專利名稱：：一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統和方法
技術領域：
：本發明涉及計量、控制領域，特別是一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統和方法。
背景技術：
：正弦波作為測試或載波信號，具有廣泛的應用，是最重要和最基本的波形，在實際應用中，如何降低正弦波產生過程中的諧波噪聲，是一個很基本也很重要的研究課題。數字合成正弦波，是一個以數字模擬轉換器(D/A轉換器)為核心，用矩形臺階擬合產生正弦波信號的技術，它在計量、控制等領域有著廣泛的應用。通過試驗和分析表明，一般數字合成正弦波具有較大的諧波噪聲，要產生低噪聲的正弦波，一般通過后續的高階低通濾波進行改善，但要求頻率可調時，后續的濾波電路設計和實現是非常困難，特別是要產生頻率可調的高精度低噪聲數字合成正弦波時，幾乎無法實現。
發明內容為了產生頻率可調的高精度低噪聲數字合成正弦波，本發明提出了一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統和方法，能有效降低數字合成正弦波諧波噪聲。本發明的技術方案如下—種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，包括頻率和相位控制器、數字合成正弦波電路、諧波抵消函數產生電路、加法電路和低通濾波器，所述頻率和相位控制器同時連接數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路，所述數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路分別連接至加法電路，加法電路與低通濾波器連接。所述數字合成正弦波電路根據頻率和相位控制器設定的頻率產生一個階梯型正弦波，所述諧波抵消函數產生電路根據頻率和相位控制器設定的頻率產生一個與階梯型正弦波同步的諧波抵消信號，所述加法電路將階梯型正弦波信號與諧波抵消信號疊加后得到部分諧波分量已被抵消或被減小的輸出信號。所述數字合成正弦波電路為EPR0M和DAC組成的電路，輸出的階梯型正弦波信號為「____，廣,、T,2W_1.2;r.、,,/r(/+1)7^"、/(,)二K^^.sm^^，當^S/〈^^時..............................(1)式(1)中Vi-—為D/A轉換器參考電壓，V;f(t)-—為合成正弦波瞬時電壓，V;N—-為D/A轉換器的位數；T-—為正弦波周期，s;t—_為時間，s;i=0，1，2，3，.........，M.所述諧波抵消函數產生電路為EPROM和DAC及其1/2N衰減器組成的電路，輸出的諧波抵消函數波信號為w，w2"22W.i[(2'i、.2;r,i/，w■!、.2tt.-(2—l)sin——z當〖時….…(6)式(6)中(2W-l)'sin二77'表示對(2W_1)^11^/截斷取整(所述頻率和相位控制器為CPU控制，能夠根據設定頻率產生EPROM尋址編碼序列，給數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路同時提供相同的尋址編碼序列。所述加法電路是由精密交流電阻器和運算放大器組成的反相加法器，輸出電壓信號函數為/(:)=/(,)+"................................................(7)所述低通濾波器為高階巴特沃斯低通濾波器。—種降低數字合成正弦波諧波噪聲的方法，包括以下步驟1)首先，在上述降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統中的數字合成正弦波電路的EPROM中存入正弦波數據表，在諧波抵消函數產生電路的EPROM中存入諧波抵消函數波數據表；2)頻率和相位控制器根據設定的頻率，控制數字合成正弦波電路產生一個階梯型正弦波，同時控制諧波抵消函數產生電路產生一個與階梯型正弦波同步的諧波抵消函數波；3)將諧波抵消函數波經過2W衰減后和階梯型正弦波通過加法電路進行疊加，疊加后的輸出信號與階梯型正弦波相比，基波和M-1次諧波不變，其它諧波分量得到有效抵消；4)將疊加抵消后的輸出信號通過低通濾波器，合適選取截止頻率，使其能有效濾除M-1次以上諧波而不影響基波精度，將遠離基波的M-1次和更高次諧波濾除后，得到諧波噪聲很小的正弦波信號。所述步驟1)中，是利用計算機，根據公式(1)計算出正弦波數據表，存入數字合成正弦波電路的EPROM中，再利用計算機，根據公式(6)并放大2M咅后計算出諧波抵消波數據表，存入諧波抵消函數產生電路的EPROM中。