CN113783552A - 一种三角波信号生成系统 - Google Patents

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李凯
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Abstract

本发明公开了一种三角波信号生成系统，包括：三角波信号发生模块、放大模块、负偏置模块、三角波幅值控制模块和三角波参数测量模块；三角波信号发生模块用于产生周期为Tset和占空比为Dset的三角波信号vtri1(t)；三角波幅值控制模块用于控制输出三角波信号vtri(t)的最小值和最大值分别为0和
Figure DDA0003269171420000011
本发明无需复杂的硬件电路，能具有结构简单和成本低的特点。

Description

一种三角波信号生成系统
技术领域
本发明涉及电子电路领域，特别是一种三角波信号生成系统。
背景技术
三角波信号广泛应用于仪器仪表、数字音频系统、电力电子、雷达及通信等场合，在信号调制应用中具有重要的作用，其性能是调制器的关键指标。
现有三角波信号生成一般有三种：第一种是采用分立元件基于波形变换产生方式，即通过对矩形波进行充放电产生三角波；第二种是基于DDS技术方式，即直接频率合成方式产生；第三种是基于程控方式，即通过控制芯片的DA产生阶梯信号，然后滤除高频信号，得到三角波。然而，现有三角波生成方式，要么采用复杂的硬件电路，要么需要高性能芯片、要么需要复杂的软件算法，都增加的三角波发生器的复杂性和成本。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种三角波信号生成系统。本发明能具有结构简单、成本低和抗干扰能力强的特点。
本发明的技术方案：一种三角波信号生成系统，其特征在于：包括
三角波信号发生模块：其输入分别为三角波信号周期设定值Tset、三角波信号占空比设定值Dset、三角波信号周期测量值Ttri和三角波信号占空比测量值Dtri；用于产生周期为Tset和占空比为Dset的三角波信号vtri1(t)；
放大模块：对三角波信号vtri1(t)进行放大Aamp，得到放大后的三角波信号
Figure BDA0003269171400000021
其中放大倍数Aamp由三角波幅值控制模块的输出确定；
负偏置模块：对三角波信号
Figure BDA0003269171400000022
进行负偏置电压Vbias，得到最终输出三角波信号vtri(t)，其中负偏置量电压Vbias由三角波幅值控制模块确定；
三角波幅值控制模块：其输入分别为三角波信号设定最大值
Figure BDA0003269171400000023
输出三角波信号vtri(t)的最小值
Figure BDA0003269171400000024
和最大值
Figure BDA0003269171400000025
和
Figure BDA0003269171400000026
由三角波参数测量模块给出，其输出分别为负偏置电压Vbias和放大模块的倍数Aamp，用于控制输出三角波信号vtri(t)的最小值和最大值分别为0和
Figure BDA0003269171400000027
三角波参数测量模块：实现对输出三角波信号vtri(t)进行测量，测量参数包括三角波信号周期Ttri、三角波信号占空比Dtri、三角波信号最小值Vmin、三角波信号最大值Vmax；并将测量到的Ttri和Dtri反馈给三角波信号周期和占空比控制模块，Vmin和Vmax反馈给三角波幅值控制模块。
与现有技术相比，具有以下优势：
①本发明无需复杂的硬件电路，能具有结构简单和成本低的特点；
②采用捕获时间的方法计算参数，具有精度高，抗干扰能力强；
③使用的电子元件均为常用普通元件，成本优势明显。
附图说明
图1为三角波信号生成系统结构图；
图2为三角波信号生成电路图；
图3为三角波参数测量原理图。
图4为三角波参数测量算法流程图；
图5为三角波生成算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种三角波信号生成系统，构成如图1所示，包括：三角波信号发生模块、放大模块、负偏置模块、三角波幅值控制模块和三角波参数测量模块。三角波信号发生模块用于产生周期为Tset、占空比为Dset的三角波信号vtri1(t)，其输入分别为：三角波信号周期设定值Tset、三角波信号占空比设定值Dset、三角波信号周期测量值Ttri和三角波信号占空比测量值Dtri；放大模块实现对vtri1(t)进行放大得到
Figure BDA0003269171400000031
满足：
Figure BDA0003269171400000032
其放大倍数Aamp由三角波幅值控制模块的输出确定；负偏置模块实现对
Figure BDA0003269171400000033
进行负偏置运算，得到最终输出三角波信号vtri(t)，满足：
Figure BDA0003269171400000034
其负偏置量Vbias由三角波幅值控制模块确定；三角波幅值控制模块通过算法调节输出放大倍数Aamp和负偏置量Vbias的大小，控制输出三角波vtri(t)的最小值和最大值分别为0和
Figure BDA0003269171400000035
该模块的输入分别为三角波信号设定最大值
Figure BDA0003269171400000036
输出三角波信号vtri(t)的最小值
Figure BDA0003269171400000037
和最大值
Figure BDA0003269171400000038
和
Figure BDA0003269171400000039
由三角波参数测量模块给出；三角波参数测量模块采用捕获时间和几何关系，精确计算出三角波vtri(t)的周期Ttri、占空比Dtri、最小值
Figure BDA0003269171400000041
和最大值
Figure BDA0003269171400000042
并将Ttri和Dtri反馈给三角波信号发生模块，
