阅读说明：本技术 多通道同步的高精度大量程任意信号发生器及其级联系统 (Multichannel synchronous high-precision wide-range arbitrary signal generator and cascade system thereof ) 是由 田武刚 徐伟专 胡洪德 梁若愚 廖丹 甘伟 范亚 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及任意信号发生器,具体说是多通道同步的高精度大量程任意信号发生器及其级联系统,其中任意信号发生器包括电源模块和输入模块,还包括ARM+FPGA双核处理系统和多个单路任意信号产生模块,用户通过所述输入模块将设置的多路输出信号的参数传送至所述ARM+FPGA双核处理系统,该所述ARM+FPGA双核处理系统根据用户设置的参数对应控制所述多个单路任意信号产生模块同步产生输出信号；所述电源模块为该ARM+FPGA双核处理系统和多个单路任意信号产生模块供电。本发明可以产生多路任意信号输出,且输出信号准确度高,输出信号严格同步,同步精度误差小。(The invention relates to an arbitrary signal generator, in particular to a multichannel synchronous high-precision large-range arbitrary signal generator and a cascade system thereof, wherein the arbitrary signal generator comprises a power module and an input module, and also comprises an ARM + FPGA dual-core processing system and a plurality of single-path arbitrary signal generating modules; and the power supply module supplies power to the ARM + FPGA dual-core processing system and the plurality of single-path arbitrary signal generating modules. The invention can generate multi-channel arbitrary signal output, and has high accuracy of output signals, strict synchronization of output signals and small error of synchronization precision.)

多通道同步的高精度大量程任意信号发生器及其级联系统

技术领域

本发明涉及任意信号发生器，具体说是一种多通道同步的高精度大量程任意信号发生器及其级联系统。

背景技术

任意信号发生器是一种能够提供产生任意波形输出电压信号的设备，作为测试系统的信号源或者激励源，具有广阔的应用市场。量子计算、纳米科学、高精密实验等新兴领域对任意信号发生器提出了越来越高的要求，具体是：（1）具有多通道（16通道及以上）输出；（2）多个通道具备同步输出功能；（3）输出信号精度高；（4）输出信号范围大，电压达到±100V。而现有的任意信号发生器一般只能产生2路输出，输出信号精度不高，输出信号范围为±10V，因此现有的任意信号发生器难以满足新兴科技领域的高技术性能指标的要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种多通道同步的高精度大量程任意信号发生器，其能够根据用户的设置产生16路任意信号输出，输出信号精度高，16路输出信号严格同步，16路输出信号的范围可达到±100V，该信号发生器可以满足各种测试系统的测试需求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：多通道同步的高精度大量程任意信号发生器，包括电源模块和输入模块，还包括ARM+FPGA双核处理系统和多个单路任意信号产生模块，用户通过所述输入模块将设置的多路输出信号的参数传送至所述ARM+FPGA双核处理系统，该所述ARM+FPGA双核处理系统根据用户设置的参数对应控制所述多个单路任意信号产生模块同步产生输出信号；所述电源模块为该ARM+FPGA双核处理系统和多个单路任意信号产生模块供电。

作为优选，所述输入模块包括功能键盘或触摸式显示屏，用户通过该功能键盘或触摸式显示屏设置多路输出信号的参数，并传送至所述ARM+FPGA双核处理系统。

作为优选，所述输入模块包括千兆以太网，用户设置的多路输出信号波形文件通过该千兆以太网传输至所述ARM+FPGA双核处理系统。

作为优选，用户通过上位机设置多路输出信号的参数，并通过千兆以太网传输到所述ARM+FPGA双核处理系统。

作为优选，所述ARM+FPGA双核处理系统包括ARM处理器+FPGA处理器、DDR SDRAM、Flash、FT卡；所述ARM处理器用于完成人机接口、数据转发、数据存贮；所述FPGA处理器用于完成DAC、ADC和时钟同步处理；所述DDR SDRAM用于运行程序和算法；所述Flash用于存贮程序和FPGA流文件；所述FT卡用于存贮用户的信号波形文件。

