CN210665829U - 一种任意波形输出的直流电压源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种任意波形输出的直流电压源，包括上位机、信号传输与转换模块、量程控制模块和输出接口；上位机用于设置并输出任意波形参数，上位机的输出端连接信号传输与转换模块的输入端；信号传输与转换模块的输出端连接量程控制模块的输入端，量程控制模块的输出端连接输出接口，输出接口用于输出设定的波形。本技术方案不仅能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，操作方便，并且输出波形质量高，响应速度快，抗干扰能力强，结构简单。

Description

一种任意波形输出的直流电压源

技术领域

本实用新型涉及波形发生装置领域，具体的涉及一种任意波形输出的直流电压源。

背景技术

随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对信号发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形。任意波形发生装置在航天通信、激光测量及地质勘探等领域有广泛应用。

传统的任意波形发生装置大多为频率合成技术，通过不同频率的混频、相位锁定等得到某种特定的波形，存在波形输出质量不高，结构复杂，响应时间长等不足。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单、波形输出质量高，响应时间短的任意波形输出的直流电压源。

本实用新型采用的技术方案是：

一种任意波形输出的直流电压源，包括：上位机、信号传输与转换模块、量程控制模块和输出接口；

所述上位机用于设置并输出任意波形参数，上位机的输出端连接信号传输与转换模块的输入端；信号传输与转换模块的输出端连接量程控制模块的输入端，量程控制模块的输出端连接输出接口，所述输出接口用于输出设定的波形。

进一步的，所述信号传输与转换模块包括TCP网络接口、TCP网络控制器、单片机、用于供电的电源模块、D/A转换单元和量程变换电路，所述TCP网络接口用于连接上位机，所述TCP网络接口通过TCP网络控制器与单片机相连，所述单片机通过D/A转换单元与量程变换电路相连，所述单片机用于读取上位机输出的单周期标准波的波形数据中每个点所对应的幅值信息和位置信息，并将每个点所对应的幅值信息和位置信息发送至D/A转换单元，所述量程变换电路的输出端与量程控制模块输入端相连。

进一步的，所述信号传输与转换模块还包括时钟模块、复位模块，所述时钟模块、复位模块分别连接单片机。

进一步的，所述单片机的型号为STC89C52。

进一步的，所述量程控制模块包括可调放大电路和输出滤波单元，所述可调放大电路的输入端连接信号传输与转换模块的输出端，所述可调放大电路的输入端连接输出滤波单元的输入端，所述输出滤波单元的输出端连接输出接口。

进一步的，所述可调放大电路由线性电源和放大电路组成。

进一步的，所述输出接口采用电流规格为10A的电流接线柱。

本实用新型的有益效果在于：

本技术方案通过上位机可以自行设定输出的波形参数，通过信号传输与转换模块将数字信号转化为模拟信号，然后通过量程控制模块将模拟信号放大和滤波，最后通过输出接口输出设定好的波形，以达到输出任意波形的目的，不仅能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，操作方便，并且输出波形质量高，响应速度快，抗干扰能力强，结构简单。

附图说明

图1为本实用新型一种任意波形输出装置结构框图；

图2为本实用新型的上位机波形数据输出种类的原理流程图；

图3为本实用新型的信号传输与转换模块的结构框图；

图4为本实用新型的放大输出模块中可调放大电路的电路图；

图5为本实用新型的放大输出模块中输出滤波电路的电路图；

图6为本实用新型的操作流程图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

如图1所示为本实用新型的一种任意波形输出的直流电压源，包括：上位机1、信号传输与转换模块2、量程控制模块3和输出接口4；

所述上位机1用于设置并输出任意波形参数，上位机1的输出端连接信号传输与转换模块2的输入端；信号传输与转换模块2的输出端连接量程控制模块3的输入端，量程控制模块3的输出端连接输出接口4，所述输出接口4用于输出设定的波形。

信号传输与转换模块2用于接收上位机1发送的单周期标准波的波形数据，并根据单周期标准波的波形数据，获得该标准波中所有点的数据信息，所有点的数据信息包括每个点所对应的幅值信息和每个点所对应的位置信息，量程控制模块3用于对接收的多周期标准波进行缓冲及滤波后，输出合成波形。

