基于儀器集成的幅頻特性測量儀設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　本文以DDS函數(shù)信號源、數(shù)字示波器和普通計(jì)算機(jī)作為硬件平臺，在計(jì)算機(jī)上配置LabVIEW 8.6程序，控制函數(shù)信號源產(chǎn)生測試所需掃頻信號，由數(shù)字示波器采集掃頻信號和測試網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算和顯示，較好地實(shí)現(xiàn)了幅頻特性測量。

　　0 引言

　　頻率特性是電路網(wǎng)絡(luò)的重要特性。過去常采用人工測量的方法，通過輸出不同頻點(diǎn)的正弦信號去激勵電路網(wǎng)絡(luò)，然后測量電路網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，一個測試往往需花費(fèi)較長的時間才能完成。采用專用的掃頻儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等實(shí)現(xiàn)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測量雖只需幾分鐘，但由于設(shè)備價格昂貴，普通教學(xué)實(shí)驗(yàn)室較少配備。采用微處理器控制直接數(shù)字合成（DDS）掃頻源的方法可較好地實(shí)現(xiàn)頻率特性的測試，但掃頻信號源、幅度與相位檢測電路的設(shè)計(jì)與制作難度較大，實(shí)現(xiàn)的裝置往往存在簡陋、性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

　　帶數(shù)字接口的直接數(shù)字合成（DDS）函數(shù)發(fā)生器和數(shù)字示波器在實(shí)驗(yàn)室中得到了廣泛的應(yīng)用。前者能實(shí)現(xiàn)高精度的幅度和頻率切換，后者則集數(shù)據(jù)采集、軟件編程等功能，能給用戶提供多種分析功能，甚至能實(shí)現(xiàn)對波形的保存和處理。特別是大多數(shù)數(shù)字示波器提供了內(nèi)置波形幅度測量和波形延時測量。這些儀器與虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺結(jié)合起來可低成本且方便地構(gòu)建自動測試系統(tǒng)。本文以LabVIEW8.6為設(shè)計(jì)平臺，利用實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)、帶數(shù)字控制接口的盛普F40型數(shù)字合成函數(shù)信號源和泰克TDS1012C數(shù)字存儲示波器，實(shí)現(xiàn)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測試。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)合了點(diǎn)頻法和掃頻法的優(yōu)點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)通過RS 232 串口控制函數(shù)信號源產(chǎn)生幅度恒定且頻率隨時間連續(xù)變化的信號作為被測網(wǎng)絡(luò)的掃頻信號作用于待測網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字示波器對被測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號和輸入信號進(jìn)行采樣與處理，計(jì)算機(jī)通過USB接口獲取數(shù)字示波器測得的信號幅值，并通過LabVIEW8.6軟件的友好用戶界面，把電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性分析并展現(xiàn)出來。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　用掃頻信號對被測電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)測量，能得到被測電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性。被測網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端信號幅值的比值為電路的增益。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。計(jì)算機(jī)通過串口控制盛普F40型數(shù)字合成信號源產(chǎn)生掃頻信號作用到待測電路，計(jì)算機(jī)通過USB 接口讀取數(shù)字示波器采集的RMS值，利用LabVIEW8.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示幅頻特性曲線。

　　TDS1000C-SC系列數(shù)字存儲示波器標(biāo)配USB連接、16種自動測量、極限測試、數(shù)據(jù)記錄和上下文相關(guān)幫助，擁有高達(dá)100 MHz的帶寬和1 GS/s的最大采樣率，完全符合本文的設(shè)計(jì)要求。使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置，本文采用自動設(shè)置（AUTO SET）方式適時調(diào)節(jié)數(shù)字示波器的采樣速率，使之能配合當(dāng)前函數(shù)發(fā)生器的輸出頻率，完成精確采樣。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　本文采用VISA 接口方式實(shí)現(xiàn)LabVIEW 與數(shù)字?jǐn)?shù)字示波器的通信。其目的是控制DDS信號源產(chǎn)生給定范圍的掃頻信號，借助數(shù)字示波器進(jìn)行有效值測量與計(jì)算，獲取計(jì)算結(jié)果后作出頻率特性曲線。主函數(shù)流程如圖2所示。

