信号发生装置与仪器校准设备的制作方法

阅读：评论：0

1.本技术涉及信号发生器技术领域，特别是涉及一种信号发生装置与仪器校准设备。

背景技术：

2.随着仪器仪表领域技术的发展，对给仪器仪表进行校准与标定的精密仪器校准设备的要求越来越高。进而为了提高对仪器仪表进行校准的效率，设计了多功能校准源，实现通过一个校准设备对模拟指示仪表、数字多用表、钳形电流表、功率表以及功率分析仪等多种类型的工业测量仪器仪表进行计量校准、检定标定与测试。
3.在现有的多功能校准源中，核心组件信号发生装置一般采用传统dds(direct digital frequency synthesis，直接频率合成)信号发生器实现。但由于传统dds信号发生器的功能较为固化，输出的信号波形的频率分辨率较低，导致目前的多功能校准源在应用时存在准确度较低的问题。

技术实现要素：

4.基于此，有必要针对由于核心组件信号发生装置输出波形的频率分辨率较低，导致仪器校准设备的准确度较低的问题，提供一种信号发生装置与仪器校准设备。
5.一种信号发生装置，包括主控单元、小数分频单元与波形产生单元，所述主控单元连接所述小数分频单元与所述波形产生单元，所述小数分频单元连接所述波形产生单元；
6.所述主控单元用于根据期望信号波形参数生成分频指令与波形量化数据，并将所述分频指令发送至所述小数分频单元，将所述波形量化数据发送至所述波形产生单元；
7.所述小数分频单元用于根据所述分频指令进行小数分频生成与所述期望信号波形参数对应的基准时钟，并将所述基准时钟发送至所述波形产生单元；
8.所述波形产生单元用于根据所述基准时钟，接收所述波形量化数据并根据所述波形量化数据输出期望信号波形。
9.在其中一个实施例中，所述小数分频单元包括时钟发生器、鉴相器、压控振荡器与反馈分频器，所述时钟发生器连接所述鉴相器，所述鉴相器连接所述压控振荡器与所述反馈分频器，所述压控振荡器连接所述反馈分频器与所述波形产生单元，所述时钟发生器连接所述主控单元。
10.在其中一个实施例中，所述反馈分频器的分频系数为小数。
11.在其中一个实施例中，所述小数分频单元还包括环路滤波器与倍频器，所述鉴相器通过所述环路滤波器连接所述压控振荡器，所述压控振荡器通过所述倍频器连接所述波形产生单元。
12.在其中一个实施例中，所述波形产生单元包括信号发生组件与数模转换器，所述信号发生组件连接所述主控单元、所述压控振荡器与所述数模转换器。
13.在其中一个实施例中，所述信号发生组件包括相位累加器与波形存储器，所述相
位累加器连接所述主控单元、所述压控振荡器与所述波形存储器，所述波形存储器连接所述压控振荡器与所述数模转换器。
14.在其中一个实施例中，所述信号发生组件还包括输入分频器，所述压控振荡器通过所述输入分频器分别连接所述相位累加器、所述波形存储器与所述数模转换器，所述输入分频器连接所述主控单元。
15.在其中一个实施例中，所述主控单元还用于根据所述期望信号波形参数生成参考分频系数，并将所述参考分频系数发送至所述输入分频器。
16.在其中一个实施例中，所述主控单元为单片机。
17.在其中一个实施例中，提供了一种仪器校准设备，包括上述的信号发生装置。
18.上述信号发生装置与仪器校准设备，通过主控单元根据期望信号波形参数生成分频指令，对应控制小数分频单元采用小数分频的方式生成基准时钟发送至波形产生单元，波形产生单元再基于基准时钟接收波形量化数据并输出期望信号波形。由于采用小数分频的方式的生成基准时钟的频率分辨率很高，基于该基准时钟输出的期望信号波形频率分辨率也较高，进而使得搭载本技术提供的信号发生装置的仪器校准设备的准确度同步提高。
附图说明
19.图1为一个实施例中信号发生装置的系统框图；
20.图2为一个实施例中小数分频单元的系统框图；
21.图3为一个实施例中波形产生单元的系统框图；
22.图4为另一个实施例中信号发生装置的系统框图；
23.图5为一个实施例中信号发生装置的工作流程图。
具体实施方式
