CN207150566U - 谐波信号发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种谐波信号发生器。谐波信号发生器包括控制设备、处理器、译码器和多个波形合成器。控制设备响应于用户的输入操作向处理器发送谐波信号发生指令。处理器根据谐波信号发生指令确定用于生成谐波信号的第一数据，并向译码器发送第一数据和时钟信号。译码器对第一数据进行译码处理，生成第二数据和片选信号，并分别向多个波形合成器发送第二数据和片选信号。多个波形合成器片选信号为选中状态的情况下，根据第二数据和时钟信号生成并输出谐波信号。本实用新型的谐波信号发生器能够输出多路幅度、频率和相位可调节的谐波信号，具有较高的精确度和灵活的输出方式。

Description

谐波信号发生器

技术领域

本实用新型涉及信号发生器技术领域，尤其涉及一种谐波信号发生器。

背景技术

相关技术中，谐波是频率为基波的倍数的辅波或分量的波。基波是正弦波，每个谐波都具有不同的幅度、频率与相位。在高压电力系统的检测领域，常常需要模拟电网谐波的标准信号源对检测设备的性能进行校验，例如高压电力线路的相位检测，避雷器的性能检测，用户电能表的性能校验等。因此，如何产生高质量的谐波信号则至关重要。

实用新型内容

技术问题

有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种谐波信号发生器，实现输出多路幅度、频率和相位可调节的谐波信号。

解决方案

为了解决上述技术问题，根据本实用新型的一实施例，提供了一种谐波信号发生器，包括：

控制设备，与处理器连接，响应于用户的输入操作向所述处理器发送谐波信号发生指令；

处理器，与译码器连接，根据所述谐波信号发生指令确定用于生成所述谐波信号的第一数据，并向所述译码器发送所述第一数据和时钟信号；

译码器，与多个波形合成器连接，接收所述处理器发送的所述第一数据，对所述第一数据进行译码处理，生成第二数据和片选信号，并分别向所述多个波形合成器发送所述第二数据和所述片选信号；

多个波形合成器，分别接收所述译码器发送的所述第二数据和所述片选信号以及所述处理器发送的所述时钟信号，在所述片选信号为选中状态的情况下，根据所述第二数据和所述时钟信号生成并输出所述谐波信号。

在一种可能的实现方式中，所述波形合成器包括：

N位相位累加器，与第一加法器连接，将根据所述第二数据确定的频率控制字进行累加计算，得到第一计算结果，并向所述第一加法器发送所述第一计算结果；

第一加法器，与幅度相位转换电路连接，将所述第一计算结果与根据所述第二数据确定的相位控制字进行加法计算，得到第二计算结果，并向所述幅度相位转换电路发送所述第二计算结果；

幅度相位转换电路，与DA转换器连接，接收所述第一加法器发送的所述第二计算结果，根据所述第二计算结果确定数字波形数据，并向所述DA转换器发送所述数字波形数据；

DA转换器，与低通滤波器连接，接收所述幅度相位转换电路发送的所述数字波形数据，根据所述数字波形数据输出模拟波形数据；

低通滤波器，接收所述DA转换器发送的所述模拟波形数据，对所述模拟波形数据进行滤波处理，输出所述谐波信号。

在一种可能的实现方式中，所述波形合成器还包括：

相位控制字寄存器，与所述第一加法器连接，根据所述第二数据确定相位控制字，并向所述第一加法器发送所述相位控制字；

频率控制字寄存器，与所述N位相位累加器连接，根据所述第二数据确定频率控制字，并向所述N位相位累加器发送所述频率控制字。

在一种可能的实现方式中，所述N位相位累加器包括第二加法器和相位累加寄存器；

所述第二加法器的第一输入端与频率控制字寄存器的输出端连接，所述第二加法器的第二输入端与所述相位累加寄存器的输出端连接，所述第二加法器的输出端与所述相位累加寄存器的输入端连接，所述相位累加寄存器的输出端与所述第一加法器的输入端连接。

在一种可能的实现方式中，所述幅度相位转换电路存储有波形查询表，所述幅度相位转换电路根据所述第二计算结果查询所述波形查询表，得到所述数字波形数据。

在一种可能的实现方式中，所述处理器与所述译码器之间通过光耦合器连接，所述光耦合器将所述第一数据转换成对应的电信号数据进行传输。

在一种可能的实现方式中，所述谐波信号包括A相电压对应的谐波信号、A相电流对应的谐波信号、B相电压对应的谐波信号、B相电流对应的谐波信号、C相电压对应的谐波信号和C相电流对应的谐波信号中的至少一项。

