频率特性测试仪的设计和调试

频率特性测试仪的设计和调试

一、实验目的                                                                    

1．理解虚拟信号发生器如何在软件控制下产生扫频信号。
2. 了解虚拟仪器实验平台的滤波器幅频特性的自动测试原理。
3．掌握滤波器特性的测试方法。

二、实验内容

1．产生扫频信号。
2．调用动态函数库，编写频率特性测试程序。
3．设计基于虚拟仪器的频率特性测试仪。
4．使用设计的频率特性仪对滤波器进行测试。

三、实验器材

1．计算机                                1台
2．SJ-8002B电子测量实验箱                1台
3．滤波器电路实验板                      1块
4．数字示波器                            1台

四、实验原理

   1．线型系统频率特性测量基本原理

   频率响应是指线性网络对正弦输入信号的稳态相应，也称为频率特性。网络的频率特性通常都是复函数，它的绝对值代表这频率特性中的幅度随频率变化的规律，称为幅频特性；相角或相位表征了网络的相移随频率变化的规律，称为相频特性。线型网络的频率特性测量包括幅频特性测量和相频特性测量。
   点频测量法：输出某一所需的单一频率连续波信号。对应的频率特性测量方法。
   扫频测量法：频率源输出能够在测量所需的范围内连续扫描，以便连续测处各点频率上的频率特性结果并立即显示特性曲线，这样的方式就是扫频测量。

   2．线型系统幅频特性测试的计算。

               

                 图1   线型系统幅频特性计算原理

   此时的X(S),Y(S)为输入电压和输出电压的拉氏变换。

          对应的     

    3．本实验中幅频特性测量的硬件基本原理

                  

                                          图2    硬件基本原理

    首先通过直接数字合成的正弦信号作为扫频信号源，通过Aout1送到滤波器实验板电路和第2路采集通道的输入端，1路通道将采集经过滤波后的信号，将相同频率的信号经A/D采样后送入存储器中，再送入计算机中，将滤波后信号的有效值处以未滤波信号的有效值，得到该频率下的幅频特性曲线。

   4．直接数字合成基本原理

  （1）DDS组成原理

   直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。其完整的DDS原理框图如图3所示。

                  

                               图3      DDS组成原理

    主要由：相位累加器、ROM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。整体的工作原理如下：首先相位累加器根据输入的频率控制码输出相位序列，并作为波形存储器RAM的地址，RAM里面可以是预先存放的固定波形的一个周期的幅值编码，也可以是用户在使用过程中存入的任意波形的幅度编码，这样RAM的数据线上就产生了一系列的幅度编码数字信号，然后把该编码经过D/A转换得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的模拟波形。
频率控制字和时钟频率共同决定着DDS输出信号的频率，频率分辨率正比于系统的时钟，而反比于相位累加器的位数。

它们之间的关系满足：        

相应的，其频率分辨率为： 

  （2）相位累加器原理

    如果改变地址计数器计数步进值（即以值来进行累加），则在保持时钟频率和ROM数据不变的情况下，可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变。例如：设存储器中存储了个数据（一个周期的采样数据），则地址计数器步进为1时，输出频率，如果地址计数步进为，则每周期取样点数为，输出频率

  （3）DDS的性能

   DDS信号源输出的信号实际上是以时钟的速率对波形进行取样，从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理，所以。实际中一般取。当时，输出频率最小，。输出频率的分辨率由相位累加器的位数决定，即 。
    例如：参考时钟频率为1GHz，累加器相位为32位，则频率分辨力为0.233Hz。而改变时，其频率分辨力不会发生变化，因此DDS可以解决快捷变换与小步进之间的矛盾。由于D/A、存储器等器件的限制，DDS输出频率的上限不高，目前仍只能达到几十MHz。

   5．滤波器原理

   滤波器的功能是有选择地让一定频率范围内的信号通过，对此频率范围以外的信号抑制或急剧衰减。在信号处理、数据传输、抑制干扰等方面有广泛的应用，仅仅由RLC元件串联组成的滤波器称为无源滤波器。由RLC元件与运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器

（1）一阶无源低通滤波器

   一阶无源低通滤波器电路如图4所示，幅频特性如图5所示，其中截止频率?。

                    
                    图4   一阶无源低通滤波器电路         图5 一阶无源低通滤波器幅频特性

  （2）一阶有源低通滤波器

   在一阶RC低通滤波器电路的输出端再加上一个同相比例放大电路，就成为一阶有源低通滤波器，不仅具有滤波功能，还能起放大作用。一阶有源低通滤波器电路如图6所示，幅频特性如图7所示，其截止频率 。

                      