作为优选，每一个单路任意信号产生模块包括高速高精度DAC、滤波放大器、高电压放大器、程控滤波器、电流取样电路、电压取样电路、ADC和电压基准；所述ARM+FPGA双核处理系统根据用户设置的参数计算得到输出信号对应数字值、更新率，然后转换为DAC输入值，并发送到所述高速高精度DAC，产生模拟输出信号，该模拟输出信号经过所述滤波放大器、高电压放大器和程控滤波器后得到最终的输出信号；最终的输出信号的电流值依次通过所述电流取样电路、放大器和ADC采样传输到ARM+FPGA双核处理系统；最终的输出信号的电压值依次通过所述电压取样电路、另一个放大器和另一个ADC采样传输到ARM+FPGA双核处理系统；所述电压基准用于给所述高速高精度DAC、ADC和另一个ADC提供高精度、高稳定性电压基准。

作为优选，所述电源模块包括AC 200V电源、3个AC-DC模块、3个滤波模块和3个线性稳压模块。

本发明还提供一种由所述多通道同步的高精度大量程任意信号发生器组成的级联系统，其包括千兆以太网交换机和上位设备，每一个多通道高精度大量程信号发生器通过千兆LAN连接至所述千兆以太网交换机，所述上位设备连接至所述千兆以太网交换机，每个多通道高精度大量程信号发生器设置不同的IP地址，所述上位设备将多通道的信号数据分别传输到每个多通道高精度大量程信号发生器产生多路输出信号，其中一个多通道高精度大量程信号发生器的同步信号输出连接到其它多通道高精度大量程信号发生器的同步信号输入。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

（1）可以产生16路任意信号输出；

（2）16路输出信号准确度高；

（3）16路输出信号严格同步，同步精度误差小；

（4）16路输出信号的范围为±100V；

（5）可以同步测量16路输出信号的电压和电流；

（6）16路输出信号可以选择闭环方式，进一步提高输出精度；

（7）多台设备可以非常方便连接扩展为更多通道任意信号输出；

（8）系统具有可靠性高，操作简单方便。

附图说明

图1是本发明的任意信号发送器的结构框图。

图2是本发明的双核处理系统的结构框图。

图3是本发明的单路任意信号产生模块的结构框图。

图4是本发明的电源模块的结构框图。

图5是本发明的级联系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合图1-图5和实施例详细介绍本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1，本发明提供了一种多通道同步的高精度大量程任意信号发生器，其包括ARM+FPGA双核处理系统1、多个单路任意信号产生模块2、具体是单路任意信号产生模块2-1有16个，还包括电源模块3、功能键盘4、触摸式显示屏5、上位机6。多通道同步的高精度大量程任意信号发生器的工作原理和过程为：用户通过功能键盘或者触摸式显示屏设置所要产生的16路输出信号的参数，设置完成之后，ARM+FPGA双核处理系统根据用户的设置参数控制16个单路任意信号产生模块同步产生输出信号；用户也可以在上位机设置所要产生的16路输出信号的参数，然后通过千兆以太网传输到ARM+FPGA双核处理系统，或者直接将16路输出信号波形文件通过千兆以太网传输到ARM+FPGA双核处理系统，最后ARM+FPGA双核处理系统根据用户设置产生输出信号，从而产生16路任意信号输出，其输出信号准确度高；16路输出信号严格同步，其同步精度误差小。

如图2，本发明的ARM+FPGA双核处理系统包括ARM处理器+FPGA处理器1-1、DDRSDRAM1-2、Flash1-3、FT卡1-4、千兆网PHY1-5，及千兆LAN、显示、键盘口、外部触发、同步信号输出、同步信号输入等接口。所述ARM处理器+FPGA处理器可以分别采用一片ARM和一片FPGA芯片组成，或者采用一片ARM+FPGA双核芯片，优先推荐采用一片ARM+FPGA双核芯片以提高系统的集成性。ARM处理器主要完成人机接口、数据转发、数据存贮等功能，FPGA处理器主要完成DAC、ADC、时钟同步等对时序要求严格的处理功能。DDR SDRAM的作用是运行信号发生器的程序和算法，根据所选择的ARM处理器芯片合理选择。Flash的作用是存贮程序和FPGA流文件，根据存贮容量和ARM处理器芯片接口合理选择。FT卡主要用于存贮用户常用的一些信号波形文件。

