[发明专利]一种生成谐波信号的方法及谐波信号发生器

说明书

技术领域

本发明涉及信号与信息系统领域，特别涉及一种生成谐波信号的方法及谐波信号发生器。

背景技术

谐波信号发生器在通信、检测、导航等领域有着广泛的应用。特别是在高压电力系统的检测领域，常常用谐波信号发生器模拟电网谐波，对检测设备的性能进行校验，例如高压电力线路的相位检测，避雷器的性能检测，用户电能表的性能校验等。

早期的谐波信号发生器用模拟电路搭建，主要由乘法器、除法器、混频器、滤波器和快速开关构成，其缺点是谐波参数可调性差、输出信号的精度差、稳定度不高；若产生较复杂的谐波信号，则电路非常复杂、体积庞大、不易移动。

随着晶体管工艺的出现和发展，大规模集成电路得到广泛的应用。出现了一种以DSP+FPGA为基本架构的谐波信号发生器。如图1所示，为现有技术中一种谐波信号发生器生成谐波的工作流程图。首先获取各次谐波的幅度补偿系数；根据当前各次谐波的输出位标识确定当前谐波公式；根据所述幅度补偿系数及所述当前谐波公式获取当前谐波的波表数据；获取幅度配置增益系数，所述幅度配置增益系数为谐波波形的幅度最大值与基波波形的幅度最大值的比值；将所述波表数据、基波参数、所述幅度配置增益系数和基波幅度的乘积配置到现场可编程门阵列FPGA中，以供直接数字式频率合成器DDS输出；配置DDS的运行标志位和输出标识位以输出谐波波形。

由图1提高的谐波信号发生器的工作流程可知，谐波信号发生器的DSP芯片按照式（1）的产生当前谐波的波表数据，并配置至FPGA芯片中，由FPGA芯片以DDS方式输出。

正弦信号的三要素是幅度、相位和频率，谐波信号由各次谐波叠加而成，它的参数也包括基波的幅度、初始相位及频率和各次谐波的幅度、初始相位及频率。在式（1）中，分别用A_i、θ_i、f_i表示；其中i是谐波的次数，f₀(t)称为基波，f₁(t)表示二次谐波，f₂(t)表示三次谐波，以此类推。

在式（1）中，有比较耗时的乘法、加法、求正弦等运算，随着谐波次数的增多，运算时间会成倍增加；而且，波表数据的每一个点都需要计算，因此整个运算时间会很长。除了频率，上述谐波参数发生改变时，即使是很小的变化，例如基波的初始相位从0度修改为1度，也需要重新计算所有点的波表数据，然后重新配置给FPGA。按照10nS的DSP指令周期、8次谐波、16384个点的波表数据估算，由图1提供的谐波信号发生器的整个响应时间约为2秒钟。总之，该谐波信号发生器的捷变性差，且占用DSP较长处理时间。

另外，图1提供的谐波信号发生器的各次谐波的形状都只能是正弦波；现有市场上的谐波信号发生器的谐波形状也只有正弦波和方波两种，较为单一。在实际应用环境中，n次谐波的频率往往有畸变，并非基波频率的整数倍，这就要求谐波信号发生器的各次谐波的频率能够灵活设置。但图1提供的谐波信号发生器的n次谐波的频率是基波的n倍，只能实现整数倍的关系，无法满足实际的需要。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种生成谐波信号的方法及谐波信号发生器，能够实现谐波参数改变时，谐波信号发生器能够快速响应，不需要长时间的运算和处理，并且满足实际的需要。

为实现上述目的，本发明提供了一种谐波信号发生器，该谐波信号发生器基于DSP 芯片和FPGA 芯片生成谐波信号；

所述DSP 芯片，用于获取基波的幅度系数、初始相位字和频率控制字，各次谐波对应的幅度系数、初始相位字和频率控制字以及基波波表数据并传输至所述FPGA芯片；

所述FPGA芯片，用于根据所述DSP芯片获取的信息生成谐波信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述FPGA芯片包括谐波信号分量获取单元和谐波加法单元；

所述谐波信号分量获取单元，用于根据所述DSP 芯片获取的信息生成谐波信号的各分量f_i(kT_s)；其中，i为谐波信号中的谐波次数，i≥0；

所述谐波加法单元，用于将所述谐波信号分量获取单元生成的谐波信号的各分量相加生成谐波信号。

可选的，在本发明一实施例中，所述谐波信号分量获取单元包括相位累加模块、相位加法模块、波形存储模块和幅度乘法模块；

所述相位累加模块，用于当启动信号有效时在所述FPGA芯片的时钟脉冲f_s上升沿时累加一次频率控制字来产生相码；