基于單片機和FPGA的頻率特征測試儀

3．3 比較器電路
在輸入／輸出端信號經(jīng)無限放大進入過零比較器，產(chǎn)生與兩信號同步變化的方波信號，可提供給FPGA進行相位差計數(shù)。過零比較器無相位延遲，其方波信號完全反應(yīng)進、出網(wǎng)絡(luò)的相位差。MAX912是MAXIM公司的雙通道高速低功耗、高精度電壓比較器。該器件傳播速度快(典型值為10 ns)，功耗低(單個比較器工作電流為6 mA)，每個比較器均有獨立的鎖存使能功能。由于FPGA對相位的測量是基于對下降沿的檢測，為了產(chǎn)生邊沿陡峭的方波，因此，選用MAX912組成的高速過零比較器，其電路如圖4所示。

4 軟件設(shè)計
圖5為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖，首先系統(tǒng)初始化，主要是初始化LCD菜單顯示，這樣可便于根據(jù)LCD菜單進行按鍵操作。然后系統(tǒng)可根據(jù)默認(rèn)頻率范圍(100 Hz~1 000 kHz)掃描，如果無其他按鍵，則示波器顯示待測網(wǎng)絡(luò)在該默認(rèn)頻率范圍的頻率特性曲線。當(dāng)有按鍵下，CPU產(chǎn)生中斷進行按鍵處理，改變掃描參數(shù)。系統(tǒng)配置主要有4種按鍵處理情況，若左右頻率設(shè)置則改變最小最大頻率，即改變掃描范圍；若步進設(shè)置，則改變掃描步進，最小步進設(shè)置為10 Hz；若設(shè)置為快掃和慢掃，快掃速度快實時性好，而慢掃精度高但速度慢；若特定頻率點測量，則LCD顯示該網(wǎng)絡(luò)在單個頻率點的幅度特性和相位特性。按鍵設(shè)置完畢，系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)掃描和測試，示波器和LCD顯示新結(jié)果并等待新的按鍵操作。

5 測量結(jié)果
在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個雙T網(wǎng)絡(luò)。由于雙T濾波網(wǎng)絡(luò)是屬于帶阻濾波器，若輸入某一頻率信號，該電路發(fā)生諧振而使其不能通過，但輸入其他頻率信號基本都可通過，但幅值有所衰減。采用阻抗星形三角形變換法，該雙T網(wǎng)絡(luò)可等效為簡單的π型網(wǎng)絡(luò)。利用Matlab仿真，得到雙T濾波網(wǎng)絡(luò)幅頻特性曲線和相頻特性曲線，如圖6所示。

通過實驗測試數(shù)據(jù)可知，雙T網(wǎng)絡(luò)的中心頻率在50 kHz左右。在中心頻率上，相頻特性出現(xiàn)突變，由負(fù)相位特性最大值突變?yōu)檎辔粯O大值。幅頻特性曲線在中心頻率上出現(xiàn)極小值，衰減大，在其帶寬范圍之外網(wǎng)絡(luò)衰減比較小。因此，利用該系統(tǒng)設(shè)計可直觀顯示出一個網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。

6 結(jié)語
該系統(tǒng)設(shè)計可以方便地測量未知網(wǎng)絡(luò)在中低頻的幅頻特性和相頻特性的曲線，并在示波器顯示。該系統(tǒng)設(shè)計有助于學(xué)生理解電子線路理論知識，有利于自主開發(fā)簡易的測量儀器。