CN116048189B - 任意波形产生电路、方法以及任意波形发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意波形产生电路、方法以及任意波形发生器，任意波形产生电路包括：信号生成子电路，用于生成模拟信号；输出接口；信号调理子电路，包括全差分放大器，信号调理子电路通过全差分放大器对模拟信号进行放大处理，全差分放大器的第一输出端和第二输出端分别与输出接口的第一输入端和第二输入端连接，以通过输出接口输出放大后的模拟信号。由此，该任意波形产生电路，能够实现高性能的信号输出。

Description

任意波形产生电路、方法以及任意波形发生器

技术领域

本发明涉及波形发生器技术领域，具体涉及一种任意波形产生电路、方法以及任意波形发生器。

背景技术

随着现代电子测量、雷达、量子计算等技术的发展，业界对任意波形发生器的性能需求越来越高，特别是对输出信号的模拟带宽、信号幅度、波形纯度等要求越来越苛刻。

相关技术中，任意波形发生器中的DAC（Digital to Analog Converter，数字模拟转换器）通常为差分电流输出。但是，相关技术输出的信号存在着带宽低、失真严重、无法输出直流信号等问题，无法实现高性能的信号输出。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种任意波形产生电路。该任意波形产生电路，能够进行高性能的信号输出。

本发明的第二个目的在于提出一种任意波形发生器。

本发明的第三个目的在于提出一种任意波形产生方法。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种任意波形产生电路，所述电路包括：信号生成子电路，用于生成模拟信号；输出接口；信号调理子电路，包括全差分放大器，所述信号调理子电路通过所述全差分放大器对所述模拟信号进行放大处理，所述全差分放大器的第一输出端和第二输出端分别与所述输出接口的第一输入端和第二输入端连接，以通过所述输出接口输出放大后的所述模拟信号。

根据本发明实施例的任意波形产生电路，其中，信号生成子电路，用于生成模拟信号；输出接口；信号调理子电路，包括全差分放大器，信号调理子电路通过全差分放大器对模拟信号进行放大处理，全差分放大器的第一输出端和第二输出端分别与输出接口的第一输入端和第二输入端连接，以通过输出接口输出放大后的模拟信号。由此，该任意波形产生电路，通过全差分放大器的双端输出均直接与输出接口连接，能够在充分利用全差分放大器的输出电压摆幅、高带宽及低失真性能的前提下，实现更高的输出电压摆幅，且能够输出直流信号。

另外，根据本发明上述实施例提出的任意波形产生电路，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述全差分放大器的接地端所接的地与所述输出接口的外接设备所接的地不同。

在本发明的一个实施例中，所述信号生成子电路，包括：第一直流电流源，所述第一直流电流源的正极和所述全差分放大器的正输入端连接，所述第一直流电流源的负极接地；第二直流电流源，所述第二直流电流源的正极和所述全差分放大器的负输入端连接，所述第二直流电流源的负极接地；交流电流源，所述交流电流源的正极和所述第二直流电流源的正极连接，所述交流电流源的负极和所述第一直流电流源的正极连接。

在本发明的一个实施例中，所述信号生成子电路，还包括：第一电阻，所述第一电阻的一端和所述第一直流电流源的正极连接，所述第一电阻的另一端接地；第二电阻，所述第二电阻的一端和所述第二直流电流源的正极连接，所述第二电阻的另一端和所述第一电阻的另一端连接。

在本发明的一个实施例中，所述信号调理子电路，还包括：第三直流电流源，所述第三直流电流源的正极和所述输出接口的第一输入端连接，所述第三直流电流源的负极接地，所述第三直流电流源用于为所述输出接口外接的设备提供非零共模电压。

在本发明的一个实施例中，所述信号调理子电路，还包括：第三电阻，所述第三电阻的一端和所述全差分放大器的第一输出端连接，所述第三电阻的另一端和所述输出接口的第一输入端连接；第四电阻，所述第四电阻的一端和所述全差分放大器的第二输出端连接，所述第四电阻的另一端和所述输出接口的第二输入端连接并接地。

