一种多通道隔离函数信号发生器及信号发生方法技术

本发明专利技术提供了一种多通道隔离函数信号发生器及信号发生方法。多通道隔离函数信号发生器包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及逻辑控制单元。本发明专利技术可直接产生几个到几十通道的隔离函数信号；每个通道函数信号有直流、正弦、脉冲三种模式；各通道信号的幅度、频率、相位、脉宽参数均可独立设置，幅度高达20V。

【技术实现步骤摘要】
(一)
本专利技术涉及一种多通道隔离函数信号发生器，尤其涉及需要通道隔离、需要同步、需要多信号叠加、信号电压变化范围大等特征的多通道函数信号信号发生器。(二)
技术介绍
函数信号发生器是信号发生器的一种，因其能产生不同幅度、不同频率、不同相位的正弦波，通常作为激励源在很多领域的科学研究和设备试验中有着广泛的应用。对于非通信领域的激励信号源，信号频段并不需要很高。有些场合，需要提供若干路电气隔离的波形信号作为不同电气设备部件的激励，有时还要求这些电气隔离的多路信号保持一定的相位关系以及通道间的同步关系，这就需要多通道隔离函数发生器。有些应用场合，需要激励的电压变化大或直流偏置电压高，或两者激励的电压变化大且直流偏置电压高，超出通用函数信号发生器的输出电压范围，需要多个函数发生器的输出串联来实现。还有些应用场合，需要的激励是多个独立频率分量叠加而形成的波形复杂，通用的函数信号发生器无法输出这种波形复杂的，就需要用对复杂波形数据量化后用任意波形发生器输出。现有的多通道函数/任意波形信号发生器可以产生多路信号，通道间信号可以具有同步特征。每个通道的各通道波形发生电路的数字部分可以共用一片可编程逻辑器件，但模拟部分使是独立的，数字部分以较高的数据传输速率向模拟部分传送波形数据。每个通道的数字部分与模拟部分至少需要10多个信号线相连。但是可编程逻辑器件的引脚数、存储器资源、以及模拟器件硬件成本和物理尺寸将制约这类函数信号发生器通道数增加，无法满足需要通道数较多的应用场合。上述多通道信号相互实现电气隔离，则每路信号的模拟部分需要增加10多路高速光耦或磁藕器件，以及一定功率的隔离DC-DC电源模块，这将进一步导致物理尺寸增大和元件成本上升，制约电气隔离型函数发生器的通道数增加。任意波形发生器的电路原理与函数发生器基本一致，主要差异在需要将特定的复杂波形量化后传输存储到任意波形发生器的波形存储器中，波形的更改操作比较繁琐，需要计算机的协助，任意波形发生器需要有传送波形数据的标准接口。但是任意波形发生器输出的量化复杂波形与多个独立频率分量叠加而形成的理论波形会造成时间累计失真，时间越长，波形失真越大。多个函数发生器的输出串联使用，可以形成电压变化大或直流偏置电压高，或两者激励的电压变化大且直流偏置电压高的波形。由于每个多个函数发生器的时基不同，参数设置不同步，也会造成串联波形信号的时间累计失真，时间越长，波形失真越大。而且多个函数发生器同时工作、体积庞大，操作不便。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供通道信号串联使用时可以产生大范围变化的波形信号，可以产生高偏置电压的波形信号，可以形成复杂波形信号，还可以形成谐波信号的一种多通道隔离函数信号发生器。本专利技术的目的是这样实现的:它包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及逻辑控制单元；接口电路分别连接微处理器和逻辑控制单元，时钟发生电路分别连接外部晶振和逻辑控制单元，逻辑控制单元连接模拟单元；逻辑控制单元包括参数锁存器、数控振荡器、相位加法器和幅度字数据比较器、脉冲字数据比较器，参数锁存器分别连接数控振荡器、相位加法器、幅度字数据比较器和脉冲字数据比较器，接口电路、时钟发生电路分别连接数控振荡器，数控振荡器连接相位加法器，相位加法器连接幅度字数据比较器，幅度字数据比较器和相位加法器分别连接二选一数字开关，时钟发生电路连接脉冲字数据比较器，二选一数字开关和脉冲字数据比较器分别连接模拟单元。