頻率特性測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和調(diào)試

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/334070.htm

1．理解虛擬信號(hào)發(fā)生器如何在軟件控制下產(chǎn)生掃頻信號(hào)。
2. 了解虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的濾波器幅頻特性的自動(dòng)測(cè)試原理。
3．掌握濾波器特性的測(cè)試方法。

1．產(chǎn)生掃頻信號(hào)。
2．調(diào)用動(dòng)態(tài)函數(shù)庫(kù)，編寫頻率特性測(cè)試程序。
3．設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的頻率特性測(cè)試儀。
4．使用設(shè)計(jì)的頻率特性儀對(duì)濾波器進(jìn)行測(cè)試。

1．計(jì)算機(jī) 1臺(tái)
2．SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱 1臺(tái)
3．濾波器電路實(shí)驗(yàn)板 1塊
4．數(shù)字示波器 1臺(tái)

1．線型系統(tǒng)頻率特性測(cè)量基本原理

頻率響應(yīng)是指線性網(wǎng)絡(luò)對(duì)正弦輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)相應(yīng)，也稱為頻率特性。網(wǎng)絡(luò)的頻率特性通常都是復(fù)函數(shù)，它的絕對(duì)值代表這頻率特性中的幅度隨頻率變化的規(guī)律，稱為幅頻特性；相角或相位表征了網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率變化的規(guī)律，稱為相頻特性。線型網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量包括幅頻特性測(cè)量和相頻特性測(cè)量。
點(diǎn)頻測(cè)量法：輸出某一所需的單一頻率連續(xù)波信號(hào)。對(duì)應(yīng)的頻率特性測(cè)量方法。
掃頻測(cè)量法：頻率源輸出能夠在測(cè)量所需的范圍內(nèi)連續(xù)掃描，以便連續(xù)測(cè)處各點(diǎn)頻率上的頻率特性結(jié)果并立即顯示特性曲線，這樣的方式就是掃頻測(cè)量。

2．線型系統(tǒng)幅頻特性測(cè)試的計(jì)算。

圖1 線型系統(tǒng)幅頻特性計(jì)算原理

此時(shí)的X(S),Y(S)為輸入電壓和輸出電壓的拉氏變換。

對(duì)應(yīng)的

3．本實(shí)驗(yàn)中幅頻特性測(cè)量的硬件基本原理

圖2 硬件基本原理

首先通過直接數(shù)字合成的正弦信號(hào)作為掃頻信號(hào)源，通過Aout1送到濾波器實(shí)驗(yàn)板電路和第2路采集通道的輸入端，1路通道將采集經(jīng)過濾波后的信號(hào)，將相同頻率的信號(hào)經(jīng)A/D采樣后送入存儲(chǔ)器中，再送入計(jì)算機(jī)中，將濾波后信號(hào)的有效值處以未濾波信號(hào)的有效值，得到該頻率下的幅頻特性曲線。

4．直接數(shù)字合成基本原理

（1）DDS組成原理

直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。其完整的DDS原理框圖如圖3所示。

圖3 DDS組成原理

主要由：相位累加器、ROM波形存儲(chǔ)器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器組成。整體的工作原理如下：首先相位累加器根據(jù)輸入的頻率控制碼輸出相位序列，并作為波形存儲(chǔ)器RAM的地址，RAM里面可以是預(yù)先存放的固定波形的一個(gè)周期的幅值編碼，也可以是用戶在使用過程中存入的任意波形的幅度編碼，這樣RAM的數(shù)據(jù)線上就產(chǎn)生了一系列的幅度編碼數(shù)字信號(hào)，然后把該編碼經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬的階梯電壓，最后經(jīng)過低通濾波器使其平滑后即得到所需要的模擬波形。
頻率控制字和時(shí)鐘頻率共同決定著DDS輸出信號(hào)的頻率，頻率分辨率正比于系統(tǒng)的時(shí)鐘，而反比于相位累加器的位數(shù)。

它們之間的關(guān)系滿足：

相應(yīng)的，其頻率分辨率為：

（2）相位累加器原理

如果改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值（即以值來進(jìn)行累加），則在保持時(shí)鐘頻率和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下，可以改變每周期采樣點(diǎn)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。例如：設(shè)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了個(gè)數(shù)據(jù)（一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)），則地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)為1時(shí)，輸出頻率，如果地址計(jì)數(shù)步進(jìn)為，則每周期取樣點(diǎn)數(shù)為，輸出頻率

（3）DDS的性能

DDS信號(hào)源輸出的信號(hào)實(shí)際上是以時(shí)鐘的速率對(duì)波形進(jìn)行取樣，從獲得的樣本值中恢復(fù)出來的。根據(jù)取樣定理，所以。實(shí)際中一般取。當(dāng)時(shí)，輸出頻率最小，。輸出頻率的分辨率由相位累加器的位數(shù)決定，即。
例如：參考時(shí)鐘頻率為1GHz，累加器相位為32位，則頻率分辨力為0.233Hz。而改變時(shí)，其頻率分辨力不會(huì)發(fā)生變化，因此DDS可以解決快捷變換與小步進(jìn)之間的矛盾。由于D/A、存儲(chǔ)器等器件的限制，DDS輸出頻率的上限不高，目前仍只能達(dá)到幾十MHz。

5．濾波器原理

濾波器的功能是有選擇地讓一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，對(duì)此頻率范圍以外的信號(hào)抑制或急劇衰減。在信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面有廣泛的應(yīng)用，僅僅由RLC元件串聯(lián)組成的濾波器稱為無源濾波器。由RLC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為有源濾波器