所述步驟2)中，頻率和相位控制器為CPU控制，根據設定的頻率，產生EPROM尋址編碼序列，將相同的尋址編碼序列同時送入數字合成正弦波電路中的EEPROM和諧波抵消函數產生電路中的EEPROM，所述步驟3)中，低通濾波器采用高階巴特沃斯低通濾波器，選用一個固定截止頻率的濾波電路，無需調節濾波電路參數。本發明的技術效果本發明提出了一種"諧波抵消法"，利用諧波抵消函數產生電路，根據設定的頻率，控制數字合成正弦波電路產生一個階梯型正弦波，同時控制諧波抵消函數產生電路產生一個與階梯型正弦波同步的"諧波抵消信號"，這兩個信號經過加法電路疊加后，輸出信號中的基波信號和M-l次諧波分量不被抵消，其它諧波分量明顯減小，再通過低通濾波器，合適選取截止頻率，濾除遠離基波的M-l次和更高次諧波，就能得到諧波噪聲很小的正弦波信號。具體的分析如下(1)階梯型正弦波信號特性分析階梯型正弦波信號是一個奇函數，故可將其展成一個正弦級數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>用四舍五入函數R[]實現截斷取整，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>對于基波，k=l，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>同頻信號正交，將取得極大值，也是最大值。對于M-l次諧波，k=M-l，有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>也為同頻信號正交，將取得另一個極大值，但其幅值比k二l衰減了(M-l)倍<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>分析偶次諧波情況，先看式(11)中的部分函數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>對于偶次諧波，k=2n，(n=1，2，3，……)因此有67=,,,-sin-〉pm=0同理可得當k為奇數時，k=2n+l，(n=1，2，3，)，有A.m、=因此有<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>必要時，可以利用式(18)減少計算量。利用公式(19)，用計算機數值計算可得基波和各次諧波分j<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>[OO75]例如M=128，N=16，計算結果見表l，其頻譜特性見圖2。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表1，基波和各次諧波分量及其它性能指標(M=128，N=16)由此可見，若不采取措施，各諧波電壓都在iiV數量級，M-1次諧波電壓約80mV，總噪聲達到0.2V。通過計算機數值計算分析，還可以得到內插點數M的變化對基波和各次諧波影響情況，例如M二128,256,512，1024，2048，4096，計算結果見表2<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表2內插點數M變化對基波和各次諧波影響情況從表2數據可以看出，增大內插點數M能有效減小基波電壓相對誤差，對M-l次諧:也有一定改善，對其它各次諧波分量不但沒有改善反而加大了。若采取濾波的辦法全面濾除各諧波分量，對濾波器的要求很高，需要隨著輸出電壓的頻率變化改變濾波參數，很困難圖2為數字合成正弦波電路電壓頻譜圖(M=128，N=16)。圖3為諧波抵消后電壓頻譜圖(M=128，N=16)。具體實施例方式以下結合附圖，對本發明作進一步具體說明參見圖1，一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，包括頻率和相位控制器、數字合成正弦波電路、諧波抵消函數產生電路、加法電路和低通濾波器，所述頻率和相位控制器同時連接數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路，所述數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路分別連接至加法電路，加法電路與低通濾波器連接。所述數字合成正弦波電路根據頻率和相位控制器設定的頻率產生一個階梯型正弦波，所述諧波抵消函數產生電路根據頻率和相位控制器設定的頻率產生一個與階梯型正弦波同步的諧波抵消信號，所述加法電路將階梯型正弦波信號與諧波抵消信號疊加后得到部分諧波分量已被抵消或被減小的輸出信號。