本發(fā)明屬于儀器儀表領(lǐng)域，涉及一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)

背景技術(shù)：

1、dac是指將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬的電流或電壓輸出的轉(zhuǎn)換器，是連接數(shù)字系統(tǒng)和自然信息的重要組件，在控制、通訊以及檢測等集成設(shè)備和系統(tǒng)中都有廣泛應(yīng)用。dac常常被用于設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信號源，以產(chǎn)生高精度的模擬輸出，例如高速高精度的信號發(fā)生器就需要高性能的dac器件作為支撐。

2、正弦信號發(fā)生器是一種常見的電子設(shè)備或電路，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、純凈的正弦信號。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、通信系統(tǒng)、音頻設(shè)備、儀器校準(zhǔn)與測量以及工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。正弦信號發(fā)生器的主要作用是為各種應(yīng)用提供所需的正弦波信號，滿足信號調(diào)試、頻率響應(yīng)測試、通信信號生成、聲音測量與校準(zhǔn)以及電路功能驗(yàn)證等需求。它們在不同領(lǐng)域中扮演著重要的角色，為相關(guān)應(yīng)用提供基礎(chǔ)和支持。

3、理想情況下，dac會將接收到的數(shù)字信號按照一定的比例轉(zhuǎn)換為模擬信號，而由于制造上的缺陷與工作環(huán)境的影響，實(shí)際dac在不同條件下的數(shù)模轉(zhuǎn)換比例并非固定的常數(shù)，這其中主要包含了偏置誤差、增益誤差以及非線性誤差。這些誤差會引起信號的不穩(wěn)定與諧波畸變，對轉(zhuǎn)換得到的模擬信號質(zhì)量與精度產(chǎn)生較大的影響，所以對dac誤差進(jìn)行補(bǔ)償是必要的。在補(bǔ)償前，通常先通過擬合的方式，得到dac誤差規(guī)律，再根據(jù)擬合所得誤差曲線在dac輸入處做數(shù)字量補(bǔ)償。

4、最小二乘法是解決曲線擬合問題最常用的方法。其基本思路是令殘差的平方和最小，稱為最小二乘準(zhǔn)則。最小二乘法適用于很多擬合場景尤其是多項(xiàng)式擬合，但是對于包含多個三角函數(shù)項(xiàng)、具有較高復(fù)雜度和自由度的函數(shù)形式，容易陷入局部最優(yōu)，導(dǎo)致無法得到理想的擬合效果，所以最小二乘法對擬合正弦信號誤差是存在限制的。

5、粒子群算法源于對鳥群捕食的行為研究，通過群體中個體之間的協(xié)作和信息共享來尋找全局最優(yōu)解。在擬合非線性函數(shù)表達(dá)式時(shí)，粒子群算法的思路是在函數(shù)空間內(nèi)隨機(jī)生成一些參數(shù)向量，即粒子，每個粒子代表一組函數(shù)參數(shù)，然后根據(jù)粒子代表的函數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的差異來評價(jià)其優(yōu)良性，并不斷更新所有粒子的位置和速度，在空間內(nèi)搜索最優(yōu)解。

6、在擬合復(fù)雜三角函數(shù)時(shí)，相對于最小二乘法，粒子群算法具有以下優(yōu)勢：

7、(1)粒子群算法具有全局搜索的能力，可以通過多個粒子在搜索空間中不斷迭代，找到全局最優(yōu)解。這對于復(fù)雜三角函數(shù)的擬合非常有價(jià)值，因?yàn)樽钚《朔赡軙萑刖植孔顑?yōu)解，無法得到全局最優(yōu)的擬合結(jié)果。

8、(2)非線性優(yōu)化：粒子群算法是一種非線性優(yōu)化算法，能夠處理復(fù)雜的非線性擬合問題。相比之下，最小二乘法是一種線性優(yōu)化方法，對于高階或復(fù)雜的三角函數(shù)擬合可能不夠靈活和準(zhǔn)確。

9、(3)魯棒性：粒子群算法對異常值和噪聲的魯棒性較強(qiáng)。在擬合復(fù)雜三角函數(shù)時(shí)，數(shù)據(jù)可能受到噪聲或干擾的影響，而粒子群算法能夠通過多個粒子的協(xié)作，減少對異常值的敏感性，提高擬合的魯棒性。

10、(4)適用性廣泛：粒子群算法在不同類型的問題上都具有較好的適用性，包括函數(shù)優(yōu)化、擬合、組合優(yōu)化等。

11、因此，當(dāng)需要擬合復(fù)雜三角函數(shù)以及其他類型的非線性函數(shù)時(shí)，粒子群算法是一個較為可行的選擇。當(dāng)然，粒子群算法也有缺點(diǎn)，如對于參數(shù)調(diào)節(jié)的敏感性和計(jì)算復(fù)雜度較高。在具體應(yīng)用中，需要綜合考慮問題的性質(zhì)和實(shí)際需求，選擇適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行擬合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，從而補(bǔ)償誤差，提高正弦信號精度。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，包含理想正弦信號數(shù)組發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和正弦信號誤差提取模塊；

4、所述正弦信號誤差提取模塊由一塊樹莓派4b與一塊da-ad開發(fā)板組成，

5、理想正弦數(shù)組通過在理想正弦信號數(shù)組發(fā)生模塊中編寫的信號發(fā)生腳本產(chǎn)生，作為dac理想輸入，模擬dac用于正弦信號發(fā)生器時(shí)的場景；生成的理想正弦數(shù)組經(jīng)vnc文件傳輸至樹莓派4b中，作為正弦信號誤差提取硬件的輸入；

