一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器

摘要

本发明涉及一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器，包括PWM发生电路和与其连接的带通滤波器，PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构和C语言或汇编语言编程实现，带通滤波器采用标准压控电压源二阶带通滤波电路。具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构包括占空因素寄存器1，缓冲器2，比较器3，定时器4，比较器5，周期寄存器6，RS触发器7，输出控制器8。带通滤波器包括低通滤波器电阻R

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种载波发生器，具体涉及一种宽温应用且频率稳定可 控的近正弦载波发生器。

背景技术

在大多数数字通信系统中，都选择正弦信号作为载波。这是因为正弦信号形式简单，便 于产生及接收。通常，作为载波的正弦信号都采用波形发生器产生。但是，对于高温应用环 境(比如125℃)来说，目前没有能满足要求的纯硬件正弦发生器，而只有可编程波形发生 器，这种器件虽然功能强大，但都需要与微处理器配合，且控制接口关系复杂，实现成本较 高。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种能够宽温应用，且频率稳定可控的近正弦载波发生器。 原理上讲，在数字调制系统中受调载波的波形可以是任意的，只要已调信号适合于信道传输 就可以了。当选择正弦信号作为载波时，其失真度参数并没有特别的要求。因此，近正弦信 号在数字调制系统中能够成为受调载波。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽温应用且频率稳定可控的近正弦载波发生器，包括PWM发生电路和与其连接的 带通滤波器，所述PWM发生电路由宽温单片机结合内部结构通过编程实现，所述带通滤波 器采用压控电压源二阶带通滤波电路。

进一步地，具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构包括：占空因素寄存器1，缓冲器 2，比较器3，定时器4，比较器5，周期寄存器6，RS触发器7，输出控制器8。采用的编程 语言是C语言或汇编语言。

进一步地，PWM波形有两个重要参数，周期和占空因素，所述宽温单片机内部结构中： 缓冲器2从占空因素寄存器1中取出占空因素数据，与定时器4计数相比较，当二者相等时， 比较器3输出复位信号到RS触发器R端；周期寄存器的周期数据，与定时器4计数比较， 当二者相等时，比较器5输出置位信号到RS触发器S端；RS触发器根据R、S端的输入信 号输出相应的PWM信号进入输出控制器8；输出控制器8再根据相应的指令确定是否输出 PWM波形。

进一步地，所述带通滤波器包括低通滤波器电阻R₁和电容C₁，高通滤波器电容C₂和电 阻R₂，反馈电阻R₃，同相比例运算电路电阻R_x和电阻R_f，运算放大器N₁。

进一步地，在所述带通滤波器的压控电压源二阶带通滤波器中，取C₁＝C₂＝C，A_f＝1+R_f/R_x， 其传递函数为：

$A_u\left(s\right)=\frac{\frac{A_f}{R_{1}C}s}{s^2+\frac{1}{C}(\frac{2}{R_3}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}(1-A_f))+s\frac{1}{R_3{C}^2}(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})},$其中s为复变量，

设定R₁＝R₂＝R，R₃＝2R，其传递函数简化为$A_u\left(s\right)=A_f·\frac{\mathrm{RCs}}{{\left(\mathrm{RCs}\right)}^2+(3-A_f)\mathrm{RCs}+1}.$

令中心频率$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\pi RC}},$得到下限截止频率$f_{p1}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}-(3-A_f)],$上限截止频 率$f_{p2}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}+(3-A_f)].$

因此，通频带f_bw＝f_p2-f_p1＝(3-A_f)f₀，通带放大倍数其中Q是 品质因素，$Q=\frac{f_0}{f_{\mathrm{bw}}}.$

一种采用上述近正弦载波发生器生成近正弦载波的方法，其步骤包括：

1)通过PWM发生电路输出PWM波形，所述PWM发生电路由宽温单片机结合内部结 构通过编程实现；

2)输出的PWM波形经过压控电压源二阶带通滤波电路，转换成中心频率f₀不变，在通 频带f_bw内有一定频率叠加且正负电压对称的近正弦波。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