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
26.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
27.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
28.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
29.如背景技术所述，随着仪器仪表领域技术的发展，对给仪器仪表进行校准与标定的精密仪器校准设备的要求越来越高。进而为了提高对仪器仪表进行校准的效率，设计了多功能校准源，实现通过一个校准设备对模拟指示仪表、数字多用表、钳形电流表、功率表以及功率分析仪等多种类型的工业测量仪器仪表进行计量校准、检定标定与测试。在现有的多功能校准源中，核心组件信号发生装置一般采用传统dds(direct digital frequency synthesis，直接频率合成)信号发生器实现。传统dds信号发生器的输出频率一般为：f
out
＝k*f
clk
/2n，其中，系统时钟f
clk
采用固定参数，进而只能通过增大相位累加器的字长n，来达到提高输出频率f
out
的频率分辨率的目的。例如，系统频率f
clk
为50mhz时，为了达到0.01hz的频率分辨率，相位累加器的位数n至少应为33位。并且即使相位累加器的位数达到33位，频率分辨率最高也只能是0.00582hz，仍然存在频率误差。因此，由于传统dds信号发生器已经固化了特定功能，输出波形类型单一、频率分辨率较低且灵活性较差，导致多功能校准源目前的应用场景受到限制。
30.基于此，本技术提供一种应用于多功能校准源等仪器校准设备的信号发生装置，通过主控单元根据期望信号波形参数生成分频指令，对应控制小数分频单元采用小数分频的方式生成基准时钟发送至波形产生单元，波形产生单元再基于基准时钟接收波形量化数据并输出期望信号波形。由于采用小数分频的方式的生成基准时钟的频率分辨率很高，基于该基准时钟输出的期望信号波形频率分辨率也较高，进而使得搭载本技术提供的信号发生装置的仪器校准设备的准确度同步提高。
31.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种信号发生装置，包括主控单元100、小数分频单元200与波形产生单元300，主控单元100连接小数分频单元200与波形产生单元300，小数分频单元200连接波形产生单元300；主控单元100用于根据期望信号波形参数生成分频指令与波形量化数据，并将分频指令发送至小数分频单元200，将波形量化数据发送至波形产生单元300；小数分频单元200用于根据分频指令进行小数分频生成与期望信号波形参数对应的基准时钟，并将基准时钟发送至波形产生单元300；波形产生单元300用于根据基准时钟，接收波形量化数据并根据波形量化数据输出期望信号波形。
32.具体地，主控单元100为本技术提供的信号发生装置的控制中心，用于控制整个信号发生装置的工作，包括根据期望信号波形参数生成分频指令，控制小数分频单元200产生与期望信号波形参数对应的基准时钟；还包括根据期望信号波形参数生成波形量化数据，作为波形产生单元300产生期望信号波形的数据基础；还可包括其他频率控制字的产生以及分频系数的控制等工作，均在本技术的保护范围之内。
33.其中，期望信号波形参数可以是由技术人员通过交互组件输入，代表在仪器校准设备对仪器仪表进行校准或测试过程中，需要信号发生装置输出的信号波形的特征。期望信号波形参数可包括期望信号波形的频率、幅值与波形类型等参数中的至少一种，波形类型可以是正弦波、方波、锯齿波、三角波或任意自定义的波形类型。进一步地，分频指令可以是根据期望信号波形参数中的期望频率生成，波形量化数据可以是根据期望信号波形参数中的期望幅值和/或期望波形类型生成。
