交流电子负载中的快速跟踪任意波形发生器

摘要

一种交流电子负载中的快速跟踪任意波形发生器，涉及交流电子负载领域，通过FPGA内部的3个可控计数器及其控制逻辑产生各种波形，本发明提供的全数字化控制的快速跟踪波形发生器可使跟踪的速度由锁相环的100－3000ms迅速提高到1－30ms，且频率响应速度不线性的缺陷得到根本解决，频率响应范围可以达到模拟锁相环电路的2－3倍。

说明书

技术领域

本发明涉及交流电子负载领域，具体为一种可跟随输入同相位变化的任意波形发生器，具有迅速跟踪的能力，具有多种可调整的参数。

背景技术

1、现阶段，交直流电子负载是一种基本测量仪器，可模拟各种类型的交直流负载。在作为交流负载运行时，该仪器需要一个可跟随输入快速准确变化的任意波形发生器，以其产生的波形作为电流的波形以模拟各类负载。现阶段多采用模拟锁相环技术来实现该种类型的波形发生器，数字DDS合成技术在其他领域已有广泛的应用，但具有跟踪并进行多参数控制的波形合成领域，尚未应用。

2、波形发生器的性能直接决定了电子负载的性能。传统电路采用了锁相环电路来实现对输入的跟踪，锁相环电路虽然工作稳定，误差小，但其基于模拟电路，调节速度慢，在该种跟踪方式的应用下，一般不能实现100ms以下的快速跟踪，且具有频率响应速度不线性等缺陷，不能满足高性能的电子负载的要求。

发明内容

针对上述的问题，本实用新型提供了一种全数字化控制的快速跟踪任意波形发生器，可使跟踪的速度由锁相环的100-3000ms迅速提高到1-30ms，且频率响应速度不线性的缺陷得到根本解决，频率响应范围可以达到模拟锁相环电路的2-3倍。

一种交流电子负载中的快速跟踪任意波形发生器，基于FPGA实现，包括：

一过零点比较器，具有滞回区间，将外部输入的电压信号转换为方波，该方波输入FPGA的周期计数器作为控制信号，该部分不设置在FPGA内部；

一输入周期计数器，以FPGA德内部时钟为基准，以上述输入方波为控制，通过对方波的边延判断完成对其的周期计数；

一输出周期计数器，与输出控制器连接，用于确定输出的波形的周期，输入数据源为输入周期计数器；

一移相输出计数器，与输出控制器连接，用于确定产生的波形与输入的波形之间的相位关系，输入数据源为SPI控制器通过输出控制器传送的数据；

一门控触发计数器，与输出控制器连接，用于确定周期内波形的输出的相对时段，输入数据源为SPI控制器通过输出控制器传送的数据(该功能类似于可控硅的触发波形)；

一SPI(同步串行接口)控制器，用于对输出控制器和波形算法控制器传送来的SPI指令进行分发及应答，在对指令和参数解析后分发给上述两个控制器；

一波形算法控制器，具有与SRAM连接的地址、数据和控制线，根据SPI控制器发出的指令，运算并产生波表，该波表在逐点产生时即被写入RAM；

一SRAM，与波形算法控制器及输出控制器连接，在波形算法控制器运算时与其相连接并存贮其产生的波形数据；在输出时，与输出控制器连接并读出SRAM中的数据以用做输出；

一输出控制器，连接SRAM、SPI控制器、输出周期计数器、输入周期计数器、移相输出计数器、门控触发计数器，用于对波形的输出进行控制，通过读取SRAM中的数据，并结合上述计数器的参数对波形进行综合调整，以输出符合外部控制器要求的波形；

一DAC，连接输出控制器，对输出的数据进行数模转换，以得到模拟的波形输出，该部分也不设置在FPGA内部。

优选的，上述波形算法控制器产生的波表为最多产生8种类型的720个字节的存贮空间，采用8位数据长度。上述SRAM具有该SRAM具有8*720个字节的存贮空间，采用8位数据长度。上述DAC为8位DAC。