本专利技术还有这样一些技术特征: 1、所述的接口电路包括微处理器接口单元和锁存器，微处理器连接微处理器接口单元，微处理器接口单元连接锁存器，锁存器连接逻辑控制单元； 2、所述的时钟发生电路包括数字锁相环倍频单元、偶数分频单元和计数器分频单元，外部晶振连接数字锁相环倍频单元，数字锁相环倍频单元分别连接偶数分频单元和二进制计数器分频单元，偶数分频单元和计数器分频单元分别连接逻辑控制单元，如可编程逻辑器件采用CPLD，则无数字锁相环倍频单元，外部晶振直接连接偶数分频单元和二进制计数器分频单元； 3、所述的模拟单元包括依次连接的隔离单元，第一级二选一模拟开关，有源低通滤波单元，第二级二选一模拟开关，第一级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第三级二选一模拟开关，第二级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第四级二选一模拟开关和同相放大单元，逻辑控制单元连接隔离单元，同相放大单元输出与其反相之差即为最终输出； 4、所述的隔离单元由隔离DC-DC电源、高速磁耦或光藕芯片组成。本专利技术的另一目的在于提供一种多通道隔离函数信号发生器的实现方法，每个通道可以产生正弦信号、脉冲信号、直流电压；各通道信号的幅度、频率、脉宽、初始相位参数均可单独设置，电气隔离的通道间信号可以同步，信号幅度高达20V，幅度分辨率为0.01% ；正弦波和脉冲波的，频率分辨率力ImHz，相位分辨率为0.1度，脉冲波脉宽分辨率为0.1%。本专利技术一种多通道隔离函数信号发生器的实现方法步骤包括:信号发生电路由单片可编程逻辑器件实现和多路模拟单元组成，可编程逻辑器件内嵌了接口电路、时钟发生电路以及多个控制单元；每个逻辑控制单元输出4个逻辑控制信号给对应的模拟单元以产生该通道函数信号，无需使用存储器和DAC ;可编程逻辑器件的型号和封装可以根据通道数和函数信号的技术参数要求来确定； (1)可编程逻辑器件的接口电路将来自微处理器的串行总线转换为的内部并行总线BUS,以设置各通道信号幅度、频率、相位、脉宽参数；接口电路还通过锁存器设置各通道复位控制位Syic,引入来自微处理器的全局复位SRST信号； (2)可编程逻辑器内置的时钟发生电路产生以下三种时钟信号:第一个是晶振时钟或晶振经数字锁相环倍频后的高频时钟Fsys信号，第二个是由Fsys经偶数分频后得到的基频方波信号Fbas，第三个是Fsys经计数器分频后出来的时钟数组Fout ;如使用FPGA的数字锁相环来提高Fsys频率，就可以相应提高输出正弦和脉冲信号的频段； (3)可编程逻辑器内嵌了多个电路结构与工作原理完全相同的控制逻辑单元，控制逻辑单元产生表征幅度的逻辑PWM信号，产生经变换后可以表征频率、幅度、相位、脉宽的逻辑FSQU和FSET信号，产生用于波形选择的逻辑MODE信号；控制逻辑单元的参数设置电路通过译码器和锁存器将设置幅度、频率、相位、脉宽、控制模式；时钟数组Fout与幅度字相比较，数据比较器小于等于输出即为表征幅度的PWM信号，幅度字位数决定了信号幅度分辨率；基频方波信号Fbas与模式控制位O进行或操作，输出即为FSQU信号。带相位预置功能的数控振荡器输出为数组PH[9..0]，数控振荡器的输入频率字和相位字；频率字决定了输出信号的频率及分辨率，相位字决定了输出信号的初始相位分辨率；数组PH[9..0]与脉宽字相比较，数据比较器小于等于输出即为表征脉冲波逻辑的信号，数组PH[9]表征正弦波逻辑的信号，模式控制位I选择脉冲波逻辑信号或正弦波逻辑信号与模式控制位2进行或操作，其输出即为逻辑FSET信号，模式控制位O也直接输出作为逻辑MODE信号。