34.进一步地，小数分频单元200可在主控单元100发出的分频指令的控制下给波形产生单元300提供高稳定、高精度的基准时钟。波形产生单元300将基准时钟作为产生信号所需要用到的系统时钟，在该系统时钟的控制下接收并存储波形量化数据，然后继续在该系
统时钟的控制下对相位值进行累加求和得到相位编码，进而通过该相位编码作为地址从存储的波形量化数据中，到对应的波形量化数据送入数模转换器，转换为模拟信号实现期望信号波形的输出。
35.可以理解，主控单元100的可采用的具体硬件结构并不唯一，可以是采用微控制单元(microcontroller unit，mcu)，即单片机实现，也可以是采用中央处理器(central processing unit，cpu)实现，还可以是采用数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga)或数字集成电路(complex programmable logic device，cpld)等。在本实施例中，主控单元100采用单片机实现。小数分频单元200可以是采用具有小数分频功能的晶体振荡器或频率合成器实现，也可以是对应具有小数分频功能的组合电路实现。波形产生单元300可包括信号发生部分与数模转换部分，其中信号发生部分可以是采用现场可编程门阵列(fpga)实现，数模转换部分可采用单独的数模转换器实现。
36.此外，主控单元100分别与小数分频单元200、波形产生单元300进行通信时，所采用的通信接口并不唯一，可以是采用spi(serial peripheral interface，串行外设接口)实现，在主控单元100为fpga时，也可以是采用jtag(joint test action group，联合测试工作组)接口实现。
37.上述信号发生装置，采用小数分频的方式生成高频率分辨率、小步进值与高灵活性的基准时钟，进而基于基准时钟接收波形量化数据输出高频率分辨率的期望信号波形，使得搭载本技术提供的信号发生装置的仪器校准设备的准确度同步提高。
38.在一个实施例中，如图2所示，小数分频单元200包括时钟发生器210、鉴相器220、压控振荡器230与反馈分频器240，时钟发生器210连接鉴相器220，鉴相器220连接压控振荡器230与反馈分频器240，压控振荡器230连接反馈分频器240与波形产生单元，时钟发生器210连接主控单元。
39.具体地，时钟发生器210的输入端连接主控单元，时钟发生器210的输出端连接鉴相器220的参考输入端，鉴相器220的信号输入端连接反馈分频器240的输出端，鉴相器220的输出端连接压控振荡器230的输入端，压控振荡器230的输出端连接反馈分频器240的输出端以及波形产生单元。
40.进一步地，鉴相器220为相位和频率检波器，用于比较时钟发生器210的参考信号和反馈分频器240的输出信号的相位差，并将检测出的相位差转换成误差电压信号。且此误差电压在输出两者的相位差在
±
2π的相位误差范围内近似为线性，并在误差大于2π的情况下基本保持恒定。该误差电压信号可作为对压控振荡器230的误差控制电压，对压控振荡器230输出信号的频率实施控制。压控振荡器230受鉴相器220的误差控制电压的控制，使反馈分频器240的输出频率向时钟发生器210的输出频率靠拢，直到两者的频率相同。可以理解，小数分频单元200为一锁相环频率合成器，基于上述连接关系，时钟发生器210、鉴相器220、压控振荡器230与反馈分频器240之间形成负反馈控制的锁相环路。当环路锁定时，误差控制电压为一固定值，压控振荡器230输出频率与参考信号频率相等。
41.对应地，时钟发生器210用于接收主控单元发送的分频指令，并在分频指令的控制下生成参考信号输入至鉴相器220的参考输入端。可以理解，该参考信号的频率即对应与期望信号波形参数中的期望信号波形的频率相匹配，以使压控振荡器230在环路锁定时，输出