Figure BDA0003269171400000043
和
Figure BDA0003269171400000044
反馈给三角波幅值控制模块。
三角波信号生成电路图如图2所示，包括：MCU芯片、R1和C1组成的RC电路、低通滤波器1、低通滤波器2、乘法器U1、负偏置电路、比较器CMP1和比较器CMP2。①MCU的PWM信号输出端口PWM1、PWM2和PWM3分别输出三路PWM信号vPWM1、vPWM2和vPWM3。其中：vPWM1通过RC电路变换为三角波信号vtri1(t)，vPWM2通过低通滤波器1变换为放大倍数Aamp，vPWM3通过低通滤波器2变换为偏置量Vbias。MCU的捕获端口capture1和capture2用于捕获比较器CMP1和比较器CMP2输出信号的时间，进而计算出输出三角波vtri(t)的周期Ttri、占空比Dtri、最小值
Figure BDA0003269171400000045
和最大值
Figure BDA0003269171400000046
②RC电路由R1和C1组成充放电控制电路，将vPWM1转化为三角波vtri1(t)，其三角波的线性度可通过调控R1和C1的值实现；③低通滤波器1实现对vPWM2进行平滑低通滤波，获得稳定的直流电压Aamp，满足：Aamp＝D2×Vpwm2。其中：D2为vPWM2的占空比，Vpwm2为vPWM2的电压幅值；④低通滤波器2实现对vPWM3进行平滑低通滤波，获得稳定的直流电压Vbias，满足：Vbias＝D3×Vpwm3。其中：D3为vPWM3的占空比，Vpwm3为vPWM3的电压幅值；④乘法器U1对vtri1(t)放大Aamp，得到信号
Figure BDA0003269171400000047
⑤负偏置电路实现对
Figure BDA0003269171400000048
负偏置运算，得到最终输出三角波信号vtri(t)，满足：
Figure BDA0003269171400000049
负偏置电路由R2、R3、R4、R5和运放OP1组成减法电路，即实现：
Figure BDA00032691714000000410
⑥比较器CMP1的同相端输入为vtri(t)，反相端输入为比较电压Vref1，输出端连接到MCU捕获端口capture1；⑦比较器CMP2的同相端输入为vtri(t)，反相端输入为比较电压Vref2，输出端连接到MCU捕获端口capture2。
图3为三角波参数测量原理图，主要应用了三角波的几何关系。变量说明如下：Vref1和Vref2分别为比较电压基准值；
Figure BDA0003269171400000051
和
Figure BDA0003269171400000052
分别为三角波信号vtri(t)的最小值和最大值，Vdc为vtri(t)的峰峰值，即
Figure BDA0003269171400000053
Tup为vtri(t)上升阶段时间；Tdown为vtri(t)下降阶段时间；Ttri为vtri(t)的周期，满足：Ttri＝Tup+Tdown；
Figure BDA0003269171400000054
为vtri(t)与基准值Vref1比较之后得到的PWM信号，其逻辑关系为：
Figure BDA0003269171400000055
为vtri(t)与基准值Vref2比较之后得到的PWM信号，其逻辑关系为：
Figure BDA0003269171400000056
为
Figure BDA0003269171400000057
的导通时间；
Figure BDA0003269171400000058
为
Figure BDA0003269171400000059
的导通时间；T2为
Figure BDA00032691714000000510
上升沿和
Figure BDA00032691714000000511
上升沿之间的时间间隔；T5为
Figure BDA00032691714000000512
下降沿和
Figure BDA00032691714000000513
下降沿之间的时间间隔。由图3的几何关系可知：
Figure BDA00032691714000000514
Figure BDA00032691714000000515
Figure BDA00032691714000000516
联立(2)、(3)可得：
Figure BDA00032691714000000517
在通过捕获单元获得T2和T5的基础上，计算出λ：
Figure BDA0003269171400000061
又通过捕获单元获得
Figure BDA0003269171400000062
的基础上，并且有：
Figure BDA0003269171400000063
联立(4)、(5)、(6)，并整理可解得T3和T4为：
Figure BDA0003269171400000064
又由(2)可得：
Figure BDA0003269171400000065
所以：
Figure BDA0003269171400000066
由于
Figure BDA0003269171400000067
T2、T5可以通过捕获单元获取，Vref1、Vref2为电路设定参考值，该值已知，所以
Figure BDA0003269171400000068
可以通过公式(9)计算得到。
又因为：
Figure BDA0003269171400000069
因为：
Figure BDA00032691714000000610
所以：
Figure BDA00032691714000000611
由于：
Tup+Tdown＝Ttri (12)
又因为三角波vtri(t)的周期Ttri与
Figure BDA00032691714000000612
的周期相同，因而可以通过捕获
Figure BDA0003269171400000071
的周期获得，即周期Ttri可通过捕获单元获得。所以：
Figure BDA0003269171400000072
联立(5)和(13)，可得：
Figure BDA0003269171400000073