工作时，该波形发生器具有2个基本的工作状态，一为设置状态，一为输出状态。

在设置状态下，SPI控制器、波形算法控制器及SRAM参与工作；SPI控制器接收到来自其他控制器的控制指令与控制参数，从中取出指令进行分发，波形算法控制器接收到SPI控制器转送的指令与参数产生出720点的8位的周期波形数据，并逐点存入SRAM，指令最多可控制并产生8组720点的波形数据。

在SPI控制的通讯与设置状态结束后，外部控制器可发送指令使FPGA进入输出状态，SPI控制器在接收到该指令后，将该指令解析后分发至输出控制器和波形算法控制器，2个控制器进行一些针对输出方面的控制操作。例如：SRAM由写状态更改为读状态，波形算法控制器释放地址线和数据线输出控制器使用等。

在由设置态转变为输出状态下的时候，静态SRAM中已经具有运算好的数据，各控制线已经就绪，输出控制器中一些相关的寄存器已经有输出需要的参数(这些参数也可有可能在输出运行中由SPI控制器改变从而实现在线调节)。

在输出状态下，电压信号通过一个过零点比较器后，形成一个同步于输入电压的方波，该方波送入FPGA，FPGA利用输入周期计数器对方波进行周期计算，在电压信号的一个完整的周期结束后，输入周期计数器得到一个周期值，输出控制器将该值送入输出周期计数器，从下一周期开始，输出控制器操作与波形产生相关的输出周期计数器，移相输出计数器，门控触发计数器进行工作，通过读取RAM中预先存贮的完整周期任意波形，形成数据进行输出，并经外部DAC转换后得到模拟波形输出。计算过程中，除第1周期外，每周期的输出均以上一周期输入的信息为基准，使其可做到很快的响应。

本发明提供的交流电子负载中的快速跟踪任意波形发生器，具有以下优点：

1.跟踪的响应速度大幅提升。

2.消除了频率响应时间的非线性。

3.频率响应的动态范围比显著增大。

4.灵活的输出控制以输出更多参数的波形。

附图说明

图1是本发明实施例的电气原理与FPGA内部功能单元框图。

具体实施方式

下面以非限定性的实施例来进一步解释、说明本技术方案。

一种交流电子负载中的快速跟踪任意波形发生器，如图1所示，包括：

一过零点比较器，具有滞回区间，将外部输入的电压信号转换为方波，该方波输入FPGA的周期计数器作为控制信号，该部分不设置在FPGA内部；

一输入周期计数器，以FPGA德内部时钟为基准，以上述输入方波为控制，通过对方波的边延判断完成对其的周期计数；

一输出周期计数器，与输出控制器连接，用于确定输出的波形的周期，输入数据源为输入周期计数器；

一移相输出计数器，与输出控制器连接，用于确定产生的波形与输入的波形之间的相位关系，输入数据源为SPI控制器通过输出控制器传送的数据；

一门控触发计数器，与输出控制器连接，用于确定周期内波形的输出的相对时段，输入数据源为SPI控制器通过输出控制器传送的数据(该功能类似于可控硅的触发波形)；

一SPI(同步串行接口)控制器，用于对输出控制器和波形算法控制器传送来的SPI指令进行分发及应答，在对指令和参数解析后分发给上述两个控制器；

一波形算法控制器，具有与SRAM连接的地址、数据和控制线，根据SPI控制器发出的指令，运算并产生最多8种类型的720点波表，该波表在逐点产生时即被写入RAM；

一SRAM，与波形算法控制器及输出控制器连接，在波形算法控制器运算时与其相连接并存贮其产生的波形数据；在输出时，与输出控制器连接并读出SRAM中的数据以用做输出，该SRAM具有8*720个字节的存贮空间，采用8位数据长度；

一输出控制器，连接SRAM、SPI控制器、输出周期计数器、输入周期计数器、移相输出计数器、门控触发计数器，用于对波形的输出进行控制，通过读取SRAM中的数据，并结合上述计数器的参数对波形进行综合调整，以输出符合外部控制器要求的波形；

一8位DAC，连接输出控制器，对输出的数据进行数模转换，以得到模拟的波形输出，该部分也不设置在FPGA内部。

工作时，该波形发生器具有2个基本的工作状态，一为设置状态，一为输出状态。

在设置状态下，SPI控制器，波形算法控制器及SRAM参与工作；SPI控制器接收到来自其他控制器的控制指令与控制参数，从中取出指令进行分发，波形算法控制器接收到SPI控制器转送的指令与参数产生出720点的8位的周期波形数据，并逐点存入SRAM；指令最多可控制并产生8组720点的波形数据。

