基于NI采集卡和LabVIEW設計的濾波器測量裝置

1   概述

在傳感器信號調理電路或者其他信號電路設計過程中，受應用場景或電磁環境的限制，需要電路滿足一定的頻率響應要求。比如測量較高頻率的壓力傳感器需要設計低通濾波器，對通帶頻率、帶內波動和帶外衰減有嚴格限制。實際生產中，由于電阻阻值和電容容值存在誤差、放大器存在失調電壓等原因，濾波的實際參數與設計值存在偏差。傳統方法使用信號源和示波器在不同頻率下逐個測試，存在測試效率低、易受干擾、測量精度低等缺點。本文基于LabVIEW（一款圖文編程平臺）和NI（美國國家儀器公司）高速采集卡設計出一款參數可調、可自動掃頻、自動計算的濾波器測量裝置，并可實現多路同步測量。

2   傳感器濾波器設計

傳感器的濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，無源濾波器是通過電阻或電感與電容組成濾波電路，形成對一定頻率高次諧波的吸收通道，從而實現濾波作用。無源濾波器結構簡單，但是精度不高，而且濾波效果有限。有源濾波器是基于運算放大器和阻容元件設計的濾波器，有源濾波器可以補充主電路的諧波，并可克服無源濾波器的諧波抑制和無功補償的缺點。

以壓力傳感器為例，在測量較高頻率的壓力信號時，為了消除測量頻率以外的雜波信號的干擾，同時保證測量頻帶范圍內有效信號的穩定性，需要設計低通濾波器對傳感器進行濾波。比如要求通帶截止頻率為1 kHz，通帶范圍內的信號不平度小于1 dB，而阻帶頻率不大于5 kHz，阻帶信號衰減不小于-40 dB。顯然普通的無源濾波器無法滿足指標要求，需要設計高階有源濾波器。

基于以上指標設計出的有源高階濾波器如圖1 所示。設計的濾波器由4 只運算放大器和阻容元件組成，每只運算放大器構成一個2 階低通濾波電路，共同組成一個8 階低通濾波器。該濾波器屬于巴特沃茲型sallenkey式高階濾波器^[1]，圖2 為該濾波器的幅頻和相頻曲線。從圖中可以看出該濾波器通帶內頻響曲線平坦，阻帶曲線迅速下降，具有巴特沃茲濾波器的典型特征。

圖1 sallen-key 8階低通濾波器原理圖

圖2 8階低通濾波器頻率響應曲線圖

該濾波器是基于理想運算放大器模型和理想阻容值得到的高階濾波器^[2]，其頻率響應曲線非常理想。實際中為了減小偏差，選擇較高精度的阻容器件和高精度的運算放大器。電阻選擇較高精度的E192 系列電阻，電容選擇E12 系列電容，運算放大器選擇OPA4228。OPA4228 是一款四路高精度低噪聲運算放大器，工作電流3.7 mA，噪聲小于3 nV/Hz，溫漂小于0.3 uV/℃?；趯嶋H元器件搭建的8 階低通濾波器如圖3 所示，通過仿真獲得該濾波器的幅頻特性曲線^[3]如圖4 所示。從圖4 可以看出該濾波器在1 kHz 處衰減為-3.03 dB，5 kHz 處衰減頻率為-111.88 dB，滿足通帶截止頻率1 kHz，阻帶衰減大于-40 dB 的要求。

圖3 8階低通濾波器頻率響應曲線圖

圖4 Tina仿真幅頻特性曲線圖

3   濾波器測試

在實際生產中，電阻、電容都存在阻值和容值偏差，E192 系列電阻偏差為0.5%，E12 系列電容偏差為10%，而且放大器也存在一定的失調電壓，電路板存在耦合電容、分布電容等原因，高階濾波器的頻率特性與仿真情況會有一定偏差。因此需要對濾波器進行實際測試，滿足指標要求的方可用于產品。傳統的測試方法如圖5 所示，由信號發生器產生一定頻率的正弦波信號注入濾波器電路板，通過示波器兩個通道分別測試注入信號和濾波器輸出信號的幅值，然后按照公式（1）計算得到測試頻率點的信號衰減dB 值。該方法只能通過手動調節信號發生器輸出頻率來測量不同頻率下濾波器的響應，無法測量所有頻率點，只能挑選個別點進行驗證。這種方法的測量效率低，可測頻率點受限，測量準確性不高。

（注：dB 為信號衰減率，Ai 為注入信號幅值，Ao為輸出信號幅值）

4   LabVIEW和NI高速采集卡

NI 推出的高速采集卡具有集成式信號調理功能，可同時輸出、采集多路模擬電壓信號，可通過USB 與上位機連接。并可通過NI 的LabVIEW圖形編輯軟件設置操作NI-DAQmx驅動， 實現針對性測試。

該高階濾波器自動測量裝置選擇NI 的USB（通用串行總線）-6281 型數據采集卡，采樣位數18 位，16 路差分信號輸入，采樣范圍-5 V ～ +5 V，數據采集速度500 kS/s，單路采樣頻率高于60 kHz，采樣精度0.05%，可同時配置為信號發生器和信號采集器。

圖5 傳統濾波器測試實物圖

5   濾波器自動測量裝置設計

基于LabVIEW 設計高階濾波器自動測量裝置的信號發生器部分設計如圖6 所示。該模塊可以將采集卡固定通道配置為正弦信號發生器。其輸出幅值和輸出頻率均可通過軟件設置。

圖6 信號發生器軟件設計結構

信號采集部分如圖7 所示，將采集卡的輸入通道配置為模擬電壓信號采集方式，對采樣方式、采樣頻率、采樣點數都可進行配置。該部分通過輸出控件顯示采樣結果，并可對采集通道進行多路配置實現多路信號同時測量。

圖7 信號采集器軟件設計圖

設計中還可以將軟件設置為連續掃頻模式，由自動變量在規定頻率范圍內自增，同步采集并記錄數據，然后由計算單元對測量數據進行分析，最后將計算結果顯示在用戶界面。測試人員可以方便地得到帶內不平度、帶外衰減、通帶截止頻率、阻帶頻率等有效數據，并可以通過指示燈的顏色判斷是否合格。軟件的掃頻單元和計算單元如圖8、圖9 所示。

圖8 掃頻單元圖

圖9數據計算處理單元圖

軟件的操作界面簡潔明了，便于測試人員使用，如圖10 所示。

圖10操作軟件界面圖

6   多路批量測試

如圖11 所示，通過數字穩壓源同時為多個高階濾波器供電，將采集卡的信號發生器通道注入高階濾波器的信號輸入端，各濾波器的信號輸出端分別接至采集卡的各信號采集通道，通過采集軟件自動掃頻測量，同時得到多塊濾波器的測試結果^[4-5]。從而實現了對多個高階濾波器的批量測試，提高了測試效率。

7   結論

本文提出的高階濾波器測量裝置，可以通過軟件自動測量濾波器的多個參數，通過配置可以同步多路測量。相對于傳統的測量方式，提高了濾波器的測量自動化程度和測量效率。對提高濾波器和傳感器的測試和批量生產具有重要意義。

參考文獻：

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年2月期）