智能化數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器
關(guān)鍵詞：失真度；智能調(diào)諧；文氏電橋；陷波濾波器
1 引言
測(cè)量非線性失真一般采用基波抑制法(單音法)，可通過(guò)基波抑制網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。基波抑制網(wǎng)絡(luò)即陷波濾波器，可將基波電壓分量濾除。常見的有文氏電橋組成的RC陷波電路和雙T形電橋組成的陷波電路。
高性能的失真度測(cè)量?jī)x必須使用高性能的陷渡器，它應(yīng)能完全濾除基波而不衰減其他諧波。新式失真度測(cè)量?jī)x產(chǎn)生的基波衰減或陷波深度可達(dá)100 dB甚至更大，而對(duì)諧波只產(chǎn)生l dB或更小的衰減。要獲得這樣高的性能，需要Q值很高的濾波器，而且調(diào)諧必須非常準(zhǔn)確，通常采用的手動(dòng)調(diào)諧幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)。高性能的失真度測(cè)量?jī)x可以自動(dòng)調(diào)諧到基頻，其偏差只有百分之幾。失真度的測(cè)量主要是設(shè)計(jì)和選擇高性能的陷波濾波電路。
文氏電橋陷波器是失真度儀設(shè)計(jì)中最常用的器件，其基波衰減深度一般可達(dá)80 dB以上，但是老式的失真度儀中往往使用手動(dòng)調(diào)諧的方式。筆者在原來(lái)的手動(dòng)調(diào)諧文氏電橋陷波網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了智能化數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器。
2 文氏電橋陷波的原理
由文氏電橋組成的基波抑制電路(陷波器)如圖l所示。電橋的元件參數(shù)關(guān)系為
Rl=2R2，C1=C2=C，R3=R4=R
此時(shí)，電橋的抑制頻率為
因?yàn)镽l=2R2，對(duì)任一頻率信號(hào)，UAD=Ui/3。由計(jì)算可知：當(dāng)輸入信號(hào)頻率f=fo時(shí)，UBD=Ui/3，則UAB=0。此時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為O。當(dāng)輸入信號(hào)頻率f偏離fo時(shí)，電橋失去平衡，則有電壓輸出。
文氏電橋無(wú)源濾波器電路的選擇特性很差。實(shí)際工作中，需要阻帶很窄、選擇性很強(qiáng)的陷波器，為此采用文氏電橋組成的有源陷波電路，如圖2所示。此時(shí)陷波的頻率為l kHz。
Al、A2是電壓跟隨器組態(tài)，均有緩沖隔離作用，具有高輸入阻抗和低輸出阻抗特性，對(duì)選頻電路的諧振頻率無(wú)影響，A1輸出的部分電壓反饋至A2的同相端，并經(jīng)A2輸出到電橋橋臂。調(diào)節(jié)Rp可調(diào)節(jié)反饋量，從而改變Q值，以達(dá)到銳通帶選頻作用。若不加正反饋，在l kHz附近二次諧波的特性曲線就會(huì)下降，不能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。如果反饋量與頻率特性有關(guān)，用可變電阻器Rp調(diào)整；如果衰減特性已調(diào)準(zhǔn)，Q值已選定，則Rp可換成固定電阻器。在Al的反饋回路中加入電阻器R8是為了抵消輸入偏流，以減小直流漂移。C3的作用是抑制尖峰脈沖。
當(dāng)f=fo時(shí)，電橋平衡，Al的輸出為0；f偏離fo時(shí)，電橋失衡，有輸出電壓。因此該電路能抑制基波，使諧波通過(guò)。
若取fo=l kHz，C=0.01μF，由R=l/2πfoC來(lái)計(jì)算R，求得R=15 kΩ。A1、A2均為集成運(yùn)算放大器，可選NE5532A型。
高Q值的陷波器選擇性好。但中心頻率fo易偏移，會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，因此，測(cè)量失真度時(shí)可采用二級(jí)甚至三級(jí)串聯(lián)調(diào)諧設(shè)計(jì)，使之具有中心頻率為±1％的衰減帶寬。
3 系統(tǒng)模塊
智能化數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器包括陷波頻率調(diào)諧文氏電橋、有效值檢波器、A/D采樣電路和單片機(jī)控制電路，如圖3所示。