在本发明的一个实施例中，所述输出接口为射频接口。

为了实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种任意波形发生器，包括：任意波形产生电路；控制器，用于在接收到指令后，根据指令控制所述任意波形产生电路中的信号生成子电路生成对应的模拟信号。

根据本发明实施例的任意波形发生器，包括任意波形产生电路和控制器，控制器用于在接收到指令后，根据指令控制任意波形产生电路中的信号生成子电路生成对应的模拟信号。由此，通过该任意波形产生电路，能够在充分利用全差分放大器的输出电压摆幅、高带宽及低失真性能的前提下，实现更高的输出电压摆幅，且能够输出直流信号。

另外，根据本发明上述实施例提出的任意波形发生器，还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述控制器，为现场可编程门阵列。

为了实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种任意波形产生方法，所述方法用于任意波形发生器，所述方法包括：获取待生成波形的波形参数；根据所述波形参数向所述任意波形发生器中的控制器发送控制指令，以使所述控制器控制所述任意波形发生器中的任意波形产生电路产生对应的波形。

根据本发明实施例的任意波形产生方法，首先获取待生成波形的波形参数；根据波形参数向任意波形发生器中的控制器发送控制指令，以使控制器控制任意波形发生器中的任意波形产生电路产生对应的波形。由此，通过该任意波形产生方法，能够在充分利用全差分放大器的输出电压摆幅、高带宽及低失真性能的前提下，实现更高的输出电压摆幅，且能够输出直流信号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是任意波形发生器的结构示意图；

图2是一种DAC输出等效电路的电路图；

图3是一种任意波形产生电路的电路图；

图4是另一种任意波形产生电路的电路图；

图5是本发明一个实施例的任意波形产生电路的结构示意图；

图6是本发明一个示例的任意波形产生电路的电路图；

图7是本发明一个示例的任意波形产生电路的工作示意图；

图8是本发明一个实施例的任意波形产生电路的电路图；

图9是本发明另一个示例的任意波形产生电路的工作示意图；

图10是本发明一个示例的任意波形产生电路的电路图；

图11是本发明另一个示例的任意波形产生电路的电路图；

图12是本发明一个实施例的任意波形发生器的结构框图；

图13是本发明一个实施例的任意波形产生方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

任意波形发生器的通用结构可参照图1，将待生成波形的波形参数输入至高速DAC，高速DAC生成模拟信号至高速信号调理电路，其中，高速DAC通常采用差分电流输出，输出等效电路可参照图2，高速信号调理电路通常采用全差分放大器对模拟信号进行放大处理，输出共模电压调节通过全差分放大器的输出共模调节接口完成，全差分放大器包括如图所示的1管脚、2管脚、3管脚、4管脚、5管脚、6管脚、8管脚共七个管脚，输出模拟信号的差分到单端转换通常采用以下三种方案：

方案一、参照图3，使用差分转单端运算放大器，可以实现直流电输出，能够充分利用全差分放大器的输出电压摆幅，但是带宽较低，高频谐波失真严重，不能充分利用全差分放大器的高带宽和低失真性能。

方案二、参照图4，可以充分利用全差分放大器的输出摆幅、带宽及低失真性能，但是不能输出直流信号。

因而，本发明提出了一种任意波形产生电路、方法以及任意波形发生器。

下面参考附图描述本发明的实施例的任意波形产生电路、方法以及任意波形发生器。

图5是本发明一个实施例的任意波形产生电路的结构示意图。

如图5所示，任意波形产生电路100包括信号生成子电路10、信号调理子电路20和输出接口30。

具体地，信号生成子电路10用于生成模拟信号；信号调理子电路20包括全差分放大器21，信号调理子电路20通过全差分放大器21对模拟信号进行放大处理，全差分放大器21的第一输出端和第二输出端分别与输出接口30的第一输入端和第二输入端连接，以通过输出接口30输出放大后的模拟信号。

