一種儀器集成的幅頻特性測量儀的設(shè)計方案

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)實驗室較少配備。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)計與制作難度較大，實現(xiàn)的裝置往往存在簡陋、性能不穩(wěn)定等缺點。

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)字示波器在實驗室中得到了廣泛的應(yīng)用。前者能實現(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)計平臺，利用實驗室的計算機、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，實現(xiàn)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測試。系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)合了點頻法和掃頻法的優(yōu)點，利用計算機通過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行采樣與處理，計算機通過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。計算機通過串口控制盛普F40型數(shù)字合成信號源產(chǎn)生掃頻信號作用到待測電路，計算機通過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

本文采用VISA 接口方式實現(xiàn)LabVIEW 與數(shù)字數(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)字示波器進行有效值測量與計算，獲取計算結(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)束頻率自動計算出響應(yīng)頻率間隔，并將計算出的頻率點保存在頻率數(shù)組中，獲取頻率數(shù)組數(shù)據(jù)如圖3所示。

當(dāng)計算出各個頻率點后，先根據(jù)用戶選擇的串行端口向函數(shù)信號源當(dāng)計算出各個頻率點后，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。