頻率特性測試儀的設計和調試

一、實驗目的

1．理解虛擬信號發(fā)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(tài)函數(shù)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(shù)字示波器 1臺

1．線型系統(tǒng)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(wěn)態(tài)相應，也稱為頻率特性。網絡的頻率特性通常都是復函數(shù)，它的絕對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絡的相移隨頻率變化的規(guī)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(xù)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(xù)掃描，以便連續(xù)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(tǒng)幅頻特性測試的計算。

圖1 線型系統(tǒng)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(shù)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(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和計算技術，通過數(shù)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(shù)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(shù)據線上就產生了一系列的幅度編碼數(shù)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(tǒng)的時鐘，而反比于相位累加器的位數(shù)。

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(shù)器計數(shù)步進值（即以值來進行累加），則在保持時鐘頻率和ROM數(shù)據不變的情況下，可以改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。例如：設存儲器中存儲了個數(shù)據（一個周期的采樣數(shù)據），則地址計數(shù)器步進為1時，輸出頻率，如果地址計數(shù)步進為，則每周期取樣點數(shù)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(shù)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(fā)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(shù)據傳輸、抑制干擾等方面有廣泛的應用，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(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。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(shù)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(fā)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

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

截止頻率可變的濾波器選擇的跳線符號如表3

表3 截止頻率可變?yōu)V波器選擇的跳線符號表

 

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

4．動態(tài)調用鏈接

本程序設計的主要實現(xiàn)已經做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序實現(xiàn)時可直接調用實驗箱提供的驅動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅動函數(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(shù)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(shù)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

表7 掃頻測量一階有源低通情況

表8 掃頻測量二階有源低通情況

表9 掃頻測量二階有源高通情況

 

（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

表11 點頻測量二階有源低通情況

 

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。