在系統(tǒng)中，一個(gè)未知頻率的信號(hào)輸入文氏電橋之后，在某一個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行陷波，通過(guò)有效值檢波電路對(duì)文氏電橋輸出的殘余信號(hào)進(jìn)行有效值檢波；A/D采樣電路對(duì)檢波后產(chǎn)生的直流電壓進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)；單片機(jī)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)采集到的直流電平為最小值時(shí)，文氏電橋的諧振中心頻率正好是所需的陷波頻率(即最接近基頻)；如果采集到的直流電平不是最小值，那么單片機(jī)將控制改變文氏電橋的電阻和電容，使其中心頻率接近基頻。通過(guò)以上過(guò)程實(shí)現(xiàn)了文氏電橋陷波器的智能化數(shù)控調(diào)諧。
圖3中的文氏電橋是在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。圖2中的R、C不再由單一值的電阻器和電容器組成，C由并聯(lián)的電容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，電阻R由數(shù)控電位器代替，R和C可以由單片機(jī)控制。
檢波的作用是將文氏電橋輸出的殘余信號(hào)轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)的數(shù)值，提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
A/D采樣電路的作用是對(duì)有效值檢波輸出的模擬信號(hào)采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后由單片機(jī)進(jìn)行處理。
單片機(jī)控制電路主要實(shí)現(xiàn)采樣后數(shù)據(jù)的處理、電容檔的選擇(控制繼電器的通斷)和數(shù)控電位器的控制。
4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
4.l 文氏電橋
系統(tǒng)硬件電路中最關(guān)鍵的部分是文氏電橋。系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。本系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧陷波，因此，必須改進(jìn)對(duì)文氏電橋諧振中心頻率起決定性作用的R和C，從固定值變成可在一定范圍內(nèi)自動(dòng)改變的變化量?？紤]到雙聯(lián)可變電容器較難購(gòu)買，且雙聯(lián)可變電阻本身又不十分精確、使用起來(lái)也不是很方便，所以采用分檔電容器實(shí)現(xiàn)諧振中心頻率粗調(diào)，數(shù)控電位器實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)的方案。使用普通的獨(dú)石電容器，容值大的可用CBB電容器。采用比較容易購(gòu)買的100抽頭X9C103型數(shù)控電位器，X9C103與單片機(jī)的接口是3總線方式，3個(gè)控制端口分別為U/D、INC和CS，實(shí)際設(shè)計(jì)中，3個(gè)端口分別與單片機(jī)的P2.O、P2.1和P2.2相連。X9C103的滑動(dòng)頭帶有40 Ω的固定阻值，因此其實(shí)際阻值變化范圍是40Ω~10040Ω，步進(jìn)量為100Ω。
分檔電容器與繼電器相連。使用雙刀單擲繼電器，每個(gè)繼電器控制2個(gè)容值相同的電容器。繼電器作為圖4中的開關(guān)，平時(shí)處于常斷狀態(tài)，由單片機(jī)控制繼電器的通斷以接通所需的電容檔，7檔電容對(duì)應(yīng)7個(gè)繼電器，分別與單片機(jī)P1.0-P1.6口相連。各檔電容值的選取在此電路中相當(dāng)重要，首先要考慮能否使頻率調(diào)諧范圍覆蓋系統(tǒng)要求的整個(gè)頻帶，每檔電容對(duì)應(yīng)一定范圍的頻率，在單片機(jī)選定電容檔后，數(shù)控電位器的步進(jìn)對(duì)應(yīng)于頻率的步進(jìn)量要小，以減小陷波中心頻率和基頻之間的誤差。在文氏電橋工作時(shí)，之后一檔電容被選通，這樣可減小繼電器對(duì)RC諧振網(wǎng)絡(luò)的干擾。考慮到以上3點(diǎn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算及實(shí)踐證明，在lOHz～1 MHz頻率范圍內(nèi)選取了7檔比較合適的電容，如表1所示。
4.2 檢波與A/D轉(zhuǎn)換
考慮到在失真度測(cè)量中輸入信號(hào)本身就是不規(guī)則的失真信號(hào)，而由分立元件組成的有效值檢波電路是在檢測(cè)出信號(hào)的峰值后按照一定的關(guān)系計(jì)算得出有效值，一般只能用于檢測(cè)規(guī)則信號(hào)(諸如正弦波等信號(hào))，輸出誤差比較大，不適用于失真度儀，所以本系統(tǒng)交流檢測(cè)信號(hào)-直流有效值的轉(zhuǎn)換采用了AD536型轉(zhuǎn)換電路。AD536是美國(guó)ADI公司推出的專門用于真有效值-直流轉(zhuǎn)換的單片集成電路。它的性能與混合或模數(shù)器件相當(dāng)甚至更優(yōu)，而價(jià)格則低得多。AD536A可直接計(jì)算出任何包含直流的交流分量的復(fù)雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號(hào)。AD536A可廣泛用于標(biāo)準(zhǔn)正弦波或非周期、非正弦且疊加直流電平的各種噪聲及機(jī)械傳感信號(hào)的精確測(cè)量。為了減小輸出中的紋波成分，最好使用后向?yàn)V波器，如圖4中的R9、C18和C19起到了濾波作用。