有益效果

本实用新型的谐波信号发生器包括控制设备、处理器、译码器和多个波形合成器。控制设备响应于用户的输入操作向处理器发送谐波信号发生指令。处理器根据谐波信号发生指令确定用于生成谐波信号的第一数据，并向译码器发送第一数据和时钟信号。译码器对第一数据进行译码处理，生成第二数据和片选信号，并分别向多个波形合成器发送第二数据和片选信号。多个波形合成器片选信号为选中状态的情况下，根据第二数据和时钟信号生成并输出谐波信号。本实用新型的谐波信号发生器能够输出多路幅度、频率和相位可调节的谐波信号，具有较高的精确度和灵活的输出方式。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本实用新型的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本实用新型的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本实用新型的原理。

图1示出根据本实用新型一实施例的谐波信号发生器的框图。

图2示出根据本实用新型一实施例的谐波信号发生器的示意图。

图3示出根据本实用新型一实施例的波形合成器的示意图。

图4示出根据本实用新型一实施例的幅度相位转换电路的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本实用新型的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。

图1示出根据本实用新型一实施例的谐波信号发生器的框图。如图1所示，谐波信号发生器包括：控制设备11，与处理器12连接，可以响应于用户的输入操作向处理器12发送谐波信号发生指令；处理器12，与译码器13连接，可以根据谐波信号发生指令确定用于生成谐波信号的第一数据，并向译码器13发送第一数据和时钟信号；译码器13，与多个波形合成器14连接，可以接收处理器12发送的第一数据，对第一数据进行译码处理，生成第二数据和片选信号，并分别向多个波形合成器14发送第二数据和片选信号；多个波形合成器14，分别接收译码器13发送的第二数据和片选信号以及处理器12发送的时钟信号，在片选信号为选中状态的情况下，根据第二数据和时钟信号生成并输出谐波信号。

其中，控制设备11可以为具有输入单元的设备，例如：数字键盘、具有输入键盘(实体、虚拟)的终端设备等。用户可以对控制设备11进行不同的输入操作，以设置谐波信号的幅度、频率和相位等。控制设备11可以响应于用户的输入操作，根据用户设置的幅度、频率和相位生成谐波信号发生指令，并向处理器12发送谐波信号发生指令。

其中，译码器13可以为实现译码功能的多输入多输出组合电路。译码器13的作用是把给定的代码翻译成为相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。在本实施例中，译码器13可以根据来自于处理器12的第一数据输出片选信号。片选信号可以用于选中波形合成器14，被选中的波形合成器14可以生成并输出谐波信号。

图2示出根据本实用新型一实施例的谐波信号发生器的示意图。在一种可能的实现方式中，如图2所示，多个波形合成器14包括：A相电压波形合成器、A相电流波形合成器、B相电压波形合成器、B相电流波形合成器、C相电压波形合成器、C相电流波形合成器。其中，A相电压波形合成器输出模拟A相电压的谐波信号，A相电流波形合成器输出模拟A相电流的谐波信号。对于B相和C相类推于A相，在此不再赘述。六路波形合成器14在10MHz时钟的驱动下生成六路幅度、频率和相位可调节的谐波信号。三路作为三相电压源信号，三路作为三相电流源信号。六路谐波信号的传输过程如下：A相电压-A相电流-B相电压-B相电流-C相电压-C相电流。

图3示出根据本实用新型一实施例的波形合成器的示意图。在一种可能的实现方式中，如图3所示，波形合成器14包括：N位相位累加器141，与第一加法器142连接，将根据第二数据确定的频率控制字进行累加计算，得到第一计算结果，并向第一加法器142发送第一计算结果；第一加法器142，与幅度相位转换电路143连接，将第一计算结果与根据第二数据确定的相位控制字进行加法计算，得到第二计算结果，并向幅度相位转换电路143发送第二计算结果；幅度相位转换电路143，与DA转换器144连接，接收第一加法器142发送的第二计算结果，根据第二计算结果确定数字波形数据，并向DA转换器144发送数字波形数据；DA转换器144，与低通滤波器145连接，接收幅度相位转换电路143发送的数字波形数据，根据数字波形数据输出模拟波形数据；低通滤波器145，接收DA转换器144发送的模拟波形数据，对模拟波形数据进行滤波处理，输出谐波信号。