                     图6   一阶有源低通滤波器电路         图7  一阶有源低通滤波器幅频特性

   （3）二阶有源低通滤波器（压控电压源VCVS）

   二阶有源低通滤波器电路如图8所示。它是一种具有正相增益的常用二阶低通滤波器电路，运放和它的两个连接电阻、形成一个电压控制电压源（VCVS）。运放的增益为，它为滤波器提供了增益。幅频特性如图9所示，其中截止频率。

               

                   图8    二阶有源低通滤波器电路           图9 二阶有源低通滤波器幅频特性

    VCVS滤波器具有元件数量少、输出阻抗低、元件间差值范围小和放大能力比较高等优点。而且增益值可用电位器微调、进行精确的调整。VCVS滤波器一般用于品质因数值不高于10的场合。

  （4）二阶有源高通滤波器（压控电压源VCVS）

   二阶有源高通滤波器电路如图10所示。滤波器中的运放增益为，也可将开路而短路，让运放构成一个电压跟随器。幅频特性如图11所示。其中截止频率。

                       

                       图10 二阶有源高通滤波器电路        图11    二阶有源高通滤波器幅频特性

    6．实验电路图原理

   （1）滤波器实验硬件原理

               

                                 图12   滤波器实验板硬件原理图

   在滤波器实验电路板SJ-7003 Filter上有四种滤波器，每种滤波器都有3档不同的截止频率，分别是500Hz，5kHz和50kHz。测试信号由实验箱的任意信号源通道的输出（AO1）或外部其他信号发生器提供；滤波后的信号与实验箱的高速采集通道（AI1）连接。

 （2）滤波器实验电路板介绍

   滤波器板的选择输入信号时，需要接跳线为SW1，选项如表1，

表1   SW1跳线选择表

SW1上符号	符号所表示选择的信号源
In	虚拟仪器实验平台SJ8002B的任意信号源（AO1）
Out	外部信号源

   滤波器实验板上的四种滤波器是一阶无源低通滤波器、一阶有源低通滤波器、二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器。截止频率档位固定的滤波器选择的跳线符号如表2。

                                表2 固定截止频率滤波器档位选择的跳线符号表

	截止频率			滤波后信号输出跳线连接符号
?? 滤波器种类	500Hz	5kHz	50kHz
一阶无源低通滤波器	S01	S02	S03	LPF0
一阶有源低通滤波器	S01	S02	S03	LPF1
二阶有源低通滤波器	S11，S15	S12，S16	S13，S17	LPF2
二阶有源高通滤波器	S21，S25	S22，S26	S23，S27	HPF2

   截止频率可变的滤波器选择的跳线符号如表3

                                  表3  截止频率可变滤波器选择的跳线符号表

	改变的电容代号及通道跳线	改变增益的电阻及通道跳线	滤波后信号输出跳线连接符号
一阶无源低通滤波器	C00，S00	R04，S04	LPF0
一阶有源低通滤波器	C00，S00	R04，S04	LPF1
二阶有源低通滤波器	S10，C10，S14，C14	R15，S18	LPF2
二阶有源高通滤波器	C20，S20，C24，S24	R24，S28	HPF2

 

五、设计指导

   1.结构流程图

                   

                          图13  频率特性测试仪设计的结构流程图

   2．树形图
           

                            图14       频率特性测试仪设计的结构树形图

   3．功能与前面板设计

      

                       图15     滤波器频率特性测试前面板说明

                                 表4  控件及显示按键表格

编号	名称	位置	功能	备注
1	退出	Buttons>ok Button	退出程序
2	图形显示	Graph Inds>Graph	显示频率特性曲线
3	表格	Text Inds>Table	扫频时显示
4	原理说明	All controls>Ring&Enum>Text&Pict Ring
5	滤波类型	Text Ctrls>Menu Ring		包括：一阶无源低通滤波器 一阶有源低通滤波器 二阶有源低通滤波器 二阶有源高通滤波器
6	启动	Buttons>ok Button	启动扫频或者点频程序
7	清屏	Buttons>ok Button
8	扫描进度	Num Ctrls>Fill Slide	显示扫频进度
9	峰值幅度	Num Inds>Num Ind	扫频方式的峰值幅度	幅度范围0.1～6V
10	结束频率	Num Inds>Num Ind	扫频方式的结束频率	频率1Hz～1MHz
11	频率步进	Num Inds>Num Ind	扫频方式的频率步进	频率1Hz～1MHz
12	开始频率	Num Inds>Num Ind	扫频方式的开始频率	频率1Hz～1MHz
13	峰值幅度	Num Inds>Num Ind	点频方式的峰值幅度	幅度范围0.1～6V
14	频率	Num Inds>Num Ind	点频方式的频率	频率1Hz～1MHz
15	工作模式	All? Controls>Classic Controls>Classic Boolean>Horizontal Switch	选择工作方式

