[发明专利]一种基于FPGA幅度偏置可调的波形发生电路及方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域的信号产生技术，具体涉及一种基于FPGA幅度偏置可调的波形发生电路及方法。

背景技术

波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。随着现代电子技术的不断发展，波形发生器的应用也越来越广泛，并且要求也越来越高。波形发生器正在向着高精度、高带宽、高稳定度、小型化、低功耗方向发展。高精度是指波形频率、幅度、相位等的高精度。小型化则依赖于简化外部电路。目前的幅度和偏置可调的波形发生方法依赖于硬件电路实现，这就使得外部电路复杂，调试难度大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于FPGA幅度偏置可调的波形发生电路及方法。

本发明所采用的系统由上位机、FPGA、DAC、滤波电路、程控放大电路组成。FPGA通过PCI-e总线与上位机相连。FPGA差分输出与DAC差分输入端相连，DAC输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路的输出端与程控放大电路的输入端相连，程控放大电路的输出结果即为所需波形。整个系统的工作流程描述如下：首先用户在上位机软件界面中设定波形种类、波形参数(包括幅度、频率、相位、直流偏置等)等信息，然后上位机通过PCI-e总线将波形数据和波形参数传送给FPGA。FPGA根据接收到的波形数据和波形参数产生相应的数字信号送入DAC。DAC完成数模转换后将模拟波形信号送入滤波电路进行滤波。最后通过程控放大电路进行幅度补偿即可完成整个波形信号产生。

所述的基于FPGA幅度偏置可调的波形发生电路由FPGA、DAC、滤波电路、程控放大电路构成。FPGA用于与上位机通信及波形数据的发生。波形数据送于DAC产生对应的波形模拟量经过后级滤波电路滤除噪声。最终经由程控放大电路进行波形幅度放大及补偿，改善频率效应引起的波形幅度的损失。所提供的设计方案在最后一级之前使用差分输出，抑制共模噪声，提高电路的抗干扰能力。最后一级将差分信号转为单端信号作为整个系统的输出。

所述的基于FPGA幅度偏置可调的波形发生方法步骤如下：

1.确定波形数据宽度。DAC的选择确定了波形数据宽度，如选择波形数据宽度为N。

2.确定波形数据范围。根据1设定的波形数据宽度为N,则最大存储波形数据范围应为0-2N。

设DAC的负载电阻为R₀，上下接地电阻分别为R₁、R₂,输出最大电流为I，负载电阻上电压峰峰值为U_PP，负载电阻上电流峰峰值为I_PP，则U_PP＝R₀*I_PP。现需要计算I_PP与I_P的关系。

根据叠加定理：I_P+I_N＝I。

其中：I_P：同相输入电流；

I_n：反相输入电流；

I_P单独作用，设向上电流为I_P1，向下电流为I_P2，则：

I_P＝I_P1+I_P2

I_N单独作用，设向上电流为I_N1，向下电流为I_N2，则：

I_N＝I_N1+I_N2

则差分后电流输出为：

设差分后电流输出为I_out，则存在下述关系I_PP：

其中：I_Pmax指I_P的最大值；

I_Pmin指I_P的最小值；

由于没有负电压，在无直流输出时应满足直流等于输出电流的峰峰值。因此可以得到如下等式：

由等式(1)、(2)可以得到如下结果：

由上述等式可以得到，在无直流偏置时输出电流范围