如图6所示，全差分放大器21包括电阻RG、RF，还包括电源V1，全差分放大器21的第一输入端电压、第二输入端电压、第一输出端电压、第二输出端电压分别记为Vinn、Vinp、Voutp、Voutn，且Vinn=-Vinp，Voutn=-Voutp，则差分输出电压Voutdiff=Voutp-Voutn=2Voutp，所以，差分输出电压幅度是任何一个单端输出电压的两倍。具体的电压可以参见图7。

而且，假设将全差分放大器21的第一输出端电压Voutp和第二输出端电压Voutn分别用下式表示：Voutp=G×Vinn+k2×

+k3×/>

+...+kn×/>

，Voutn=G×Vinn+k2×/>

+k3×/>

+ ...+kn×/>

。

此时，结合Vinn=-Vinp，可以得到：Voutp=G×(-Vinp)+k2×（-

+ k3×（-

+ ...+kn×（-/>

，结合Voutdiff=Voutp-Voutn，可以得到：Voutdiff=-2G×Vinp-2k3×/>

-...-2/>

kn×/>

。

可见，全差分放大器21的任何一个单端输出端包含输入信号的所有阶次谐波失真分量，由于电路的对称性，差分输出电压中只有输入电压的奇次谐波失真分量，偶次谐波失真分量因共模抑制被消除了，所以全差分放大器21的差模输出失真性能要优于单端输出，且差模输出电压摆幅是单端输出的两倍。

由此，通过全差分放大器21的双端输出均直接与输出接口30连接，可以充分利用全差分放大器21的优势，降低失真，同时可以提高输出电压摆幅，且能够输出直流信号，输出带宽宽。

图8是本发明一个示例的任意波形产生电路的电路图。

如图8所示，信号生成子电路10包括：第一直流电流源DC1、第二直流电流源DC2、交流电流源AC、第一电阻R1和第二电阻R2。

具体地，第一直流电流源DC1的正极和全差分放大器21的正输入端连接，第一直流电流源DC1的负极接地；第二直流电流源DC2的正极和全差分放大器21的负输入端连接，第二直流电流源DC2的负极接地；交流电流源AC的正极和第二直流电流源DC2的正极连接，交流电流源AC的负极和第一直流电流源DC1的正极连接；第一电阻R1的一端和第一直流电流源DC1的正极连接，第一电阻R1的另一端接地；第二电阻R2的一端和第二直流电流源DC2的正极连接，第二电阻R2的另一端和第一电阻R1的另一端连接。

在本发明的一些实施例中，信号调理子电路20，还包括：第三电阻R3、第四电阻R4和第三直流电流源DC3。具体地，第三电阻R3的一端和全差分放大器21的第一输出端连接，第三电阻R3的另一端和输出接口30的第一输入端连接；第四电阻R4的一端和全差分放大器21的第二输出端连接，第四电阻R4的另一端和输出接口30的第二输入端连接并接地；第三直流电流源DC3的正极和输出接口30的第一输入端连接，第三直流电流源DC3的负极接地，第三直流电流源DC3用于为输出接口30外接的设备提供非零共模电压，将共模电压变为大于或小于0V，可参照图9。

由此，采用电流源方式调节输出共模，由于电流源输出阻抗为高阻，不影响输出电路的交流特性和阻抗匹配，另外，在相同的电源电压下，使用电流源调节输出共模可以得到更大的共模调节范围。

在本发明的一些实施例中，输出接口30可为射频接口。

在本发明的一些实施例中，全差分放大器21的接地端VOCM所接的地与输出接口30的外接设备所接的地不同。由此，通过浮地配置，提升了信号调理子电路20对外接设备的驱动能力，改善了驱动信号的谐波失真性能。