　　程序運(yùn)行后，首先初始化用戶界面，讓用戶選擇與儀器連接的通信接口。接著輸入所需要的掃頻控制量，如開始頻率（最小為20 Hz）、結(jié)束頻率（不超過40 MHz）和掃頻幅度，并選擇連續(xù)或?qū)?shù)掃頻方式。根據(jù)用戶輸入的開始和結(jié)束頻率自動計(jì)算出響應(yīng)頻率間隔，并將計(jì)算出的頻率點(diǎn)保存在頻率數(shù)組中，獲取頻率數(shù)組數(shù)據(jù)如圖3所示。

　　當(dāng)計(jì)算出各個頻率點(diǎn)后，先根據(jù)用戶選擇的串行端口向函數(shù)信號源當(dāng)計(jì)算出各個頻率點(diǎn)后，先根據(jù)用戶選擇的串口向函數(shù)信號源發(fā)送幅度控制字和頻率控制字以產(chǎn)生不同頻率的掃頻信號，發(fā)送幅度和頻率控制字的程序見圖4所示。

　　為了保證讀取的數(shù)值準(zhǔn)確，系統(tǒng)選擇了幾個頻率點(diǎn)進(jìn)行波形校正操作，方法是通過USB接口控制數(shù)字示波器進(jìn)行一次“AUTO SET”操作，當(dāng)發(fā)送頻率在10 Hz~1 kHz，1~100 kHz 或者100 kHz~10 MHz 時分別對數(shù)字示波器進(jìn)行一次波形校正操作，校正程序如圖5所示。

　　接著通過USB接口讀取數(shù)字示波器通道1和通道2測量所得的有效值（RMS）［10］，計(jì)算增益并填充至增益數(shù)組，單位為dB，見圖6.最后使用express面板上的圖形顯示控件“expressXY圖”函數(shù)來實(shí)現(xiàn)X-Y圖顯示（見圖7）。

　　3 系統(tǒng)測試

　　連接計(jì)算機(jī)、盛普F40型DDS信號源和TDS1000C-SC 系列數(shù)字存儲示波器，將函數(shù)信號源輸出端連接待測電路輸入端，數(shù)字示波器通道Ⅰ連接待測電路的輸入端，通道Ⅱ連接待測電路的輸出端。在用戶界面中選擇 DDS 信號源對應(yīng)的串口（如COM1）和數(shù)字存儲示波器對應(yīng)的USB接口，輸入所需的開始頻率、結(jié)束頻率和幅度，并選擇掃頻方式。設(shè)置完成后點(diǎn)擊開始按鈕即可開始測量。圖8為一個中心頻率約為16 kHz的帶通濾波器的實(shí)測幅頻特性結(jié)果。

　　被測帶通濾波器的中心頻率約為16 kHz.實(shí)測中掃頻范圍從1~60 kHz，掃描60個頻點(diǎn)大約需時2分30秒。若需要提高幅頻特性曲線的測量精度，可以增加掃頻點(diǎn)。

　　4 結(jié)語

　　本文以LabVIEW8.6為設(shè)計(jì)平臺，利用實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)、帶數(shù)字控制接口的盛普F40型數(shù)字合成函數(shù)信號源和泰克TDS1012C數(shù)字存儲示波器，實(shí)現(xiàn)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性測試。該方案中所采用的方法，測試了巴特沃斯低通濾波器、帶通濾波器和調(diào)諧放大器等電路的幅頻特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案在應(yīng)用中的有效性和實(shí)用性。在此基礎(chǔ)上還可進(jìn)一步獲得相頻特性。與商用設(shè)備相比，本系統(tǒng)雖然響應(yīng)時間較慢，用戶界面仍有待改進(jìn)，但其編程與控制簡單，只需利用實(shí)驗(yàn)室的已有設(shè)備，是提高高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備資源利用率的一種可行方案。