本實施例中，所述數字合成正弦波電路為EPROM和DAC(模數轉換電路)組成的電路，輸出的階梯型正弦波信號為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>(1)0116]0117]0118]0119]0120]0121]0122]0123]0124]0125]式(1)中-一為D/A轉換器參考電壓，V;f(t)-一為合成正弦波瞬時電壓，V;N-—為D/A轉換器的位數；T-一為正弦波周期，S;t-一為時間，S;i=0，1，2，3，.........，M.M-—為周期內插點數；也可利用單位階越函數u(t)，將式(1)表示為2W(2W—l).sinM0126]/(0=2;r72tt2W0127]式(2)和式(3)中0128]M-—為周期內插點數；(2"-l)-sin——/0129](2'、'-l).s2;r.——iA/如("——)一w(/)]'如——w(——)]'MM2;r(2)(3)表示對(2"-1》sin^/截斷取整；M0130]0131]0132]0133]i=0，1，2，3，.........，M.輸出階梯型正弦波信號的級數形式(4)Itt，m-1n.2"，.'l)-sin-J'sin中2Att/+Att(5)0134]所述諧波抵消函數產生電路由EPROM和DAC及其1/2N衰減器組成的電路，輸出的諧波抵消函數波信號為0135]2W—l).sirA]—(2w-l)sin^,時…0136]0137]0138]……(6)式(6)中(2A-l).sin^Z2tt表示對(2^-1)，sin:/截斷取整；0139]頻率和相位控制器為CPU控制，能夠根據設定頻率產生EPROM尋址地址編碼序列，給數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路同時提供相同的地址編碼序列。0140]加法電路是由精密交流電阻器和運算放大器組成的反相加法器；低通濾波器為高階巴特沃斯低通濾波器。0141]—種降低數字合成正弦波諧波噪聲的方法，包括以下步驟0142]1)首先，在上述降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統中的數字合成正弦波電路的EPR0M中存入正弦波數據表，在諧波抵消函數產生電路的EPROM中存入諧波抵消函數波數據表；2)頻率和相位控制器根據設定的頻率，控制數字合成正弦波電路產生一個階梯型正弦波，同時控制諧波抵消函數產生電路產生一個與階梯型正弦波同步的諧波抵消函數波；3)將諧波抵消函數波經過2W衰減后和階梯型正弦波通過加法電路進行疊加，疊加后的輸出信號與階梯型正弦波相比，基波和M-1次諧波不變，其它諧波分量得到有效抵消；4)將疊加抵消后的輸出信號通過低通濾波器，合適選取截止頻率，使其能有效濾除M-1次以上諧波而不影響基波精度，將遠離基波的M-1次和更高次諧波濾除后，得到諧波噪聲很小的正弦波信號。其中，所述步驟1)中，是利用計算機，根據公式(1)計算出正弦波數據表，存入數字合成正弦波電路的EPROM中，再利用計算機，根據公式(6)并放大2M咅后計算出諧波抵消波數據表，存入諧波抵消函數產生電路的EPROM中。頻率和相位控制器為CPU控制，根據設定的頻率，產生EPROM尋址地址編碼序列，將相同的地址編碼序列同時送入數字合成正弦波電路中的EEPROM和諧波抵消函數產生電路中的EEPROM，低通濾波器采用高階巴特沃斯低通濾波器，可以采用一個固定截止頻率的濾波電路，無需調節濾波電路參數。例如，采用一個7階巴特沃斯濾波器，截止頻率取35kHz，在50Hz10kHz輸出信號頻率范圍內，可以將所有的M-l次諧波衰減到占輸出電壓的0.5ppm以下，而對10kHz最高頻率輸出電壓有效信號(基波)的衰減量小于0.lppm。應當指出，以上所述具體實施方式可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換；而一切不脫離本實用新型的精神和范圍的技術方案及其改進，其均涵蓋在本發明創造專利的保護范圍當中。1權利要求一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，包括頻率和相位控制器、數字合成正弦波電路、諧波抵消函數產生電路、加法電路和低通濾波器，所述頻率和相位控制器同時連接數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路，所述數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路分別連接至加法電路，加法電路與低通濾波器連接。2.根據權利要求1所述的降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，所述數字合成正弦波電路根據頻率和相位控制器設定的頻率產生一個階梯型正弦波，所述諧波抵消函數產生電路根據頻率和相位控制器設定的頻率產生一個與階梯型正弦波同步的諧波抵消信號，所述加法電路將階梯型正弦波信號與諧波抵消信號疊加后得到部分諧波分量已被抵消或被減小的輸出信號。