如图3，本发明的单路任意信号产生模块包括高速高精度DAC2-1-1、滤波放大器2-1-2、高电压放大器2-1-3、程控滤波器2-1-4、电流取样电路2-1-5、电压取样电路2-1-8、ADC2-1-7、电压基准2-1-11。单路任意信号产生模块2-1的工作原理和过程为：ARM+FPGA双核处理系统1根据用户设置的参数计算得到输出信号对应数字值、更新率等，然后转换为DAC输入值，发送到高速高精度DAC，产生模拟输出信号，DAC输出的模拟信号经过滤波放大器、高电压放大器和程控滤波器等之后得到最终的输出信号；通过电流取样电路2-1-5、放大器2-1-6和ADC2-1-7将最终的输出信号的电流值采样传输到ARM+FPGA双核处理系统；通过电压取样电路2-1-8、另一个放大器2-1-9和另一个ADC2-1-10将最终的输出信号的电压值采样传输到ARM+FPGA双核处理系统，由此可同步测量16路输出信号的电压和电流。电压基准2-1-11用于给高速高精度DAC和2个ADC提供高精度、高稳定性电压基准，以提高DAC输出信号的精度和ADC采样信号的精度。

本发明电流取样电路可以采用小型穿孔式非接触电流传感器，或者高精密电阻，信号输出电流较大时推荐采用小型穿孔式非接触电流传感器，信号输出电流较小时推荐采用高精密电阻；电压取样电路可以采用高精密电阻进行分压。高速高精度DAC采用分辨率18位以上，更新率1MHz以上的DAC芯片；电压取样后的ADC芯片也采用分辨率18位以上，采样率5MHz以上的ADC芯片；电流取样后的ADC芯片也采用分采样率5MHz以上，分辨率16位的ADC芯片。在实施过程中，如果输出信号为直流或者周期信号，可以根据电压取样后的ADC的采样值在ARM+FPGA双核处理系统根据输出信号的设置值，对输出信号构成一个数字闭环控制系统，进一步提高输出信号的精度。

图4所示为电源模块的结构框图，主要包括：AC 200V电源3-1，3个AC-DC模块3-2，3个滤波模块3-5、3个线性稳压模块3-8。电源模块的作用是提供整个系统所需要的±110V、±15V、3.3V等直流电压。AC-DC模块作用是把交流输入转换为直流输出，滤波模块作用是减小AC-DC模块直流输出的噪声，线性稳压模块的作用是进一步减小直流电源的噪声。

如图5，本发明采用4个16通道高精度大量程信号发生器级联在一起，构成64通道高精度大量程信号发生器的级联系统，其主要包括：4个16通道高精度大量程信号发生器01、千兆以太网交换机05、上位设备06。4个16通道高精度大量程信号发生器的千兆LAN连接到1个千兆以太网交换机，上位设备也连接到千兆以太网交换机，4个16通道高精度大量程信号发生器设置不同的IP地址，上位设备可以将64通道的信号数据分别传输到个16通道高精度大量程信号发生器，产生64路输出信号。1个16通道高精度大量程信号发生器的同步信号输出连接到其它3个16通道高精度大量程信号发生器的同步信号输入，这样可以保证64通道输出信号完全同步。

实施例

首先，设计完成ARM+FPGA双核处理系统。选择ARM处理器芯片、FPGA处理器芯片、DDR SDRAM芯片、千兆网PHY芯片、Flash芯片TF卡等设计组成ARM+FPGA双核处理系统，优先推荐选择ARM+FPGA双核处理芯片。DDR SDRAM读写速度快用于运行程序和缓存数据，Flash存储器掉电后数据不丢失，用于保存程序和FPGA流文件；TF卡主要用于存贮用户常用的一些信号波形文件，选择合适容量的卡；千兆网PHY芯片根据FPGA处理芯片选择合适的即可。

然后，设计完成单路任意信号产生模块。选择合适的集成运放设计放大器和滤波放大器，选择合适功率电子器件设计高压放大器，选择合适继电器和电阻、电容、电感等设计程控滤波器，选择高速高精度DAC芯片设计模拟信号产生电路，选择合适的电流取样、电压取样、DAC芯片等设计输出信号的电流和电压采样电路，选择高精度高稳定性电压基准芯片设计基准电压给ADC和DAC提供参考电压，将这些功能模块组合在一起完成单路任意信号产生模块。

其次，设计完成电源模块。选择合适的AC-DC模块，设计电压滤波模块，选择合适的线性稳压模块。最后，将设计完成的ARM+FPGA双核处理系统、16个单路任意信号产生模块、电源模块组成在一起，实现一个16通道同步的高精度大量程任意信号发生器。且，可将4个上述的16通道高精度大量程信号发生器级联在一起，构成64通道高精度大量程信号发生器的级联系统。