頻率特性測試儀的設計和調試
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一、實驗目的
本文引用地址：http://www.104case.com/article/201612/334070.htm1．理解虛擬信號發生器如何在軟件控制下產生掃頻信號。
2. 了解虛擬儀器實驗平臺的濾波器幅頻特性的自動測試原理。
3．掌握濾波器特性的測試方法。
1．產生掃頻信號。
2．調用動態函數庫，編寫頻率特性測試程序。
3．設計基于虛擬儀器的頻率特性測試儀。
4．使用設計的頻率特性儀對濾波器進行測試。
1．計算機 1臺
2．SJ-8002B電子測量實驗箱 1臺
3．濾波器電路實驗板 1塊
4．數字示波器 1臺
1．線型系統頻率特性測量基本原理
頻率響應是指線性網絡對正弦輸入信號的穩態相應，也稱為頻率特性。網絡的頻率特性通常都是復函數，它的絕對值代表這頻率特性中的幅度隨頻率變化的規律，稱為幅頻特性；相角或相位表征了網絡的相移隨頻率變化的規律，稱為相頻特性。線型網絡的頻率特性測量包括幅頻特性測量和相頻特性測量。
點頻測量法：輸出某一所需的單一頻率連續波信號。對應的頻率特性測量方法。
掃頻測量法：頻率源輸出能夠在測量所需的范圍內連續掃描，以便連續測處各點頻率上的頻率特性結果并立即顯示特性曲線，這樣的方式就是掃頻測量。
2．線型系統幅頻特性測試的計算。
圖1 線型系統幅頻特性計算原理
此時的X(S),Y(S)為輸入電壓和輸出電壓的拉氏變換。
對應的
3．本實驗中幅頻特性測量的硬件基本原理
圖2 硬件基本原理
首先通過直接數字合成的正弦信號作為掃頻信號源，通過Aout1送到濾波器實驗板電路和第2路采集通道的輸入端，1路通道將采集經過濾波后的信號，將相同頻率的信號經A/D采樣后送入存儲器中，再送入計算機中，將濾波后信號的有效值處以未濾波信號的有效值，得到該頻率下的幅頻特性曲線。
4．直接數字合成基本原理
（1）DDS組成原理
直接數字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取樣技術和計算技術，通過數字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調的信號。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波形存儲器、DAC數模轉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輸入的頻率控制碼輸出相位序列，并作為波形存儲器RAM的地址，RAM里面可以是預先存放的固定波形的一個周期的幅值編碼，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的數據線上就產生了一系列的幅度編碼數字信號，然后把該編碼經過D/A轉換得到模擬的階梯電壓，最后經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
和時鐘頻率
共同決定著DDS輸出信號的頻率
，頻率分辨率正比于系統的時鐘
，而反比于相位累加器的位數。
它們之間的關系滿足：
相應的，其頻率分辨率為：
（2）相位累加器原理
如果改變地址計數器計數步進值（即以值
來進行累加），則在保持時鐘頻率
和ROM數據不變的情況下，可以改變每周期采樣點數，從而實現輸出頻率
的改變。例如：設存儲器中存儲了
個數據（一個周期的采樣數據），則地址計數器步進為1時，輸出頻率
，如果地址計數步進為
，則每周期取樣點數為
，輸出頻率
（3）DDS的性能
DDS信號源輸出的信號實際上是以時鐘
的速率對波形進行取樣，從獲得的樣本值中恢復出來的。根據取樣定理
，所以
。實際中一般取
。當
時，輸出頻率最小，
。輸出頻率的分辨率
由相位累加器的位數
決定，即
。
例如：參考時鐘頻率為1GHz，累加器相位為32位，則頻率分辨力為0.233Hz。而
改變時，其頻率分辨力不會發生變化，因此DDS可以解決快捷變換與小步進之間的矛盾。由于D/A、存儲器等器件的限制，DDS輸出頻率的上限不高，目前仍只能達到幾十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的信號通過，對此頻率范圍以外的信號抑制或急劇衰減。在信號處理、數據傳輸、抑制干擾等方面有廣泛的應用，僅僅由RLC元件串聯組成的濾波器稱為無源濾波器。由RLC元件與運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，運放和它的兩個連接電阻
、
形成一個電壓控制電壓源（VCVS）。運放的增益為
，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點。而且增益值可用電位器微調
、
進行精確的調整。VCVS濾波器一般用于品質因數值不高于10的場合。
（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。濾波器中的運放增益為
，也可將
開路而
短路，讓運放構成一個電壓跟隨器。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．實驗電路圖原理
（1）濾波器實驗硬件原理
圖12 濾波器實驗板硬件原理圖
在濾波器實驗電路板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。測試信號由實驗箱的任意信號源通道的輸出（AO1）或外部其他信號發生器提供；濾波后的信號與實驗箱的高速采集通道（AI1）連接。