如图3所示，信号传输与转换模块2包括TCP网络接口21、TCP网络控制器22、单片机23、用于供电的电源模块24、时钟模块25、复位模块26、D/A转换单元27和量程变换电路28，TCP网络接口21用于接收上位机1发送的单周期标准波的波形数据，并将接收的单周期标准波的波形数据通过TCP网络控制器22发送至单片机23，所述单片机用于读取上位机1输出的单周期标准波，根据接收单周期标准波中每个点所对应的幅值信息、位置信息以及接收的延时信号，对单周期标准波进行延时和叠加，形成多周期标准波后发送给D/A转换单元27，单片机23通过D/A转换单元27与量程变换电路28相连，量程变换电路28的作用是将单片机的输出电压区间由0～3.3V变为±10V。量程变换电路28的运放电路功能为先加-1.65v的偏置，再放大6.06倍，所述量程变换电路28的输出端与量程控制模块3输入端相连。

优选的，本实施例中单片机23的型号为STC89C52，D/A转换单元27的型号为DAC0832，具有转换速率快，波形精度高的优点。

如图2和图6所示，上位机1通过Matlab软件设置任意某种波形、也可以通过上位机内置的波形数据设置方波/正弦波/三角波、还可以通过输入实验采集数据设置实验采集波形，波形数据由网口遵循TCP/IP协议传输到信号传输与转换模块2中，在信号传输与转换模块2收到波形发生的指令时，把存储的数据写入到单片机中，芯片生成的数字信号经过D/A转换单元生27成两路差分的模拟信号，并进入到量程控制模块3。实际应用时，可以利用上位机通过以太网通信，设置下位机接收的波形、偏置电压的大小，使用便利，操作简单。通过网口可实现仪器的组网，可扩展更多带有网口的设备进行工作，优选的，TCP网络控制器22的型号为W5500。

量程控制模块3包括可调放大电路31和输出滤波单元32，所述可调放大电路31的输入端连接信号传输与转换模块2的输出端，所述可调放大电路31的输入端连接输出滤波单元32的输入端，所述输出滤波单元32的输出端连接输出接口4。

可调放大电路31由线性电源和放大电路组成，当输入电压为0～5V时输出电压为0～100V。此电路放大倍数可调，且输出稳定。

如图4所示，可调放大电路31包括电阻R1、电阻R2、滑动变阻器R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、超低失调电压运算放大器U1，场效应管Q1、场效应管Q2。电阻R5一端连接信号输入端，另一端连接超低失调电压运算放大器U1的反相输入端；超低失调电压运算放大器U1的正相输入端连接电阻R4的一端和滑动变阻器R3的一端；滑动变阻器R3的另一端接地，电阻R4的另一端连接信号输出端；超低失调电压运算放大器U1的输出端连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接场效应管Q1的输出端和场效应管Q2的一端；场效应管Q2的另一端连接电阻R2的一端，场效应管Q2的输出端连接电阻R2的另一端并接地；电容C2的一端接地，另一端接信号输出端；电容C1一端连接场效应管Q1的一端，另一端接信号输出端；电阻R1一端连接场效应管Q1的一端，另一端接信号输出端；线性电源并联于电容C1两端。

通过超低失调电压运算放大器U1可以克服器件的耐压要求，以调整场效应管Q1的源极输出作为参考地,输入电压的负端作为超低失调电压运算放大器U1的输出端。超低失调电压运算放大器U1采用外接正负5V的双电源供电,其反相输入端通过电阻R5连接电源地,同相输入端(为虚地)通过电阻连接输入控制信号Vin和放大器的输出端Vout,此时运算放大器输出端的电位很低。电路中的有源器件只有场效应管Q1的漏源极之间接入了高电压,因此场效应管Q1的型号优选为IRF840，可选耐500V高压。超低失调电压运算放大器U1的型号为OP77,因为工作在低压状态，而不需复杂的高压保护措施。为了实现放大器输出电流的控制,采用了场效应管Q2和电阻R2构成的限流电路,用以保护场效应管Q1的安全。可调放大电路31通过改变滑动变阻器的电阻数改变放大倍数，当输入电压为0～5V时输出电压为0～100V。