下面结合图10与图11所示的示例进行详细说明。

需要说明的是，在图10和图11中，均将输出接口30的外接设备等效为负载RL，阻抗可以为纯电阻，也可为复阻抗。

其中，图10为第三直流电流源DC3的具体实现方式，输出直流偏置调节采用和负载RL共地的电流源调节，包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14。

V3为低速DAC，由V3产生0-5V电压，V3输出的电压在经过第一运算放大器U1、第二运算放大器U2的调整后，分别到达第三运算放大器U3的正输入端和第四运算放大器U4的正输入端，从而使得第三运算放大器U3和第四运算放大器U4可以根据其正负输入端的信号进行相应的信号输出，使第一调整管Q1和第二调整管Q2的导通情况根据V3的输出电压发生变化，得到两个互补输出电流源Ip、In，且Ip+In为恒定值Ioffsetmax，Ip从0A变到最大值时，In从最大值变化到0A，反之亦然，直流电流源Ioffset=Ip-In，对应的电压Voffset=Ioffset×(

)。

进一步地，参见图11，假设当V3产生0V电压时，两个互补输出电流源Ip和In分别为0A和66mA，Ioffset=Ip-In=-66mA，Voffset=Ioffset×(

)=-1.65V（相对负载GND），当V3产生5V电压时，两个互补输出电流源Ip和In分别为66mA和0A，Ioffset=Ip-In=66mA，Voffset=Ioffset×(/>

)=1.65V（相对负载GND），此时，当V3产生的电压在0~5V间变化时，Voffset会在-1.65~+1.65V之间变化。恒定值Ioffsetmax根据所需要实现的输出共模电压Voffsetmax确定，|Voffsetmax|=|Ioffsetmax|×(/>

)。

在该示例中，VDD、VCC1、VEE、VREF为与负载RL共地的隔离电源，与任意波形产生电路100的电源VCC、VSS不共地。电缆的特性阻抗与全差分放大器21的差分输出阻抗相等，R3、R4为全差分放大器21片内输出电阻与片外串联电阻之和，电缆特性阻抗要等于R3与R4之和，当全差分放大器21输出阻抗等于电缆特性阻抗，同样也等于负载电阻RL时，电阻达到最佳匹配。

在本发明的一些实施例中，上述第三直流电流源DC3也可选择其他可能的实现方式，若选择类似上述图10中的实现方式，则需要保证Ip+In等于恒定值Ioffsetmax。

综上，本发明实施例的任意波形产生电路，包括：信号生成子电路，用于生成模拟信号；输出接口；信号调理子电路，包括全差分放大器，信号调理子电路通过全差分放大器对模拟信号进行放大处理，全差分放大器的第一输出端和第二输出端分别与输出接口的第一输入端和第二输入端连接，以通过输出接口输出放大后的模拟信号。由此，通过该任意波形产生电路，通过全差分放大器的双端输出均直接与输出接口连接，能够在充分利用全差分放大器的输出电压摆幅、高带宽及低失真性能的前提下，实现更高的输出电压摆幅，且能够输出直流信号。

进一步地，本发明提出了一种任意波形发生器。

图12是本发明一个实施例的任意波形发生器的结构框图。

如图12所示，任意波形发生器1000包括任意波形产生电路100和控制器200。

具体地，控制器200用于在接收到指令后，根据指令控制任意波形产生电路100中的信号生成子电路生成对应的模拟信号。

在本发明的一些实施例中，控制器200为FPGA（Filed Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）。

本发明实施例的任意波形发生器，包括任意波形产生电路和控制器，控制器200用于在接收到指令后，根据指令控制任意波形产生电路中的信号生成子电路生成对应的模拟信号。由此，通过该任意波形产生电路，能够在充分利用全差分放大器的输出电压摆幅、高带宽及低失真性能的前提下，实现更高的输出电压摆幅，且能够输出直流信号。