与期望信号波形参数对应的基准时钟至波形产生单元，然后波形产生单元基于该基准时钟输出高频率分辨率的期望信号波形。其中，主控单元发送的分频指令可以理解为经处理器处理转化后的，适合小数分频单元200工作的二进制分频数据指令，可以是通过串行的方式送入小数分频单元200。
42.另外，反馈分频器240的分频系数可以为整数或小数。可以理解，当反馈分频器240的分频系数为整数时，通过小数分频单元200可以实现整数分频；当反馈分频器240的分频系数为小数时，通过小数分频单元200可以实现小数分频。在本实施例中，为了实现输出的基准时钟具有较高的频率分辨率，将反馈分频器240的分频系数设置为小数。反馈分频器240的分频系数的具体取值并不限定，可根据实际需求设置。在其他实施例中，反馈分频器240连接主控单元，主控单元还用于生成分频系数至反馈分配器，进而自动控制反馈分频器240处于整数分频模式或小数分频模式。
43.在一个实施例中，如图2所示，小数分频单元200还包括环路滤波器250与倍频器260，鉴相器220通过环路滤波器250连接压控振荡器230，压控振荡器230通过倍频器260连接波形产生单元。具体地，环路滤波器250用于滤除鉴相器220输出的误差电压信号中的高频分量和噪声，以保证环路中所要求的性能。倍频器260用于对压控振荡器230输出的误差电压信号进行倍频，以满足后续频率需要，其中的倍频比可根据实际需求设定，不做限定。
44.在一个实施例中，小数分频单元可以是包括有时钟发生器、鉴相器、压控振荡器、反馈分频器、环路滤波器与倍频器等器件的锁相环频率合成器，即具有小数分频功能的晶体振荡器。例如，可采用晶体振荡器549bacb001937abg实现，晶体振荡器549bacb001937abg的外围电路简单，输出频率范围为200khz～250mhz，分辨率小于1ppb，能够为波形产生单元提供高稳定、高精度的基准时钟。
45.在一个实施例中，如图3所示，波形产生单元300包括信号发生组件310与数模转换器320，信号发生组件310连接主控单元、压控振荡器与数模转换器320。
46.具体地，信号发生组件310用于将基准时钟作为产生信号所需要用到的系统时钟，在该系统时钟的控制下接收并存储波形量化数据，然后继续在该系统时钟的控制下对相位值进行累加求和得到相位编码，进而通过该相位编码作为地址从存储的波形量化数据中，到对应的波形量化数据送入数模转换器320。进一步地，数模转换器320用于将送入的数字信号转换为模拟信号后，实时输出实现期望信号波形的输出。
47.其中，波形量化数据为每一波形类型的量化幅度值，通过主控单元根据期望信号波形参数编程产生。在期望信号波形参数中确定了波形类型时，主控单元生成并发送至波形产生单元300的波形量化数据可以是对应波形类型的量化幅度数据；在期望信号波形参数中未确定具体波形类型时，主控单元生成并发送至波形产生单元300的波形量化数据可以是多种任意波形类型的量化幅度数据，均生成后存储于信号发生组件310，以供产生后选用。由于主控单元通过编程产生波形量化数据具有很高的灵活性，因此可以输出任意的波形。
48.对应地，在一个实施例中，信号发生组件310包括相位累加器311与波形存储器312，相位累加器311连接主控单元、压控振荡器与波形存储器312，波形存储器312连接压控振荡器与数模转换器320。其中，波形存储器312用于在系统时钟的控制下接收主控单元传输的波形量化数据并进行存储，存储于其中的ram查表内。进一步地，相位累加器311在系
统时钟的控制下对相位值进行累加求和，其输出数据作为ram查表的地址进行查表，通过地址到相位对应的量化幅度值送入模数转换器。可以理解，用于ram查表的地址与期望信号波形的相位值一一对应。
49.在一个实施例中，信号发生组件310还包括输入分频器313，压控振荡器通过输入分频器313分别连接相位累加器311、波形存储器312与数模转换器320，输入分频器313连接主控单元。其中，输入分频器313用于对小数分频单元输出的基准时钟进行分频，分频后的时钟作为信号发生组件310的系统时钟，以提高对基准时钟的可控性。
