基于儀器集成的幅頻特性測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案

　　頻率特性是電路網(wǎng)絡(luò)的重要特性。過(guò)去常采用人工測(cè)量的方法，通過(guò)輸出不同頻點(diǎn)的正弦信號(hào)去激勵(lì)電路網(wǎng)絡(luò)，然后測(cè)量電路網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，一個(gè)測(cè)試往往需花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)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(cè)量雖只需幾分鐘，但由于設(shè)備價(jià)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(cè)試，但掃頻信號(hào)源、幅度與相位檢測(cè)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(jiǎn)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(duì)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(cè)量和波形延時(shí)測(cè)量。這些儀器與虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)結(jié)合起來(lái)可低成本且方便地構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本文以LabVIEW8.6為設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(hào)源和泰克TDS1012C數(shù)字存儲(chǔ)示波器，實(shí)現(xiàn)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)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(guò)RS 232 串口控制函數(shù)信號(hào)源產(chǎn)生幅度恒定且頻率隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)作為被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的掃頻信號(hào)作用于待測(cè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字示波器對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行采樣與處理，計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口獲取數(shù)字示波器測(cè)得的信號(hào)幅值，并通過(guò)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(lái)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　用掃頻信號(hào)對(duì)被測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，能得到被測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性。被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸入端和輸出端信號(hào)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(guò)串口控制盛普F40型數(shù)字合成信號(hào)源產(chǎn)生掃頻信號(hào)作用到待測(cè)電路，計(jì)算機(jī)通過(guò)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(chǔ)示波器標(biāo)配USB連接、16種自動(dòng)測(cè)量、極限測(cè)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(shí)，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(dòng)設(shè)置（AUTO SET）方式適時(shí)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(hào)源產(chǎn)生給定范圍的掃頻信號(hào)，借助數(shù)字示波器進(jìn)行有效值測(cè)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(kāi)始頻率（最小為20 Hz）、結(jié)束頻率（不超過(guò)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(kāi)始和結(jié)束頻率自動(dòng)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(gè)頻率點(diǎn)后，先根據(jù)用戶選擇的串行端口向函數(shù)信號(hào)源當(dāng)計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)后，先根據(jù)用戶選擇的串口向函數(shù)信號(hào)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(hào)，發(fā)送幅度和頻率控制字的程序見(jiàn)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(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行波形校正操作，方法是通過(guò)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(shí)分別對(duì)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(guò)USB接口讀取數(shù)字示波器通道1和通道2測(cè)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(jiàn)圖6.最后使用express面板上的圖形顯示控件“expressXY圖”函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)X-Y圖顯示（見(jiàn)圖7）。

　　3 系統(tǒng)測(cè)試

　　連接計(jì)算機(jī)、盛普F40型DDS信號(hào)源和TDS1000C-SC 系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器，將函數(shù)信號(hào)源輸出端連接待測(cè)電路輸入端，數(shù)字示波器通道Ⅰ連接待測(cè)電路的輸入端，通道Ⅱ連接待測(cè)電路的輸出端。在用戶界面中選擇DDS 信號(hào)源對(duì)應(yīng)的串口（如COM1）和數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)應(yīng)的USB接口，輸入所需的開(kāi)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(kāi)始按鈕即可開(kāi)始測(cè)量。圖8為一個(gè)中心頻率約為16 kHz的帶通濾波器的實(shí)測(cè)幅頻特性結(jié)果。

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

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文以LabVIEW8.6為設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(hào)源和泰克TDS1012C數(shù)字存儲(chǔ)示波器，實(shí)現(xiàn)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性測(cè)試。該方案中所采用的方法，測(cè)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(shí)間較慢，用戶界面仍有待改進(jìn)，但其編程與控制簡(jiǎn)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。