（2）濾波器實驗電路板介紹
濾波器板的選擇輸入信號時，需要接跳線為SW1，選項如表1，
表1 SW1跳線選擇表
SW1上符號 | 符號所表示選擇的信號源 |
In | 虛擬儀器實驗平臺SJ8002B的任意信號源（AO1） |
Out | 外部信號源 |
濾波器實驗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如表2。
表2 固定截止頻率濾波器檔位選擇的跳線符號表
截止頻率 | 濾波后信號輸出跳線連接符號 | |||
?? 濾波器種類 | 500Hz | 5kHz | 50kHz | |
一階無源低通濾波器 | S01 | S02 | S03 | LPF0 |
一階有源低通濾波器 | S01 | S02 | S03 | LPF1 |
二階有源低通濾波器 | S11，S15 | S12，S16 | S13，S17 | LPF2 |
二階有源高通濾波器 | S21，S25 | S22，S26 | S23，S27 | HPF2 |
截止頻率可變的濾波器選擇的跳線符號如表3
表3 截止頻率可變濾波器選擇的跳線符號表
改變 | 改變增益的電阻及通道跳線 | 濾波后信號輸出跳線連接符號 | |
一階無源低通濾波器 | C00，S00 | R04，S04 | LPF0 |
一階有源低通濾波器 | C00，S00 | R04，S04 | LPF1 |
二階有源低通濾波器 | S10，C10，S14，C14 | R15，S18 | LPF2 |
二階有源高通濾波器 | C20，S20，C24，S24 | R24，S28 | HPF2 |
的電容代號及通道跳線五、設計指導
1.結構流程圖
圖13 頻率特性測試儀設計的結構流程圖
2．樹形圖
圖14 頻率特性測試儀設計的結構樹形圖
3．功能與前面板設計
圖15 濾波器頻率特性測試前面板說明
表4 控件及顯示按鍵表格
| 編號 | 名稱 | 位置 | 功能 | 備注 |
1 | 退出 | Buttons>ok Button | 退出程序 | |
2 | 圖形顯示 | Graph Inds>Graph | 顯示頻率特性曲線 | |
3 | 表格 | Text Inds>Table | 掃頻時顯示 | |
4 | 原理說明 | All controls>Ring&Enum>Text&Pict Ring | ||
5 | 濾波類型 | Text Ctrls>Menu Ring | 包括：一階無源低通濾波器 | |
6 | 啟動 | Buttons>ok Button | 啟動掃頻或者點頻程序 | |
7 | 清屏 | Buttons>ok Button | ||
8 | 掃描進度 | Num Ctrls>Fill Slide | 顯示掃頻進度 | |
9 | 峰值幅度 | Num Inds>Num Ind | 掃頻方式的峰值幅度 | 幅度范圍0.1～6V |
10 | 結束頻率 | Num Inds>Num Ind | 掃頻方式的結束頻率 | 頻率1Hz～1MHz |
11 | 頻率步進 | Num Inds>Num Ind | 掃頻方式的頻率步進 | 頻率1Hz～1MHz |
12 | 開始頻率 | Num Inds>Num Ind | 掃頻方式的開始頻率 | 頻率1Hz～1MHz |
13 | 峰值幅度 | Num Inds>Num Ind | 點頻方式的峰值幅度 | 幅度范圍0.1～6V |
14 | 頻率 | Num Inds>Num Ind | 點頻方式的頻率 | 頻率1Hz～1MHz |
15 | 工作模式 | All? Controls>Classic Controls>Classic Boolean>Horizontal Switch | 選擇工作方式 |
4．動態調用鏈接
本程序設計的主要實現已經做成底層fp函數（用Labwindows/CVI實現），在程序實現時可直接調用實驗箱提供的驅動函數動態鏈接（即.dll函數），驅動函數原型及常數和變量在cvidll.prj中。
表5 fp函數說明
| fp函數 | 實現功能 | 輸入參數 | 輸出參數 | 動態鏈 |
void epp_init | 初始化EPP接口 | 無 | 無 |
|
Int epp_read_check | 檢查EPP讀數是否正常。 | 無 | 無 |
|
void find_div(dou ble amp, int *div) | 輸入信號幅度對采集通道伏格的自動選擇 | amp——輸入信號幅度。 | div——伏格序號。 |
|
void? easy_source (int DDS_channle, double amp, double fr, unsigned char shape，unsigned char ?filter_cw) | 根據波形、幅度、頻率和濾波控制來啟動信號源。 | DDS_channle——信號源通道-1： Aout1通道； 2:Aout2通道； amp——幅度峰峰值，單位V fr—— 頻率值，單位Hz； | 無 |
|
void swept generator(int DDS_channle, double fr,) | 掃頻信號源控制。本函數要結合easy source（）一起使用。首先調用easy_source（）函數，其中fr設置為掃頻的最低頻率，然后循環調用本函數，以達到改變頻率的效果。 | 輸入值：DDS_channle——信號源通道：其中1： Aout1通道；2:? Aout2通道。 | 無 |