其中，波形合成器14可以为采用双端口RAM(Random Access Memory，随机存取存贮器)和CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)技术设计而成的DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)。DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生幅度、频率和相位可调节的谐波信号。DDS具有相对带宽宽、频率转换时问短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便、性价比高等特点。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，波形合成器14还包括：相位控制字寄存器146，与第一加法器142连接，根据第二数据确定相位控制字，并向第一加法器142发送相位控制字；频率控制字寄存器147，与N位相位累加器141连接，根据第二数据确定频率控制字，并向N位相位累加器141发送频率控制字。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，N位相位累加器141包括第二加法器1411和相位累加寄存器1412；第二加法器1411的第一输入端与频率控制字寄存器的输出端连接，第二加法器1411的第二输入端与相位累加寄存器1412的输出端连接，第二加法器1411的输出端与相位累加寄存器1412的输入端连接，相位累加寄存器1412的输出端与第一加法器142的输入端连接。

其中，波形合成器14的核心为N位相位累加器141。N位相位累加器141可以是反馈电路，由第二加法器1411和相位累加寄存器1412级联而成，用于对频率控制字进行累加运算。N一般为24～32位。每来一个时钟脉冲fc，第二加法器1411将频率控制字与相位累加寄存器1412输出的累加相位数据相加，并把相加后得到的新累加相位数据传输至相位累加寄存器1412的输入端。一方面，相位累加寄存器1412将上一时钟周期作用后得到的新累加相位数据反馈到第二加法器1411的第二输入端，使第二加法器1411在下一时钟的作用下继续与频率控制字相加。另一方面，相位累加寄存器1412将上一时钟周期作用后得到的新累加相位数据传输至第一加法器142的输入端，以使得新累加相位数据与相位控制字相加，得到第二计算结果。第二计算结果作为取样地址送入幅度相位转换电路143，幅度相位转换电路143根据这个地址输出相应的数字波形数据。数字波形数据经过DA转换器144转换后输出模拟波形数据。模拟波形数据经过低通滤波器145滤波后输出所需要的谐波信号。

图4示出根据本实用新型一实施例的幅度相位转换电路的示意图。如图4所示，幅度相位转换电路143是一个双端口RAM存一个或多个完整周期的波形数据，由处理器12根据用户要求的谐波信号实时计算出用于生成该谐波信号的数据，并通过信号传输卡将数据写入双端口RAM。在时钟fc的驱动下，地址计数器逐一选中RAM的地址，并将地址中的数字波形数据输出到12bit的DA转换器144的输入端。DA转换器144输出的模拟波形数据经过低通滤波器145滤波后输出所需要的谐波信号。

在一种可能的实现方式中，幅度相位转换电路143存储有波形查询表，幅度相位转换电路143根据第二计算结果查询波形查询表，得到数字波形数据。

其中，波形查询表包含一个周期波形的数字幅度信息，每个地址对应波形中0～360范围的一个相位点。相位累加寄存器1412每经过2/M个fc时钟后回到初始状态，相应地波形查询表经过一个循环回到初始位置。波形合成器14输出设定谐波信号，输出的波形周期为T＝fc2/M，输出的频率fout＝Mfc/2。三相电压源之间、三相电压源和三相电流源之间相位在0～360范围内可任意设定。

如图4所示，处理器12首先将DA转换器144的参考电压Vref降到0V，从而DA转换器144的输出为0，处理器12通过PC接口线控制RAM左端口地址线AL，然后通过左端口数据线DL将波形数据传输到RAM中，同时地址计数器在时钟fc的驱动下为RAM右端口地址AR进行变址，相应地址单元中的波形数据经过RAM右端口数据线DR传送到DA转换器144。当处理器12将4096个波形数据传送完毕后将Vref升到所需值即可得到波形信号了。在电路中Vref有六路，实际输出信号的幅度控制由处理器12中的六路16bitDA转换器144完成。

在一种可能的实现方式中，如图3所示，处理器12与译码器13之间通过光耦合器连接，光耦合器将第一数据转换成对应的电信号数据进行传输。

其中，采用光耦合器对PC接口线实现光隔离，脉冲通过率大于2MHz/s。PC接口线形成32bit的PC数据线及六路片选线送至六路波形合成器，以实现对波形合成器的幅度、频率和相位进行自动控制。A、B、C三相控制电路各自输出24条控制线，这24条控制线分别与信号源电路中的PC接口线相连用以完成PHAV～PHCI六路输出信号的频率及各路信号之间的相位控制以及波形数据的传输。

