基于非线性失真抵消的双通道信号源及波形合成方法与流程

1.本发明涉及双通道信号合成领域，特别涉及一种基于非线性失真抵消的双通道信号源及波形合成方法。。


背景技术：

2.高性能的双通道信号源在阻抗桥、功率源等领域具有重要的应用价值；然而，现有的商用双通道信号源例如美国keysight公司的33500b系列仪器等存在非线性失真大的问题，其主要非线性失真为基频分量对应的二次和三次非线性失真。在基频合成过程中实际合成的波形可以表示为：，其中，第一项为基频分量，是用户需要的波形；第二项、三项分别是二次和三次非线性失真。非线性失真是由硬件转换电路的非线性产生的。
3.通常，商用双通道信号源的二次和三次非线性失真只低于基频分量80dbc，这不能满足高频谱纯净度的应用需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提出一种基于非线性失真抵消的双通道信号源及波形合成方法，利用非线性失真分量合成电路抵消掉基频分量合成电路中携带的二次和三次非线性失真，具有失真低、频谱纯净的优点。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于非线性失真抵消的双通道信号源实现方法，所述信号源包括控制单元、第一信号合成通道和第二信号合成通道，第一和第二信号合成通道分别包括基频分量合成电路和非线性失真分量合成电路，所述基频分量合成电路和非线性失真分量合成电路分别由顺序连接的数字信号接收处理电路、隔离电路、数模转换电路、低通滤波电路组成，基频分量合成电路和非线性失真分量合成电路的输出经一个加法器合成形成通道信号源输出；在信号源输出连接一个频谱分析仪，频谱分析仪通过控制单元监测、控制信号源输出信号；所述监测、控制信号源输出信号执行的步骤包括：第一步：控制单元首先根据用户对通道信号源输出的选择生成相应幅值和频率的数字波形信息，然后将数字波形信息送入信号合成通道的基频分量合成电路，而非线性失真分量合成电路 零输入；第二步：控制单元根据频谱分析仪从信号源输出端口检测出的二次和三次非线性失真模拟波形，生成一个相位相同极性相反的二次和三次非线性失真数字波形，将生成的失真数字波形输入非线性失真分量合成电路；第三步：控制单元根据频谱分析仪继续从信号源输出端口检测出的二次和三次非线性失真幅度，判断是否低于基于基频分量分贝数设定的阈值，如果低于阈值，保持对非线性失真分量合成电路所述失真数字波形的输入，如果高于阈值则执行第四步；
第四步：控制单元调整二次和三次非线性失真数字波形的幅值和相位并返回第三步。
6.方案进一步是：所述控制单元可以对两个通道送入相同或不同数字波形信息进行选择，两个通道之间的波形信息、幅度相互独立、可以调节，两个通道之间的相位可以调节。
7.方案进一步是：第二步中：频谱分析仪是从两个通道的输出端口分别检测出的二次和三次非线性失真模拟波形，然后针对两个通道的失真模拟波形生成各自的一个相位相同极性相反的二次和三次非线性失真数字波形，将生成的两个失真数字波形分别输入两个通道的非线性失真分量合成电路。
8.方案进一步是：第一步中所述数字波形信息是在matlab上将待合成的由sin函数表达的模拟波形进行数字化处理后提取的数字化基频信号。
9.方案进一步是：所述非线性失真分量合成电路是一个或者是两个，一个非线性失真分量合成电路对应所述二次和三次非线性失真模拟波形的合成，两个非线性失真分量合成电路分别对应二次非线性失真模拟波形和三次非线性失真模拟波形。
10.方案进一步是：所述数字信号接收处理电路是可编程门阵列fpga电路，fpga电路用于接收、存储控制器发送过来的数字波形信息，接收控制器发送过来的触发信息，经隔离电路控制数模转换电路的数模转换。
11.方案进一步是：所述隔离电路是电光隔离器，实现数字信号接收处理电路与数模转换电路的控制信号隔离。