   4．动态调用链接

    本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                                       表5 fp函数说明

fp函数	实现功能	输入参数	输出参数	动态链 接图标
void epp_init	初始化EPP接口	无	无
Int epp_read_check	检查EPP读数是否正常。 返回值err为0：EPP可正常读数； 为8：EPP不能读数。	无	无
void find_div(dou ble amp, int *div)	输入信号幅度对采集通道伏格的自动选择	amp——输入信号幅度。	div——伏格序号。
void? easy_source (int DDS_channle, double amp, double fr, unsigned char shape，unsigned char ?filter_cw)	根据波形、幅度、频率和滤波控制来启动信号源。	DDS_channle——信号源通道-1： Aout1通道； 2:Aout2通道； amp——幅度峰峰值，单位V fr—— 频率值，单位Hz； shape——波形 filter_cw——滤波频率选择控制字。	无
void swept generator(int DDS_channle, double fr,)	扫频信号源控制。本函数要结合easy source（）一起使用。首先调用easy_source（）函数，其中fr设置为扫频的最低频率，然后循环调用本函数，以达到改变频率的效果。	输入值：DDS_channle——信号源通道：其中1： Aout1通道；2:? Aout2通道。 fr——频率值，单位KHz	无
void find timebase (double signal_fr, int *timebase)	根据输入信号频率，选定时基	signal_fr——波形的频率	timebase——时基序号
void process vpp kfr(unsigned char data(),int points,double signal fr,int div,int imebase, doubul *vp)	根据采集的参数设置，计算信号的峰峰值	无	无

六、调试与测试

   1．程序调试。

   （1）按如图方式，进行硬件连线。

              

                     图28   滤波器频率特性测试仪实验的硬件连线

   （2）启动程序，选择“扫频”工作方式，完成开始频率、频率步进、结束频率、峰值幅度的设定，选择“一阶无源低通滤波器”的滤波方式，按照面板上的提示，连接滤波板上的跳线，同时注意使截止频率在开始频率和结束频率之间。点击启动按键。
  （3）观察此时外部示波器上的正弦信号的频率变化，以及幅度。
  （4）打开“数字存储示波器”程序，观察此时1、2路通道信号的频率，幅度。
  （5）观察程序面板上显示的扫频滤波过程。
  （6）选择其他3种滤波方式，重做（2）～（5）的实验步骤。
  （7）选择“点频”工作方式，重做上述步骤。

   2．实验观测和数据记录

  （1）完成扫频方式的实验，并填写下表

                                       表6   扫频测量一阶无源低通情况

滤波器类型			一阶无源低通滤波器		理论截止频率 (KHz)		5	峰值幅度（V）		1.00
开始频率(KHz)			0.100		结束频率(KHz)		50.00	频率步进(KHz)		1.000
序号	项目	记 录 数 据
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	频率(KHz)
	幅值比

表7   扫频测量一阶有源低通情况

滤波器类型			一阶有源低通滤波器		理论截止频率(KHz)		5	峰值幅度（V）		1.00
开始频率(KHz)			0.100		结束频率(KHz)		50.00	频率步进(KHz)		1.000
序号	项目	记 录 数 据
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	频率(KHz)
	幅值比

表8   扫频测量二阶有源低通情况

滤波器类型			二阶有源低通滤波器		理论截止频率(KHz)		5	峰值幅度（V）		1.00
开始频率(KHz)			0.100		结束频率(KHz)		50.00	频率步进(KHz)		1.000
序号	项目	记 录 数 据
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	频率(KHz)
	幅值比

表9   扫频测量二阶有源高通情况

滤波器类型			二阶有源高通滤波器		理论截止频率(KHz)		0.500	峰值幅度（V）		1.00
开始频率(KHz)			0.100		结束频率(KHz)		10.00	频率步进(KHz)		0.100
序号	项目	记 录 数 据
		1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	频率(KHz)
	幅值比

 

（2）完成点频方式的实验，并填写下表

表10   点频测量一阶无源低通情况

滤波器类型		一阶无源低通滤波器				输入信号峰值幅度（V）				1.00
序号	理论截止频率	项目	记 录 数 据
			1	2	3		4	5	6		7
1	500Hz	频率	0.001	0.030	0.401		0.499	0.800	2.000		10.000
		幅值比

表11    点频测量二阶有源低通情况

滤波器类型		二阶有源低通滤波器				输入信号峰值幅度（V）				1.00
序号	理论截止频率	项目	记 录 数 据
			1	2	3		4	5	6		7
2	5kHz	频率	0.001	0.004	1.500		5.000	6.001	8.000		10.000
		幅值比

 

七、备注

   选择点频测量时，点频输入频率范围是1Hz~1MkHz，信号峰值范围0.1V~6V。
   选择扫频测量时，扫频输入频率范围是100Hz~1000kHz，信号峰值幅度范围0.1V~6V。在二阶有源高通滤波器的测试时，开始频率设定值要小于0.2kHz。