(4)模拟单元实现从PWMp FSQUj, FSETj, MODEj信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于它包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及控制逻辑单元；接口电路分别连接微处理器和控制逻辑单元，时钟发生电路分别连接外部晶振和控制逻辑单元，控制逻辑单元连接模拟单元；控制逻辑单元包括参数设置电路、数控振荡器、相位加法器和幅度字数据比较器、脉冲字数据比较器，参数设置电路分别连接数控振荡器、相位加法器、幅度字数据比较器和脉冲字数据比较器，接口电路、时钟发生电路分别连接数控振荡器，数控振荡器连接相位加法器，相位加法器连接幅度字数据比较器，幅度字数据比较器和相位加法器分别连接二选一数字开关，时钟发生电路连接脉冲字数据比较器，二选一数字开关和脉冲字数据比较器分别连接模拟单元。

【技术特征摘要】
1.一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于它包括单片可编程逻辑器件和模拟单元，可编程逻辑器件内嵌有接口电路、时钟发生电路以及控制逻辑单元；接口电路分别连接微处理器和控制逻辑单元，时钟发生电路分别连接外部晶振和控制逻辑单元，控制逻辑单元连接模拟单元；控制逻辑单元包括参数设置电路、数控振荡器、相位加法器和幅度字数据比较器、脉冲字数据比较器，参数设置电路分别连接数控振荡器、相位加法器、幅度字数据比较器和脉冲字数据比较器，接口电路、时钟发生电路分别连接数控振荡器，数控振荡器连接相位加法器，相位加法器连接幅度字数据比较器，幅度字数据比较器和相位加法器分别连接二选一数字开关，时钟发生电路连接脉冲字数据比较器，二选一数字开关和脉冲字数据比较器分别连接模拟单元。2.根据权利要求1所述的一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于所述的接口电路包括微处理器接口单元和锁存器，微处理器连接微处理器接口单元，微处理器接口单元连接锁存器，锁存 器连接控制逻辑单元。3.根据权利要求2所述的一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于所述的时钟发生电路包括数字锁相环倍频单元、偶数分频单元和计数器分频单元，外部晶振连接数字锁相环倍频单元，数字锁相环倍频单元分别连接偶数分频单元和计数器分频单元，偶数分频单元和计数器分频单元分别连接控制逻辑单元；如可编程逻辑器件采用CPLD，则无数字锁相环倍频单元，外部晶振直接连接偶数分频单元和二进制计数器分频单元。4.根据权利要求3所述的一种多通道隔离函数信号发生器，其特征在于所述的模拟单元包括依次连接的隔离单元，第一级二选一模拟开关，有源低通滤波单元，第二级二选一模拟开关，第一级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第三级二选一模拟开关，第二级跟随、无源低通滤波、同相放大单元，第四级二选一模拟开关和同相放大单元，控制逻辑单元连接隔离单元，同相放大单元输出与其反相之差即为最终输出。5.根据权利要求1所述的一种多通道隔离函数信号发生方法，其波形发生电路由单片可编程逻辑器件和多路模拟单元构成，可编程逻辑器件内置了接口电路、时钟发生电路、多个控制逻辑单元；模拟单元受4个控制逻辑产生函数信号，模拟单元由隔离DC-DC电源、高速磁耦或光耦芯片、模拟多路开关、运算放大器组成，其特征在于它包括以下步骤: (1)接口电路将来自微处理器的串行总线转换为内部并行总线BUS，以设置各通道信号幅度、频率、相位、脉宽参数；接口电路还通过锁存器设置各通道复位控制位S.，引入来自微处理器的全局复位SRST信号； (2)时钟发生电路产生以下三种时钟信号:系统时钟信号Fsys、由Fsys经偶数分频后得到的基频方波...

【专利技术属性】
技术研发人员：童子权，任丽军，于晓洋，姜月明，马艳艳，熊浩东，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：