|
void find timebase (double signal_fr, int *timebase) | 根據輸入信號頻率，選定時基 | signal_fr——波形的頻率 | timebase——時基序號 |
|
void process vpp kfr(unsigned char data(),int points,double signal fr,int div,int imebase, doubul *vp) | 根據采集的參數設置，計算信號的峰峰值 | 無 | 無 |
|
六、調試與測試
1．程序調試。
（1）按如圖方式，進行硬件連線。
圖28 濾波器頻率特性測試儀實驗的硬件連線
（2）啟動程序，選擇“掃頻”工作方式，完成開始頻率、頻率步進、結束頻率、峰值幅度的設定，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，同時注意使截止頻率在開始頻率和結束頻率之間。點擊啟動按鍵。
（3）觀察此時外部示波器上的正弦信號的頻率變化，以及幅度。
（4）打開“數字存儲示波器”程序，觀察此時1、2路通道信號的頻率，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）的實驗步驟。
（7）選擇“點頻”工作方式，重做上述步驟。
2．實驗觀測和數據記錄
（1）完成掃頻方式的實驗，并填寫下表
表6 掃頻測量一階無源低通情況
濾波器類型 | 一階無源低通濾波器 | 理論截止頻率 | 5 | 峰值幅度（V） | 1.00 | |||||
開始頻率(KHz) | 0.100 | 結束頻率(KHz) | 50.00 | 頻率步進(KHz) | 1.000 | |||||
序號 | 項目 | 記 錄 數 據 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
1 | 頻率(KHz) | |||||||||
幅值比 | ||||||||||
表7 掃頻測量一階有源低通情況
濾波器類型 | 一階有源低通濾波器 | 理論截止頻率(KHz) | 5 | 峰值幅度（V） | 1.00 | |||||
開始頻率(KHz) | 0.100 | 結束頻率(KHz) | 50.00 | 頻率步進(KHz) | 1.000 | |||||
序號 | 項目 | 記 錄 數 據 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
1 | 頻率(KHz) | |||||||||
幅值比 | ||||||||||
表8 掃頻測量二階有源低通情況
濾波器類型 | 二階有源低通濾波器 | 理論截止頻率(KHz) | 5 | 峰值幅度（V） | 1.00 | |||||
開始頻率(KHz) | 0.100 | 結束頻率(KHz) | 50.00 | 頻率步進(KHz) | 1.000 | |||||
序號 | 項目 | 記 錄 數 據 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
1 | 頻率(KHz) | |||||||||
幅值比 | ||||||||||
表9 掃頻測量二階有源高通情況
濾波器類型 | 二階有源高通濾波器 | 理論截止頻率(KHz) | 0.500 | 峰值幅度（V） | 1.00 | |||||
開始頻率(KHz) | 0.100 | 結束頻率(KHz) | 10.00 | 頻率步進(KHz) | 0.100 | |||||
序號 | 項目 | 記 錄 數 據 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
1 | 頻率(KHz) | |||||||||
幅值比 | ||||||||||
（2）完成點頻方式的實驗，并填寫下表
表10 點頻測量一階無源低通情況
濾波器類型 | 一階無源低通濾波器 | 輸入信號峰值幅度（V） | 1.00 | ||||||||
序號 | 理論截止頻率 | 項目 | 記 錄 數 據 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |||||
1 | 500Hz | 頻率 | 0.001 | 0.030 | 0.401 | 0.499 | 0.800 | 2.000 | 10.000 | ||
幅值比 | |||||||||||
表11 點頻測量二階有源低通情況
濾波器類型 | 二階有源低通濾波器 | 輸入信號峰值幅度（V） | 1.00 | ||||||||
序號 | 理論截止頻率 | 項目 | 記 錄 數 據 | ||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |||||
2 | 5kHz | 頻率 | 0.001 | 0.004 | 1.500 | 5.000 | 6.001 | 8.000 | 10.000 | ||
幅值比 | |||||||||||
七、備注
選擇點頻測量時，點頻輸入頻率范圍是1Hz~1MkHz，信號峰值范圍0.1V~6V。
選擇掃頻測量時，掃頻輸入頻率范圍是100Hz~1000kHz，信號峰值幅度范圍0.1V~6V。在二階有源高通濾波器的測試時，開始頻率設定值要小于0.2kHz。
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