进一步地，本发明提出一种任意波形产生方法。

图13是本发明一个实施例的任意波形产生方法的流程图。

如图13所示，本发明实施例的任意波形产生方法包括以下步骤：

S101，获取待生成波形的波形参数。

S102，根据波形参数向任意波形发生器中的控制器发送控制指令，以使控制器控制任意波形发生器中的任意波形产生电路产生对应的波形。

以图8和图12为例，通过FPGA产生数字波形，获取待生成波形的波形参数，根据波形参数向上述任意波形发生器1000中的控制器200发送控制指令，从而通过控制器控制任意波形产生电路100产生对应的模拟波形，具体而言，控制信号生成子电路10生成模拟波形，将模拟信号经过全差分放大器21进行放大处理，并通过输出接口30输出放大后的模拟信号。

本发明实施例的任意波形产生方法，首先获取待生成波形的波形参数，根据波形参数向任意波形发生器中的控制器发送控制指令，以使控制器控制任意波形发生器中的任意波形产生电路产生对应的波形。由此，该任意波形产生方法，能够在充分利用全差分放大器的输出电压摆幅、高带宽及低失真性能的前提下，实现更高的输出电压摆幅，且能够输出直流信号。

需要说明的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本说明书的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种任意波形产生电路，其特征在于，所述电路包括：

信号生成子电路，用于生成模拟信号；

输出接口；

信号调理子电路，包括全差分放大器，所述信号调理子电路通过所述全差分放大器对所述模拟信号进行放大处理，所述全差分放大器的第一输出端和第二输出端分别与所述输出接口的第一输入端和第二输入端连接，以通过所述输出接口输出放大后的所述模拟信号；

所述全差分放大器的接地端所接的地与所述输出接口的外接设备所接的地不同；

所述信号调理子电路，还包括：

第三直流电流源，所述第三直流电流源的正极和所述输出接口的第一输入端连接，所述第三直流电流源的负极接地，所述第三直流电流源用于为所述输出接口外接的设备提供非零共模电压；

所述信号调理子电路，还包括：

第三电阻，所述第三电阻的一端和所述全差分放大器的第一输出端连接，所述第三电阻的另一端和所述输出接口的第一输入端连接；

第四电阻，所述第四电阻的一端和所述全差分放大器的第二输出端连接，所述第四电阻的另一端和所述输出接口的第二输入端连接并接地。

2.根据权利要求1所述的任意波形产生电路，其特征在于，所述信号生成子电路，包括：

第一直流电流源，所述第一直流电流源的正极和所述全差分放大器的正输入端连接，所述第一直流电流源的负极接地；

第二直流电流源，所述第二直流电流源的正极和所述全差分放大器的负输入端连接，所述第二直流电流源的负极接地；

交流电流源，所述交流电流源的正极和所述第二直流电流源的正极连接，所述交流电流源的负极和所述第一直流电流源的正极连接。

3.根据权利要求2所述的任意波形产生电路，其特征在于，所述信号生成子电路，还包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端和所述第一直流电流源的正极连接，所述第一电阻的另一端接地；

第二电阻，所述第二电阻的一端和所述第二直流电流源的正极连接，所述第二电阻的另一端和所述第一电阻的另一端连接。

4.根据权利要求1所述的任意波形产生电路，其特征在于，所述输出接口为射频接口。

5.一种任意波形发生器，其特征在于，包括：

根据权利要求1-4中任一项所述的任意波形产生电路；

控制器，用于在接收到指令后，根据指令控制所述任意波形产生电路中的信号生成子电路生成对应的模拟信号。

6.根据权利要求5所述的任意波形发生器，其特征在于，所述控制器，为现场可编程门阵列。

7.一种任意波形产生方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求5-6中任一项所述的任意波形发生器，所述方法包括：

获取待生成波形的波形参数；

根据所述波形参数向所述任意波形发生器中的控制器发送控制指令，以使所述控制器控制所述任意波形发生器中的任意波形产生电路产生对应的波形。

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