对于高温应用环境(如125℃)，目前没有能满足要求的纯硬件正弦发生器，而只有可编 程波形发生器，需要与微处理器配合，且控制接口关系复杂，实现成本较高。本发明的近正 弦载波发生器电路实现简单，频率稳定可控，成本低廉，所产生的近正弦信号完全能够成为 数字调制系统中的受调载波，应用广泛。

附图说明

图1是本发明的宽温应用且频率稳定可控的近正弦发生器电路的原理图。

图2是单片机输出PWM波形与带通滤波器输出近正弦载波波形示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本实施例提供的一种能够宽温应用，且频率稳定可控的近正弦发生器电路，其原理图如 图1所示。具体实施方式为PWM发生电路和一级带通滤波器相结合。PWM发生电路由宽温单 片机结合内部结构和C语言编程实现，带通滤波器采用标准压控电压源二阶带通滤波电路。

如图1所示，具有PWM输出功能的宽温单片机内部结构包括占空因素寄存器1，缓冲器2， 比较器3，定时器4，比较器5，周期寄存器6，RS触发器7，输出控制器8。缓冲器2从占空因 素寄存器1中取出占空因素数据，与定时器4计数相比较，当二者相等时，比较器3输出复位信 号到RS触发器R端；周期寄存器的周期数据，与定时器4计数比较，当二者相等时，比较器5 输出置位信号到RS触发器S端；RS触发器根据R、S端的输入信号输出相应的PWM信号进入输 出控制器8；输出控制器8再根据相应的指令确定是否输出PWM波形。

如图1所示，带通滤波器包括低通滤波器电阻R₁和电容C₁；高通滤波器电容C₂和电阻R₂； 反馈电阻R₃，同相比例运算电路电阻R_x和电阻R_f，运算放大器N₁。

参见图1宽温单片机PWM输出部分，C语言编程要完成如下几步：

(1)写周期寄存器6以设定PWM周期；

(2)写占空因素寄存器1以设定PWM占空因数0.5；

(3)通过配置输出控制器8以设定PWM引脚为输出状态；

(4)配置定时器的前分频值，并通过向定时器控制寄存器写入来使能相应的定时器；

(5)设定相应模块工作在PWM方式。

参见图1带通滤波器部分，取C₁＝C₂＝C，A_f＝1+R_f/R_x，其传递函数为：

$A_u\left(s\right)=\frac{\frac{A_f}{R_{1}C}s}{s^2+\frac{1}{C}(\frac{2}{R_3}+\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}(1-A_f))+s\frac{1}{R_3{C}^2}(\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2})},$其中s为复变量，

设定R₁＝R₂＝R，R₃＝2R，其传递函数简化为$A_u\left(s\right)=A_f·\frac{\mathrm{RCs}}{{\left(\mathrm{RCs}\right)}^2+(3-A_f)\mathrm{RCs}+1}.$

令中心频率$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\pi RC}},$得到下限截止频率$f_{p1}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}-(3-A_f)],$上限截止频 率$f_{p2}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-A_f)}^2+}+(3-A_f)].$

因此，通频带f_bw＝f_p2-f_p1＝(3-A_f)f₀，通带放大倍数其中Q是 品质因素，$Q=\frac{f_0}{f_{\mathrm{bw}}}.$

在设定以上参数时，必须注意以下几个问题：

1)运算放大器的正V_dd、负电源V_ss的值在一定裕度内必须对称，即|V_dd|＝|V_ss|；

2)运算放大器的转换速率必须大于2倍频率与正负电源模和值的乘积，即

3)通带放大倍数A_p与PWM幅值U_PWM乘积必须小于等于运算放大器能够输出的正电压V_xx和负电压V_yy模的和值，即A_p·U_PWM≤(V_xx+|V_yy|)；

4)结合2)、3)的参数，设置尽可能大的品质因素Q。

其中，步骤1)～步骤3)是必须要满足的条件，步骤4)是优选措施。

参见图2，通过以上实施方法，单片机引脚输出具有固定频率f₀，占空比为50％，幅度 为0～U_pwm的方波经过压控电压源二阶带通滤波电路后，转换成中心频率f₀不变，在通频带 f_bw内，有一定频率叠加且正负电压对称的近正弦波，能够成为数字调制系统中的受调载波。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保 护范围应以权利要求所述为准。