12.方案进一步是：所述低通滤波电路为有源低通滤波器，其3db带宽为20khz~100khz。
13.方案进一步是：所述频谱分析仪是可移除设备，当信号源输出的信号达到要求后将频谱分析仪移除。
14.方案进一步是：所述阈值是二次和三次非线性失真低于基频分量至少90dbc。
15.本发明利用非线性失真分量合成电路抵消掉基频分量合成电路中携带的二次和三次非线性失真，具有谐波失真低、频谱纯净的优点。测试表明，采用本发明，双通道信号源输出端口的最高非线性失真低于基频分量至少90dbc，效果显著。
16.下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
附图说明
17.图1为本发明双通道信号源结构示意图。
具体实施方式
18.一种基于非线性失真抵消的双通道信号源及波形合成方法，是一种将由数字表示的波形转换为模拟波形，在转化过程中针对所产生的非线性失真进行消除，提高输出波形纯正度的双通道信号源及波形合成的实现方法。为此，如图1所示，所述信号源包括控制单元1、第一信号合成通道2和第二信号合成通道3，第一和第二信号合成通道分别包括基频分量合成电路201、301和非线性失真分量合成电路202、302，所述基频分量合成电路和非线性失真分量合成电路分别由顺序连接的数字信号接收处理电路a、隔离电路b、数模转换电路c、低通滤波电路d组成，基频分量合成电路和非线性失真分量合成电路的输出经一个加法
器e合成形成通道信号源输出；在信号源输出连接一个频谱分析仪4，频谱分析仪4通过控制单元1监测、控制信号源输出信号；所述监测、控制信号源输出信号执行的步骤包括：第一步：控制单元首先根据用户对通道信号源输出的选择生成相应幅值和频率的数字波形信息，然后将数字波形信息送入信号合成通道的基频分量合成电路，而非线性失真分量合成电路没有输入、也就是零输入；第二步：控制单元根据频谱分析仪从信号源输出端口检测出的二次和三次非线性失真模拟波形，生成一个相位相同极性相反的二次和三次非线性失真数字波形，将生成的失真数字波形输入非线性失真分量合成电路；第三步：控制单元根据频谱分析仪继续从信号源输出端口检测出的二次和三次非线性失真模拟波形幅度，判断是否低于基于基频分量分贝数设定的阈值，如果低于阈值，保持对非线性失真分量合成电路所述失真数字波形的输入，如果高于阈值则执行第四步；第四步：控制单元调整二次和三次非线性失真数字波形的幅值和相位并返回第三步。
19.其中的所述阈值是二次和三次非线性失真低于基频分量至少90dbc。
20.其中：用户对通道信号源输出的选择是指针对于通道信号源输出信号的类型设置不同的选择按钮，例如：方波、三角波、正弦波以及不同频率和幅值。
21.在第一步中所述数字波形信息是在matlab上将待合成的由sin函数表达的模拟波形进行数字化处理后提取的数字化基频信号。作为公知技术，方波、三角波、正弦波是可以通过数学表达式来表达的，如背景技术中所提及的都可以用sin函数式表达，matlab是目前被广泛使用的图像、图形、波形数据处理工具，通过已知的matlab技术将波形用sin函数表达并进行处理形成数字信号，因此，可以事先对通道信号源输出信号的类型进行matlab技术处理形成数字信号存储在存储器中，其中的频率和幅值数据可以设置为可调节的动态选择项。因此，作为双通道：所述控制单元可以对两个通道送入相同或不同数字波形信息进行选择，两个通道之间的波形信息、幅度相互独立、可以调节，两个通道之间的相位可以调节，由于使用了数字技术，使得对于双通道信号输出的选择不受传统硬件电路设计的限制，选择更加灵活，调节可以做到无台阶。
22.同理：在第二步：控制单元根据频谱分析仪从信号源输出检测出的二次和三次非线性失真模拟波形，生成一个相位相同极性相反的二次和三次非线性失真数字波形，将生成的失真数字波形输入非线性失真分量合成电路，是在将理想的一个基频sin波形信息放入基频电路，放进去一个sin，但是，由于数模转换电路的非线性，出来了除基频以外的多个sin，其中的二次和三次非线性失真最为影响基频波形，对于二次和三次非线性失真是可以通过上述方法：即通过matlab技术进行处理实现数字化生成一个相位相同极性相反的二次和三次非线性失真数字波形。