如图5所示，输出滤波电路32包括：放大器U21、放大器U22、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26和电容C27，如图所示：电阻R21的一端作为滤波电路的调节信号输入端，电阻R21的另一端同时连接电阻R22的一端、电容C21的一端和电容C22的一端，电阻R22的另一端同时连接电容C23的一端和放大器U21的正向输入端，放大器U21的反向输入端同时连接放大器U21的输出端、电阻R23的一端、电容C21的另一端和电容C22的另一端，放大器U21的负极供电端子通过电容C24连接电源负极，电容C24的另一端连接电源地，放大器U21的正极供电端子连接电源正极，电阻R23的另一端同时连接电阻R24的一端、电容C25的一端和电容C26的一端，电阻R24的另一端时连接电容C27的一端和放大器U22的正向输入端，电容C27的另一端接电源地，放大器U22的反向输入端同时连接电容C25的另一端和电容C26的另一端，放大器U22的输出端作为滤波电路的信号输出端。

本实施例中输出滤波电路32为两级四阶有源低通滤波器，去除了信号高次谐波的噪声，采用两级串联的形式，相互匹配之后，可以滤除前一级中残余的信号分量，此电路具有良好的滤波效果，提高了信号输出的质量，避免对负载造成干扰，完成了输出任意波形的功能。

本实施例中输出接口4采用的是10A的电流接线柱，具有快速连接和分离，耐高温、可靠性高等特点，适用于大电流电源。

综上所述，本实施例通过上位机1可以自行设定输出的波形参数，通过信号传输与转换模块2将数字信号转化为模拟信号，然后通过量程控制模块3将模拟信号放大和滤波，最后通过输出接口4输出设定好的波形，以达到输出任意波形的目的，不仅能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，操作方便，并且输出波形质量高，响应速度快，抗干扰能力强，结构简单。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种任意波形输出的直流电压源，其特征在于，包括：上位机(1)、信号传输与转换模块(2)、量程控制模块(3)和输出接口(4)；

所述上位机(1)用于设置并输出任意波形参数，上位机(1)的输出端连接信号传输与转换模块(2)的输入端；信号传输与转换模块(2)的输出端连接量程控制模块(3)的输入端，量程控制模块(3)的输出端连接输出接口(4)，所述输出接口(4)用于输出合成波形。

2.根据权利要求1所述的任意波形输出的直流电压源，其特征在于：所述信号传输与转换模块(2)包括TCP网络接口(21)、TCP网络控制器(22)、单片机(23)、用于供电的电源模块(24)、D/A转换单元(27)和量程变换电路(28)，所述TCP网络接口(21)用于连接上位机，所述TCP网络接口(21)通过TCP网络控制器(22)与单片机(23)相连，所述单片机(23)通过D/A转换单元(27)与量程变换电路(28)相连，所述单片机用于读取上位机(1)输出的单周期标准波的波形数据中每个点所对应的幅值信息和位置信息，并将每个点所对应的幅值信息和位置信息发送至D/A转换单元，所述量程变换电路(28)的输出端与量程控制模块(3)输入端相连。

3.根据权利要求2所述的任意波形输出的直流电压源，其特征在于：所述信号传输与转换模块(2)还包括时钟模块(25)、复位模块(26)，所述时钟模块(25)、复位模块(26)分别连接单片机(23)。

4.根据权利要求2所述的任意波形输出的直流电压源，其特征在于：所述单片机(23)的型号为STC89C52。

5.根据权利要求1所述的任意波形输出的直流电压源，其特征在于：所述量程控制模块(3)包括可调放大电路(31)和输出滤波单元(32)，所述可调放大电路(31)的输入端连接信号传输与转换模块(2)的输出端，所述可调放大电路(31)的输入端连接输出滤波单元(32)的输入端，所述输出滤波单元(32)的输出端连接输出接口(4)。

6.根据权利要求5所述的任意波形输出的直流电压源，其特征在于：所述可调放大电路由线性电源和放大电路组成。

7.根据权利要求1所述的任意波形输出的直流电压源，其特征在于：所述输出接口(4)采用电流规格为10A的电流接线柱。

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