举例说明：

例1：第1组波形为正弦波，波形相移30°；则指令为(ASSCII格式)：1：SIN 30；

SPI控制器接收到该指令，将SIN数据传送与波形算法控制器，波形算法控制器运用公式：

$D=255\times \mathrm{Sin}\frac{A}{2}$

A＝0-719

产生得到720点波表数据，并在产生过程中通过控制SRAM的地址与数据线将其写入SRAM。

其后，SPI控制器将30°的相移信息传送入输出控制器保存，待输出运行时由输出控制器运算使用。

例2：第6组波形为多次谐波(基波为1)，3次谐波0.2，5次谐波0.1，门触发角度20°，关断角度300°；则指令为(ASSCII格式)：6：FSY3：0.2；FSY5：0.1；PHA1：20；PHA2：300；

SPI控制器接收到该指令，将谐波相关的2组数据传送与波形算法控制器，波形算法控制器运用公式：

$D=255\times (\mathrm{Sin}\frac{A}{2}+B3\times \mathrm{Sin}\frac{A\times 3}{2}+B5\times \mathrm{Sin}\frac{A\times 5}{2})$(该公式经简化，实际应包含全部可能产生的谐波分量公式)

A＝0-719

因以上公式运算结果可能大于255，会导致波形的紊乱，所以，需予运算得到产生的最大值，再根据最大值与255的比例在第2次的运算中对D值进行幅值的降低，才能得到正确的结果。

门触发角度和门关断角度2组信息由SPI控制器传送入输出控制器保存，待输出运行时由输出控制器运算使用。

在SPI控制的通讯与设置状态结束后，外部控制器可发送指令使FPGA进入输出状态，SPI控制器在接收到该指令后，将该指令解析后分发至输出控制器和波形算法控制器，2个控制器进行一些针对输出方面的控制操作。例如：SRAM由写状态更改为读状态，波形算法控制器释放地址线和数据线输出控制器使用等。

在由设置态转变为输出状态下的时候，静态SRAM中已经具有运算好的数据，各控制线已经就绪，输出控制器中一些相关的寄存器已经有输出需要的参数(这些参数也可有可能在输出运行中由SPI控制器改变从而实现在线调节)。

在输出状态下，电压信号通过一个过零点比较器后，形成一个同步于输入电压的方波，该方波送入FPGA，FPGA利用输入周期计数器对方波进行周期计算，在电压信号的一个完整的周期结束后，输入周期计数器得到一个周期值，输出控制器将该值送入输出周期计数器，从下一周期开始，输出控制器操作与波形产生相关的输出周期计数器，移相输出计数器，门控触发计数器进行工作，通过读取RAM中预先存贮的完整周期任意波形，形成数据进行输出，并经外部DAC转换后得到模拟波形输出。计算过程中，除第1周期外，每周期的输出均以上一周期输入的信息为基准，使其可做到很快的响应。

例如：以上2例中，具有2组波形，现外部控制器要求以第1组波形进行输出，设置参数为：正弦波，波形相移30°，电压输入参数为电压36V、频率400Hz，系统时钟为150MHz。

在设置状态转为输出状态之初，SRAM数据已经计算好，以上有说明，移相输出寄存器的数据也已经由SPI控制器转发就绪，门控触发计数器没有使用故为空。

在第1个电压信号的完整周期后，输出周期计数器得到数据，其数据值如下：

$\mathrm{Td}=\frac{150000000}{400}=375000$(理论值，基本与实际计数值相同)

37500/720＝520.833

数据取整后约为521

移相输出寄存器值送入周期计数器作为初始值，该例为：

30*720/360＝60

720：波表点数    360：周期角度

150MHz的时钟经521分频输入周期计数器作为时钟，周期计数器的输出再经逻辑开关(门控触发使用)的控制，连接到SRAM的地址，使SRAM产生波形数据并送出，经DAC后转换为模拟波形后输出。