6、da-ad開發(fā)板上dac與adc相接；理想正弦數(shù)組輸入dac后，由樹莓派4b啟動da-ad轉(zhuǎn)換程序，接收到adc輸出結(jié)果后先暫存在樹莓派4b中，循環(huán)多次以取得多組輸出，取得實(shí)際輸出數(shù)組，隨后經(jīng)vnc文件傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)處理模塊處理。

7、一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法，流程具體如下：

8、s1：通過腳本程序生成理想正弦數(shù)組作為dac輸入；

9、s2：樹莓派4b與da-ad開發(fā)板組成正弦信號誤差提取硬件，執(zhí)行da-ad轉(zhuǎn)換過程，在adc輸出處取得實(shí)際輸出數(shù)組，用于提取誤差；

10、s3：根據(jù)實(shí)際輸出數(shù)組與理想輸入數(shù)組計(jì)算得出dac誤差曲線，分別采用最小二乘法與粒子群算法對誤差曲線進(jìn)行多項(xiàng)式類型擬合與三角函數(shù)類型擬合；

11、s4：將誤差擬合結(jié)果補(bǔ)償至dac輸入，再次運(yùn)行da-ad轉(zhuǎn)換得到輸出數(shù)組，計(jì)算經(jīng)過補(bǔ)償后的dac輸出誤差，以表征正弦信號的精度。

12、進(jìn)一步，所述步驟s2具體為：

13、s21：所述adc輸出結(jié)果應(yīng)包含有dac增益誤差、偏置誤差、非線性誤差與隨機(jī)噪聲干擾，其中隨機(jī)噪聲干擾通過均值方式減小，以得到系統(tǒng)性誤差規(guī)律；

14、s22：所述正弦信號誤差提取硬件中dac為16位，作為誤差提取的主要對象，由dac通道0作為輸入；adc為24位，作為誤差相對忽略不計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)器件，由adc通道0作為輸出；

15、進(jìn)一步，所述步驟s3具體為：

16、s31：所述多項(xiàng)式類型在擬合效果驗(yàn)證時(shí)采用三階多項(xiàng)式，形式為：

17、y＝w3x3+w2x2+w1x+w0

18、式中y為取得實(shí)際輸出數(shù)組，x為理想輸入數(shù)組，w3至w0均為待擬合系數(shù)；

19、s32：所述三角函數(shù)類型在擬合效果驗(yàn)證時(shí)采用基波與高次諧波疊加的正弦函數(shù)，形式為：

20、y＝a0+a1*sin((2*π/n)*x)+a2*sin(2*(2*π/n)*x)+a3*sin(3*(2*π/n)*x)+a4*sin(4*(2*π/n)*x)+a5*sin(5*(2*π/n)*x)

21、式中a0至a5均為待擬合系數(shù)，n為每周期信號采樣點(diǎn)數(shù)。

22、本發(fā)明的有益效果在于：

23、本發(fā)明經(jīng)對比研判后采用粒子群算法補(bǔ)償dac生成正弦信號的誤差，該方法可以精確擬合正弦函數(shù)形式的誤差曲線，耗時(shí)較短，且以正弦函數(shù)形式擬合誤差更符合利用dac產(chǎn)生正弦信號時(shí)的理論誤差規(guī)律，而傳統(tǒng)最小二乘法在擬合正弦誤差規(guī)律時(shí)效果并不理想。此外，也驗(yàn)證了即便采用多項(xiàng)式形式擬合誤差規(guī)律，粒子群算法也能夠表現(xiàn)出與最小二乘法基本一致的效果。

技術(shù)特征：

1.一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，包含理想正弦信號數(shù)組發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和正弦信號誤差提取模塊；

2.一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法，其特征在于，流程具體如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法，其特征在于：s2具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3的一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法，其特征在于：s3具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種數(shù)字正弦信號發(fā)生器高精度校準(zhǔn)方法及系統(tǒng)，該方法通過腳本程序生成理想正弦數(shù)組作為DAC輸入；樹莓派4B與DA?AD板組成正弦信號誤差提取模塊，執(zhí)行DA?AD轉(zhuǎn)換過程，在ADC輸出處取得實(shí)際輸出數(shù)組，用于提取誤差；根據(jù)實(shí)際輸出數(shù)組與理想輸入數(shù)組計(jì)算得出DAC誤差曲線，分別采用最小二乘法與粒子群算法對誤差曲線進(jìn)行多項(xiàng)式類型擬合與三角函數(shù)類型擬合；將誤差擬合結(jié)果補(bǔ)償至DAC輸入，再次運(yùn)行DA?AD轉(zhuǎn)換得到輸出數(shù)組，計(jì)算經(jīng)過補(bǔ)償后的DAC輸出誤差，以表征正弦信號的精度。本發(fā)明可以精確擬合正弦函數(shù)形式的誤差曲線，耗時(shí)較短，且以正弦函數(shù)形式擬合誤差更符合利用DAC產(chǎn)生正弦信號時(shí)的理論誤差規(guī)律。

技術(shù)研發(fā)人員：潘成亮,李若琛,夏豪杰,黃亮,溫彬,黨帆,金健,劉文盛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2