Figure BDA0003269171400000074
由于Ttri、T2、T5可以通过捕获单元获取，所以可以计算出Tup、Tdown。
又因为：
Figure BDA0003269171400000075
所以联立(14)、(16)可得：
Figure BDA0003269171400000076
公式(17)可以求解出三角波vtri(t)的峰峰值Vdc。
由于：
Figure BDA0003269171400000077
联立(9)、(18)，解得：
Figure BDA0003269171400000078
由(9)、(17)、(19)可解得三角波vtri(t)的最大值
Figure BDA0003269171400000079
峰峰值Vdc和最小值
Figure BDA00032691714000000710
由捕获
Figure BDA00032691714000000711
的周期可获得三角波vtri(t)的周期Ttri，由(14)、(15)可获得三角波vtri(t)的上升时间Tup和下降时间Tdown，通过上述公式即可求出三角波vtri(t)的相关参数。
图4为三角波参数测量算法流程图，步骤说明如下：
(1)判断step＝0是否成立？如果是，进入步骤(2)；否则，进入步骤(4)；
(2)判断capture2端口是否出现上升沿？如果是，进入步骤(3)；否则，进入步骤(16)；
(3)定时器T1清零并启动，并且step＝1，进入步骤(16)；
(4)判断step＝1是否成立？如果是，进入步骤(5)；否则，进入步骤(7)；
(5)判断capture1端口是否出现上升沿？如果是，进入步骤(6)；否则，进入步骤(16)；
(6)将T1当前值存入内存T2中，并且step＝2，进入步骤(16)；
(7)判断step＝2是否成立？如果是，进入步骤(8)；否则，进入步骤(10)；
(8)判断capture1端口是否出现下降沿？如果是，进入步骤(9)；否则，进入步骤(16)；
(9)将T1当前值减去T2，其结果存入内存
Figure BDA0003269171400000081
并且step＝3，进入步骤(16)；
(10)判断step＝3是否成立？如果是，进入步骤(11)；否则，进入步骤(13)；
(11)判断capture2端口是否出现下降沿？如果是，进入步骤(12)；否则，进入步骤(16)；
(12)将T1当前值减去T2和
Figure BDA0003269171400000082
结果存入内存T5，并且step＝4，进入步骤(16)；
(13)判断step＝4是否成立？如果是，进入步骤(14)；否则，进入步骤(16)；
(14)判断capture2端口是否出现上升沿？如果是，进入步骤(15)；否则，进入步骤(16)；
(15)将T1当前值存入内存Ttri后，清零T1。接下来执行三角波参数计算获取三角波的占空比Dtri、最小值
Figure BDA0003269171400000091
和最大值
Figure BDA0003269171400000092
并且step＝1，进入步骤(16)；
(16)程序结束；
图5为三角波生成算法流程图，步骤说明如下：
(1)获取三角波vtri(t)的周期Ttri、占空比Dtri、最小值
Figure BDA0003269171400000093
和最大值
Figure BDA0003269171400000094
进入步骤(2)；
(2)计算周期偏差量ΔTtri＝Tset-Ttri和占空比偏差量ΔDtri＝Dset-Dtri，进入步骤(3)；
(3)执行PWM1信号周期和占空比调控算法，进入步骤(4)；
(4)计算
Figure BDA0003269171400000095
进入步骤(5)；
(5)执行PWM2信号占空比调控算法，进入步骤(6)；
(6)计算
Figure BDA0003269171400000096
进入步骤(7)；
(7)执行PWM3信号占空比调控算法，进入步骤(8)；
(8)程序退出。
实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三角波信号生成系统，其特征在于：包括
三角波信号发生模块：其输入分别为三角波信号周期设定值Tset、三角波信号占空比设定值Dset、三角波信号周期测量值Ttri和三角波信号占空比测量值Dtri；用于产生周期为Tset和占空比为Dset的三角波信号vtri1(t)；
放大模块：对三角波信号vtri1(t)进行放大Aamp，得到放大后的三角波信号
Figure FDA0003269171390000011
其中放大倍数Aamp由三角波幅值控制模块的输出确定；
负偏置模块：对三角波信号
Figure FDA0003269171390000012
进行负偏置电压Vbias，得到最终输出三角波信号vtri(t)，其中负偏置量电压Vbias由三角波幅值控制模块确定；
三角波幅值控制模块：其输入分别为三角波信号设定最大值
Figure FDA0003269171390000013
输出三角波信号vtri(t)的最小值
Figure FDA0003269171390000014
和最大值
Figure FDA0003269171390000015
Figure FDA0003269171390000016
和
Figure FDA0003269171390000017
由三角波参数测量模块给出，其输出分别为负偏置电压Vbias和放大模块的倍数Aamp，用于控制输出三角波信号vtri(t)的最小值和最大值分别为0和
Figure FDA0003269171390000018
三角波参数测量模块：实现对输出三角波信号vtri(t)进行测量，测量参数包括三角波信号周期Ttri、三角波信号占空比Dtri、三角波信号最小值Vmin、三角波信号最大值Vmax；并将测量到的Ttri和Dtri反馈给三角波信号周期和占空比控制模块，Vmin和Vmax反馈给三角波幅值控制模块。
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