3.根據權利要求1所述的降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，所述數字合成正弦波電路為EPR0M和DAC組成的電路，輸出的階梯型正弦波信號為。、12WMMA/式(1)中-一為D/A轉換器參考電壓，V;f(1)(t)為合成正弦波瞬時電壓，V;N-—為D/A轉換器的位數；T-一為正弦波周期，S;t-一為時間，S;i=0，1，2，3，.........，M.M-—為周期內插點數；所述諧波抵消函數產生電路為EPROM和DAC及其1/2N衰減器組成的電路，輸出的諧波抵消函數波信號為時.……(6)式(6)中72W.i[(2'2;r1)sin——/Af/<("IF(2'、1).2;r——jA/表示對(2'力-sin^^'截斷取整。4.根據權利要求1所述的降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，所述頻率和相位控制器為CPU控制，能夠根據設定頻率產生EPROM尋址編碼序列，給數字合成正弦波電路和諧波抵消函數產生電路同時提供相同的地址編碼序列。5.根據權利要求1所述的降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，所述加法電路是由精密交流電阻器和運算放大器組成的反相加法器，輸出電壓信號函數為................................................(7)6.根據權利要求1所述的降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統，其特征在于，所述低通濾波器為高階巴特沃斯低通濾波器。7.—種降低數字合成正弦波諧波噪聲的方法，包括以下步驟1)首先，在上述降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統中的數字合成正弦波電路的EPROM中存入正弦波數據表，在諧波抵消函數產生電路的EPROM中存入諧波抵消函數波數據表；2)頻率和相位控制器根據設定的頻率，控制數字合成正弦波電路產生一個階梯型正弦波，同時控制諧波抵消函數產生電路產生一個與階梯型正弦波同步的諧波抵消函數波；3)將諧波抵消函數波經過2W衰減后和階梯型正弦波通過加法電路進行疊加，疊加后的輸出信號與階梯型正弦波相比，基波和M-1次諧波不變，其它諧波分量得到有效抵消；4)將疊加抵消后的輸出信號通過低通濾波器，合適選取截止頻率，使其能有效濾除M-l次以上諧波而不影響基波精度，將遠離基波的M-l次和更高次諧波濾除后，得到諧波噪聲很小的正弦波信號。8.根據權利要求7所述的一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的方法，其特征在于，所述步驟l)中，是利用計算機，根據公式(1)計算出正弦波數據表，存入數字合成正弦波電路的EPROM中，再利用計算機，根據公式(6)并放大2M咅后計算出諧波抵消波數據表，存入諧波抵消函數產生電路的EPROM中。9.根據權利要求7所述的一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的方法，其特征在于，所述步驟2)中，頻率和相位控制器為CPU控制，根據設定的頻率，產生EPROM尋址地址編碼序列，將相同的地址編碼序列同時送入數字合成正弦波電路中的EEPROM和諧波抵消函數產生電路中的EEPROM。10.根據權利要求7所述的一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的方法，其特征在于，所述步驟3)中，低通濾波器采用高階巴特沃斯低通濾波器，選用一個固定截止頻率的濾波電路，無需調節濾波電路參數。全文摘要本發明提出了一種降低數字合成正弦波諧波噪聲的系統和方法，包括頻率和相位控制器、數字合成正弦波電路、諧波抵消函數產生電路、加法電路和低通濾波器，利用諧波抵消函數產生電路，根據設定的頻率，控制數字合成正弦波電路產生一個階梯型正弦波，同時控制諧波抵消函數產生電路產生一個與階梯型正弦波同步的“諧波抵消函數波”，這兩個信號經過加法電路疊加后，輸出信號中的基波信號和M-1次諧波分量不被抵消，其它諧波分量明顯減小，再通過低通濾波器，合適選取截止頻率，濾除遠離基波的M-1次和更高次諧波，就能得到諧波噪聲很小的正弦波信號。文檔編號H03K4/92GK101777890SQ20091024369公開日2010年7月14日申請日期2009年12月23日優先權日2009年12月23日發明者嚴明,馮文武,潘攀,王斌申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一四研究所