在本系統(tǒng)中必須對(duì)每次文氏電橋諧振頻率調(diào)整后的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并與前后的測(cè)量相比較，有了上述真有效值檢波，就可以直接檢測(cè)陷波后信號(hào)有效值的大小。筆者使用ADC0809型通用8位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將檢波后的直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為2進(jìn)制數(shù)據(jù)由單片機(jī)處理。ADC0809有8路模擬輸入通道，本系統(tǒng)只需使用一路。ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)的P0口相連，CLK信號(hào)與單片機(jī)的ALE口相連，CE和START分別與單片機(jī)的P2.6和P2.7口相連，EOC與單片機(jī)的INT0端口相連。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)之前已經(jīng)設(shè)計(jì)了1個(gè)ALC(自動(dòng)電平控制)電路，對(duì)輸入文氏電橋的電壓幅值進(jìn)行合理控制，所以ADC0809的參考電壓可取5 V，采用LM336-5型集成穩(wěn)壓電源即可。
4.3 單片機(jī)控制
本系統(tǒng)選用了AT89C51型單片機(jī)。無(wú)論從成本、處理速度或存儲(chǔ)容量考慮，選用AT89C51都是很合理的。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)電容比較小時(shí)，數(shù)控電位器每改變100 Ω時(shí)的對(duì)應(yīng)頻率改變量比較大，為了縮短調(diào)諧時(shí)間，程序設(shè)計(jì)從容值最小的電容器開始依次掃描，搜尋合適的陷波中心頻率。
系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)程序首先初始化(即電容值選取0.22 nF，數(shù)控電位器為最小值40 Ω)，然后單片機(jī)控制ADC0809進(jìn)行采樣，讀取P0口數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行粗掃，也就是說(shuō)先不改變數(shù)控電位器的阻值，只進(jìn)行電容換檔，當(dāng)程序掃描完整個(gè)7檔電容后，對(duì)ADC0809的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，取最小值對(duì)應(yīng)的電容檔作為系統(tǒng)所需要的檔。接著再用數(shù)控電位器進(jìn)行精確掃描，X9C103有100個(gè)抽頭，但不可能再掃100次。在筆者編寫的程序中，設(shè)定掃描到1個(gè)數(shù)值之后再掃5個(gè)數(shù)值，如果這5個(gè)數(shù)值
都比前面那個(gè)數(shù)值大，那么那個(gè)數(shù)值就是最小值，其對(duì)應(yīng)的數(shù)控電位器值就是所需的，系統(tǒng)就會(huì)穩(wěn)定。X9C103接口是3總線式，通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，編程較方便。圖5所示為本系統(tǒng)的軟件流程。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文敘述了失真度測(cè)量?jī)x中基波抑制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，為了能很好完成其功能，筆者設(shè)計(jì)并制作了智能數(shù)控調(diào)諧文氏電橋陷波器，一級(jí)文氏電橋陷波器雖然陷波深度還不錯(cuò)，可以達(dá)到60 dB以上，但是其陷波頻帶不夠?qū)?，而多?jí)串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)陷波頻帶的展寬，一般三級(jí)陷波即可具備非常好的性能。陷波器同樣適用于其他類似的場(chǎng)合。
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