23.对于产生二次和三次非线性失真过程的解释是：基频分量（f）合成电路的主要作用是产生包含待合成信号频率分量的波形。然而，硬件电路中数模转换器dac、有源滤波器中的运算放大器均是非线性的，导致基频分量（f）合成电路输出端的信号不光包含待合成的频率成分（f），还包含二次（2f）和三次（3f）非线性失真。其输出信号可以表示为，
非线性失真分量合成电路的主要作用是抵消基频分量合成电路输出端中携带的二次（2f）和三次（3f）非线性失真。理想情况下，其输出信号可以表示为：可以看出，上式中的与yb中的第一项与ya中的第二项相比，幅度相同、相位相反；yb中的第二项与ya中的第三项相比，幅度相同、相位相反。
24.因此，实施例中：所述非线性失真分量合成电路是一个或者是两个，一个非线性失真分量合成电路对应所述二次和三次非线性失真模拟波形的合成，两个非线性失真分量合成电路分别对应二次非线性失真模拟波形和三次非线性失真模拟波形。即：可以对二次（2f）和三次（3f）非线性失真分别设置非线性失真分量合成电路，本实施例是将二次（2f）和三次（3f）非线性失真合成后设置了一个非线性失真分量合成电路。因此，第二步中：频谱分析仪是从两个通道的输出端口分别检测出的二次和三次非线性失真模拟波形，然后针对两个通道的失真模拟波形生成各自的一个相位相同极性相反的二次和三次非线性失真数字波形，将生成的两个失真数字波形分别输入两个通道的非线性失真分量合成电路。
25.实施例中：所述数字信号接收处理电路是可编程门阵列fpga电路，通过对可编程门阵列的编程使fpga电路实现用于接收、存储控制器发送过来的数字波形信息，接收控制器发送过来的触发信息，经隔离电路控制数模转换电路的数模转换；控制器与fpga之间的连线包括spi通信用数据线、基准时钟线和触发。spi通信，包括clk、cnv和data三个信号。控制器将波形合成信息发送给fpga，fpga通过iso控制数模转换电路（dac）产生波形信号。
26.其中的控制器可以分为上位机和下位机，上位机可以是微处理器用于接受处理用户对通道信号源输出的选择生成相应幅值和频率的数字波形信号，下位机可以使用可编程门阵列fpga电路，下位机接收上位机的数字信号，并安排控制与第一信号合成通道2和第二信号合成通道3的信号联系，以及与频谱分析仪4的联系。
27.其中：所述隔离电路是电光隔离器，电光隔离器实现数字信号接收处理电路与数模转换电路的控制信号隔离，电光隔离器具体有两种可能的实现方式：一是采用高速光隔离芯片实现，例如adum3440crwz；二是采用光纤、光纤发送器与光纤接收器实现，例如光纤发送器采用hfbr-1527，接收器采用hfbr-2526。
28.其中：所述低通滤波电路为有源低通滤波器，用于滤除dac输出端口的高频噪声，其3db带宽为20khz~100khz。
29.加法器e主要负责实现基频分量合成电路、非线性失真分量合成电路信号的叠加，是已有技术由运算放大器、一系列精密电阻构成。
30.所述频谱分析仪是一种市场上的标准设备，可以始终与通道输出与控制器连接，然而在调节完成稳定后，基本不再发生调整。因此，本实施例中的优选方案是：所述频谱分析仪是可移除设备，当信号源输出的信号达到要求后将频谱分析仪移除，这样在通道稳定输出后去除频谱分析仪方便双通道信号源的后续应用。
31.上述基于非线性失真抵消的双通道信号源实现方法实施例，利用非线性失真分量合成电路抵消掉基频分量合成电路中携带的二次和三次非线性失真，具有谐波失真低、频谱纯净的优点。测试表明，采用本发明，双通道信号源输出端口的最高非线性失真低于基频分量至少90dbc，效果显著。