50.进一步地，输入分频器313对应的分频频率也可以是由主控单元产生并发送的，在一个实施例中，主控单元还用于根据期望信号波形参数生成参考分频系数，并将参考分频系数发送至输入分频器313。
51.在一个实施例中，如图4所示，信号发生装置包括单片机、晶体振荡器、fpga和模数转换器。
52.具体地，单片机为主控单元100，主要功能是控制晶体振荡器产生稳定精确的基准时钟给fpga，以及产生期望信号波形的量化幅度值并传输给fpga。小数分频单元200采用晶体振荡器实现，晶体振荡器为具有小数分频的锁相环频率合成器，晶体振荡器在单片机的控制下给fpga提供高稳定、高精度的基准时钟。信号发生组件310采用fpfa实现，包括输入分频器、相位累加器和ram查表。输入分频器对晶体振荡器提供的基准时钟进行分频，分频后的时钟作为fpga的系统时钟。fpga在系统时钟的控制下接收单片机传输的量化幅度值，并存储在ram查表中。相位累加器在系统时钟的控制下对相位值进行累加求和，其输出数据作为ram查表的地址进行查表。ram查表存储输出波形的量化幅度值，并根据相位累加器的输出数据作为地址进行查表，ram查表的地址与输出波形的相位值一一对应，通过地址到相位对应的量化幅度值送入模数转换器320。模数转换器320在系统时钟的控制下，接收ram查表送入的幅度量化值，将数字信号转换成模拟波形信号进行输出。
53.图5所示为信号发生装置的流程图。其中，信号发生组件310输出的期望信号波形的频率f
out
的计算方式下式所示：
54.f
out
＝(k/m)*f
clk
＝(k/m)*(f
pll
/x)
55.其中，f
clk
为fpga的系统时钟的频率；x为输入分频器的分频系数，可由主控单元输出；f
pll
为晶体振荡器输出的基准时钟的频率，根据分频指令的控制输出；f
out
为信号发生装置输出的期望信号波形的频率，可根据期望信号波形参数确定；k为频率控制字，可由主控单元输出；m为ram查表的存储深度，m小于等于2n，n为相位累加器11的字长位数。
56.根据上述计算式可知，输出的期望信号波形的频率f
out
与频率控制字k、ram查表的存储深度m、输入分频器的分频系数x和晶体振荡器输出的基准时钟f
pll
有关。优选的，频率控制字k为1。即可通过控制ram查表的存储深度m、输入分频器的分频系数x和晶体振荡器输出的基准时钟f
pll
控制期望信号波形的频率的大小。ram查表的存储深度m与fpga的存储资源以及期望信号波形的失真度有关。优选的，ram查表的存储深度m最大为4000。ram查表的存储深度m、fpga的存储资源、数模转换器的刷新频率、晶体振荡器输出的基准时钟f
pll
、输入分频器的分频系数x相互关联，则当期望信号波形的频率在不同范围内时，可通过选择不同ram查表的存储深度m与输入分频器的分频系数x的组合值来确定晶体振荡器所需要输出的基准时钟f
pll
的大小。
57.在一个实施例中，期望信号波形参数包括期望信号波形的频率，当期望信号波形的频率位于不同频率范围时，根据所属频率范围对应的预设参考分频系数确定输入分频器的分频系数x，进一步根据所属频率范围对应的预设关系确定分频指令，以使晶体振荡器根据确定的分频指令输出的基准时钟f
pll
。例如，ram查表的存储深度m小于等于4000，数模转换器最高刷新率为40mhz，晶体振荡器输出的基准时钟f
pll
的频率范围为200khz～250mhz，根据输出频率f
om
的大小，晶体振荡器输出的基准时钟f
pll
、输入分频器的分频系数x和ram查表的存储深度m可选择如下：
58.f
out
mxf
pll
10hz～100hz400010m*x*f
out
100hz～10khz40001m*x*f
out
10khz～1mhz40mhz/f
out
1m*x*f
out