本实用新型实现的目标：相间相位120°±0.005°(或任意设置)；电压/电流间相位0～360°；调节细度±0.00002°，以确保其高精度相位锁定；稳定性(k＝1)优于0.01°；基波频率范围45Hz～65Hz；调节细度±0.01Hz；谐波频率范围12.5Hz—5000Hz；正弦波输出失真度≤0.1％。

处理器12可以通过专用硬件电路实现，也可以通过通用处理硬件(例如CPU、单片机、现场可编程逻辑器件FPGA等)结合可执行逻辑指令实现，以执行处理器12的工作过程，其中，可执行逻辑指令可以基于现有技术手段实现。本实用新型对处理器12的具体实现方式不做限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种谐波信号发生器，其特征在于，包括：

控制设备，与处理器连接，响应于用户的输入操作向所述处理器发送谐波信号发生指令；

处理器，与译码器连接，根据所述谐波信号发生指令确定用于生成所述谐波信号的第一数据，并向所述译码器发送所述第一数据和时钟信号；

译码器，与多个波形合成器连接，接收所述处理器发送的所述第一数据，对所述第一数据进行译码处理，生成第二数据和片选信号，并分别向所述多个波形合成器发送所述第二数据和所述片选信号；

多个波形合成器，分别接收所述译码器发送的所述第二数据和所述片选信号以及所述处理器发送的所述时钟信号，在所述片选信号为选中状态的情况下，根据所述第二数据和所述时钟信号生成并输出所述谐波信号。

2.根据权利要求1所述的谐波信号发生器，其特征在于，所述波形合成器包括：

N位相位累加器，与第一加法器连接，将根据所述第二数据确定的频率控制字进行累加计算，得到第一计算结果，并向所述第一加法器发送所述第一计算结果；

第一加法器，与幅度相位转换电路连接，将所述第一计算结果与根据所述第二数据确定的相位控制字进行加法计算，得到第二计算结果，并向所述幅度相位转换电路发送所述第二计算结果；

幅度相位转换电路，与DA转换器连接，接收所述第一加法器发送的所述第二计算结果，根据所述第二计算结果确定数字波形数据，并向所述DA转换器发送所述数字波形数据；

DA转换器，与低通滤波器连接，接收所述幅度相位转换电路发送的所述数字波形数据，根据所述数字波形数据输出模拟波形数据；

低通滤波器，接收所述DA转换器发送的所述模拟波形数据，对所述模拟波形数据进行滤波处理，输出所述谐波信号。

3.根据权利要求2所述的谐波信号发生器，其特征在于，所述波形合成器还包括：

相位控制字寄存器，与所述第一加法器连接，根据所述第二数据确定相位控制字，并向所述第一加法器发送所述相位控制字；

频率控制字寄存器，与所述N位相位累加器连接，根据所述第二数据确定频率控制字，并向所述N位相位累加器发送所述频率控制字。

4.根据权利要求2所述的谐波信号发生器，其特征在于，所述N位相位累加器包括第二加法器和相位累加寄存器；

所述第二加法器的第一输入端与频率控制字寄存器的输出端连接，所述第二加法器的第二输入端与所述相位累加寄存器的输出端连接，所述第二加法器的输出端与所述相位累加寄存器的输入端连接，所述相位累加寄存器的输出端与所述第一加法器的输入端连接。

5.根据权利要求2所述的谐波信号发生器，其特征在于，所述幅度相位转换电路存储有波形查询表，所述幅度相位转换电路根据所述第二计算结果查询所述波形查询表，得到所述数字波形数据。

6.根据权利要求2所述的谐波信号发生器，其特征在于，所述处理器与所述译码器之间通过光耦合器连接，所述光耦合器将所述第一数据转换成对应的电信号数据进行传输。

7.根据权利要求1所述的谐波信号发生器，其特征在于，所述谐波信号包括A相电压对应的谐波信号、A相电流对应的谐波信号、B相电压对应的谐波信号、B相电流对应的谐波信号、C相电压对应的谐波信号和C相电流对应的谐波信号中的至少一项。