述切换开关切换至第一通道，以将低通滤波器的输出端与第二运算放大器的输入端接通；所述处理器在判断所述波形幅度小于或等于预设幅度值时，控制所述切换开关切换至第二通道，以将衰减器的输出端与第二运算放大器的输入端接通。
8.如权利要求1所述的任意波形发生器，其特征在于，所述第一DAC为高速DAC，所述第二DAC为高精度DAC。
9.如权利要求1所述的任意波形发生器，其特征在于，还包括与所述处理器连接的人机交互装置；
所述人机交互装置用于显示波形配置界面，检测用户在所述波形配置界面中的配置操作，所述波形配置界面中包括用于配置交流波形信息和直流偏置信息的菜单。
10.如权利要求1所述的任意波形发生器，其特征在于，所述交流波形信息包括波形的类型、幅度、频率和相位。
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