59.在一个实施例中，提供了一种仪器校准设备，包括上述的信号发生装置。具体地，仪器校准设备可以是多功能校准源，通过小数分频和锁相环技术可产生正弦波、方波、锯齿波、三角波及自定义的任意波形，频率分辨率可达0.01hz，搭载本技术设计的信号发生装置实现的多功能校准源的准确度较高，其输出的信号可用于校准7位半及7位半以下的数字多用表，电路简单，灵活性高。
60.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
61.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种信号发生装置，其特征在于，包括主控单元、小数分频单元与波形产生单元，所述主控单元连接所述小数分频单元与所述波形产生单元，所述小数分频单元连接所述波形产生单元；所述主控单元用于根据期望信号波形参数生成分频指令与波形量化数据，并将所述分频指令发送至所述小数分频单元，将所述波形量化数据发送至所述波形产生单元；所述小数分频单元用于根据所述分频指令进行小数分频生成与所述期望信号波形参数对应的基准时钟，并将所述基准时钟发送至所述波形产生单元；所述波形产生单元用于根据所述基准时钟，接收所述波形量化数据并根据所述波形量化数据输出期望信号波形。2.根据权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述小数分频单元包括时钟发生器、鉴相器、压控振荡器与反馈分频器，所述时钟发生器连接所述鉴相器，所述鉴相器连接所述压控振荡器与所述反馈分频器，所述压控振荡器连接所述反馈分频器与所述波形产生单元，所述时钟发生器连接所述主控单元。3.根据权利要求2所述的信号发生装置，其特征在于，所述反馈分频器的分频系数为小数。4.根据权利要求2所述的信号发生装置，其特征在于，所述小数分频单元还包括环路滤波器与倍频器，所述鉴相器通过所述环路滤波器连接所述压控振荡器，所述压控振荡器通过所述倍频器连接所述波形产生单元。5.根据权利要求2所述的信号发生装置，其特征在于，所述波形产生单元包括信号发生组件与数模转换器，所述信号发生组件连接所述主控单元、所述压控振荡器与所述数模转换器。6.根据权利要求5所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号发生组件包括相位累加器与波形存储器，所述相位累加器连接所述主控单元、所述压控振荡器与所述波形存储器，所述波形存储器连接所述压控振荡器与所述数模转换器。7.根据权利要求6所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号发生组件还包括输入分频器，所述压控振荡器通过所述输入分频器分别连接所述相位累加器、所述波形存储器与所述数模转换器，所述输入分频器连接所述主控单元。8.根据权利要求7所述的信号发生装置，其特征在于，所述主控单元还用于根据所述期望信号波形参数生成参考分频系数，并将所述参考分频系数发送至所述输入分频器。9.根据权利要求1至8任一项所述的信号发生装置，其特征在于，所述主控单元为单片机。10.一种仪器校准设备，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的信号发生装置。

技术总结

本申请涉及一种信号发生装置与仪器校准设备，包括主控单元、小数分频单元与波形产生单元，主控单元根据期望信号波形参数生成分频指令与波形量化数据，并将分频指令发送至小数分频单元，将波形量化数据发送至波形产生单元；小数分频单元根据分频指令生成与期望信号波形参数对应的基准时钟，并将基准时钟发送至波形产生单元；波形产生单元根据基准时钟，接收波形量化数据并根据波形量化数据输出期望信号波形。由于采用小数分频的方式的生成基准时钟的频率分辨率很高，基于该基准时钟输出的期望信号波形频率分辨率也较高，进而使得搭载本申请提供的信号发生装置的仪器校准设备的准确度同步提高。准确度同步提高。准确度同步提高。