（1）一階無源低通濾波器

一階無源低通濾波器電路如圖4所示，幅頻特性如圖5所示，其中截止頻率?。

圖4 一階無源低通濾波器電路 圖5 一階無源低通濾波器幅頻特性

（2）一階有源低通濾波器

在一階RC低通濾波器電路的輸出端再加上一個(gè)同相比例放大電路，就成為一階有源低通濾波器，不僅具有濾波功能，還能起放大作用。一階有源低通濾波器電路如圖6所示，幅頻特性如圖7所示，其截止頻率。

圖6 一階有源低通濾波器電路 圖7 一階有源低通濾波器幅頻特性

（3）二階有源低通濾波器（壓控電壓源VCVS）

二階有源低通濾波器電路如圖8所示。它是一種具有正相增益的常用二階低通濾波器電路，運(yùn)放和它的兩個(gè)連接電阻、形成一個(gè)電壓控制電壓源（VCVS）。運(yùn)放的增益為，它為濾波器提供了增益。幅頻特性如圖9所示，其中截止頻率。

圖8 二階有源低通濾波器電路 圖9 二階有源低通濾波器幅頻特性

VCVS濾波器具有元件數(shù)量少、輸出阻抗低、元件間差值范圍小和放大能力比較高等優(yōu)點(diǎn)。而且增益值可用電位器微調(diào)、進(jìn)行精確的調(diào)整。VCVS濾波器一般用于品質(zhì)因數(shù)值不高于10的場(chǎng)合。

（4）二階有源高通濾波器（壓控電壓源VCVS）

二階有源高通濾波器電路如圖10所示。濾波器中的運(yùn)放增益為，也可將開路而短路，讓運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器。幅頻特性如圖11所示。其中截止頻率。

圖10 二階有源高通濾波器電路 圖11 二階有源高通濾波器幅頻特性

6．實(shí)驗(yàn)電路圖原理

（1）濾波器實(shí)驗(yàn)硬件原理

圖12 濾波器實(shí)驗(yàn)板硬件原理圖

在濾波器實(shí)驗(yàn)電路板SJ-7003 Filter上有四種濾波器，每種濾波器都有3檔不同的截止頻率，分別是500Hz，5kHz和50kHz。測(cè)試信號(hào)由實(shí)驗(yàn)箱的任意信號(hào)源通道的輸出（AO1）或外部其他信號(hào)發(fā)生器提供；濾波后的信號(hào)與實(shí)驗(yàn)箱的高速采集通道（AI1）連接。

（2）濾波器實(shí)驗(yàn)電路板介紹

濾波器板的選擇輸入信號(hào)時(shí)，需要接跳線為SW1，選項(xiàng)如表1，

表1 SW1跳線選擇表

濾波器實(shí)驗(yàn)板上的四種濾波器是一階無源低通濾波器、一階有源低通濾波器、二階有源低通濾波器、二階有源高通濾波器。截止頻率檔位固定的濾波器選擇的跳線符號(hào)如表2。

表2 固定截止頻率濾波器檔位選擇的跳線符號(hào)表

截止頻率可變的濾波器選擇的跳線符號(hào)如表3

表3 截止頻率可變?yōu)V波器選擇的跳線符號(hào)表

五、設(shè)計(jì)指導(dǎo)

1.結(jié)構(gòu)流程圖

圖13 頻率特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)流程圖

2．樹形圖

圖14 頻率特性測(cè)試儀設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)樹形圖

3．功能與前面板設(shè)計(jì)

圖15 濾波器頻率特性測(cè)試前面板說明

表4 控件及顯示按鍵表格

4．動(dòng)態(tài)調(diào)用鏈接

本程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實(shí)現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)可直接調(diào)用實(shí)驗(yàn)箱提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動(dòng)函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

表5 fp函數(shù)說明

六、調(diào)試與測(cè)試

1．程序調(diào)試。

（1）按如圖方式，進(jìn)行硬件連線。

圖28 濾波器頻率特性測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)的硬件連線

（2）啟動(dòng)程序，選擇“掃頻”工作方式，完成開始頻率、頻率步進(jìn)、結(jié)束頻率、峰值幅度的設(shè)定，選擇“一階無源低通濾波器”的濾波方式，按照面板上的提示，連接濾波板上的跳線，同時(shí)注意使截止頻率在開始頻率和結(jié)束頻率之間。點(diǎn)擊啟動(dòng)按鍵。
（3）觀察此時(shí)外部示波器上的正弦信號(hào)的頻率變化，以及幅度。
（4）打開“數(shù)字存儲(chǔ)示波器”程序，觀察此時(shí)1、2路通道信號(hào)的頻率，幅度。
（5）觀察程序面板上顯示的掃頻濾波過程。
（6）選擇其他3種濾波方式，重做（2）～（5）的實(shí)驗(yàn)步驟。
（7）選擇“點(diǎn)頻”工作方式，重做上述步驟。

2．實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)記錄

（1）完成掃頻方式的實(shí)驗(yàn)，并填寫下表

表6 掃頻測(cè)量一階無源低通情況

表7 掃頻測(cè)量一階有源低通情況

表8 掃頻測(cè)量二階有源低通情況

表9 掃頻測(cè)量二階有源高通情況

（2）完成點(diǎn)頻方式的實(shí)驗(yàn)，并填寫下表

表10 點(diǎn)頻測(cè)量一階無源低通情況

表11 點(diǎn)頻測(cè)量二階有源低通情況

七、備注

選擇點(diǎn)頻測(cè)量時(shí)，點(diǎn)頻輸入頻率范圍是1Hz~1MkHz，信號(hào)峰值范圍0.1V~6V。
選擇掃頻測(cè)量時(shí)，掃頻輸入頻率范圍是100Hz~1000kHz，信號(hào)峰值幅度范圍0.1V~6V。在二階有源高通濾波器的測(cè)試時(shí)，開始頻率設(shè)定值要小于0.2kHz。