基于儀器集成的幅頻特性測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案

引言

頻率特性是電路網(wǎng)絡(luò)的重要特性。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是通過(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)，這種方法不僅耗時(shí)較長(zhǎng)，而且精度有限。專用的掃頻儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備雖然可以大大縮短測(cè)量時(shí)間，但價(jià)格昂貴，一般教學(xué)試驗(yàn)室難以配備。因此，設(shè)計(jì)一種低成本、高精度的幅頻特性測(cè)量?jī)x具有重要意義。

系統(tǒng)構(gòu)成

基于儀器集成的幅頻特性測(cè)量?jī)x主要由DDS函數(shù)信號(hào)源、數(shù)字示波器和一般計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)，并在計(jì)算機(jī)上配置相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析和顯示。以下是詳細(xì)的系統(tǒng)構(gòu)成及主控芯片型號(hào)介紹。

1. DDS函數(shù)信號(hào)源

DDS（Direct Digital Synthesis，直接數(shù)字合成）技術(shù)是一種用于生成高精度、高分辨率的頻率信號(hào)的方法。DDS芯片通過(guò)相位累加器和相位到幅度轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字正弦波，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

主要型號(hào)：

• AD9959：這是一款高性能的DDS芯片，具有四個(gè)DDS內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核由32位相位累加器和相位到幅度轉(zhuǎn)換器組成。AD9959的輸出頻率范圍寬，相位噪聲低，適用于高精度頻率合成應(yīng)用。

• AD9854：這也是一款常用的DDS芯片，具有靈活的頻率和相位控制功能，適用于多種頻率合成和信號(hào)處理應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)中的作用：

DDS函數(shù)信號(hào)源用于產(chǎn)生掃頻信號(hào)，即在一定頻率范圍內(nèi)連續(xù)變化的信號(hào)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制DDS芯片的頻率控制字，可以生成所需的掃頻信號(hào)，并作用于待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)。

2. 數(shù)字示波器

數(shù)字示波器是一種用于采集和分析模擬信號(hào)的儀器，具有數(shù)據(jù)采集、軟件編程等功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┒喾N分析功能，甚至能實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的保存和處理。

主要型號(hào)：

• 泰克TDS1012C：這是一款高性能的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，具有高達(dá)100 MHz的帶寬和1 GS/s的采樣率，能夠滿足大多數(shù)頻率特性測(cè)量的要求。

• 其他型號(hào)：如TDS2000系列、TDS3000系列等，這些示波器也具有不同的帶寬和采樣率，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

在設(shè)計(jì)中的作用：

數(shù)字示波器用于采集待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號(hào)，包括輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的幅度和相位信息。通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取示波器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和分析，可以得到待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

3. 主控芯片

主控芯片是整個(gè)測(cè)量?jī)x的核心，負(fù)責(zé)控制DDS函數(shù)信號(hào)源產(chǎn)生掃頻信號(hào)，讀取數(shù)字示波器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

主要型號(hào)：

• STM32F407：這是一款高性能、低功耗的微控制器，屬于Cortex-M4內(nèi)核系列。STM32F407具有豐富的外設(shè)接口，如ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），適用于信號(hào)處理和控制邏輯等應(yīng)用。

• FPGA（如Xilinx Spartan3系列XC3S400-PQ208）：FPGA是一種可編程邏輯器件，具有高速數(shù)據(jù)處理能力和靈活的接口設(shè)計(jì)。通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程，可以實(shí)現(xiàn)與MCS-51系列單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容的微控制器芯片IP核。

在設(shè)計(jì)中的作用：

• STM32F407：負(fù)責(zé)初始化系統(tǒng)外設(shè)，配置DDS函數(shù)信號(hào)源產(chǎn)生掃頻信號(hào)，讀取數(shù)字示波器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。STM32F407的浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU）能夠快速處理復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如傅立葉變換，這對(duì)于計(jì)算幅頻和相頻特性是非常關(guān)鍵的。

• FPGA：作為數(shù)據(jù)采集和處理的核心模塊，F(xiàn)PGA通過(guò)內(nèi)部的正弦查找表IP核和D/A模塊產(chǎn)生掃頻信號(hào)，同時(shí)采集待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)和原始激勵(lì)信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。FPGA的高速數(shù)據(jù)處理能力和靈活的接口設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理大量數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)幅頻特性曲線的實(shí)時(shí)顯示。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)測(cè)量?jī)x的重要組成部分，負(fù)責(zé)控制硬件設(shè)備的運(yùn)行，采集和分析數(shù)據(jù)，并顯示結(jié)果。

1. 通信接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與DDS函數(shù)信號(hào)源和數(shù)字示波器之間的通信，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信接口。

• VISA接口：用于實(shí)現(xiàn)LabVIEW與數(shù)字示波器之間的通信。通過(guò)VISA接口，可以讀取示波器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和分析。

• 串口通信：用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與DDS函數(shù)信號(hào)源之間的通信。通過(guò)串口發(fā)送頻率控制字和幅度控制字，控制DDS函數(shù)信號(hào)源產(chǎn)生所需的掃頻信號(hào)。

2. 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理是軟件設(shè)計(jì)的核心部分，包括采集待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和分析。

• 數(shù)據(jù)采集：通過(guò)數(shù)字示波器采集待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的幅度和相位信息。為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要選擇合適的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)。

• 數(shù)據(jù)處理：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、傅立葉變換等處理，得到待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性。通過(guò)比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的幅度和相位信息，可以計(jì)算出待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的增益和相位差。

3. 圖形顯示

圖形顯示是軟件設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要部分，用于實(shí)時(shí)顯示待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

• LabVIEW：采用LabVIEW作為圖形顯示平臺(tái)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和圖形化分析。通過(guò)LabVIEW的圖形顯示控件，可以實(shí)時(shí)顯示待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線，并對(duì)其進(jìn)行放大、縮小、平移等操作。

系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試是驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案正確性和可靠性的重要步驟。通過(guò)連接計(jì)算機(jī)、DDS函數(shù)信號(hào)源和數(shù)字示波器，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，進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

1. 測(cè)試步驟

1. 連接硬件設(shè)備：將計(jì)算機(jī)、DDS函數(shù)信號(hào)源和數(shù)字示波器按照設(shè)計(jì)方案連接起來(lái)，確保連接正確無(wú)誤。

2. 配置軟件參數(shù)：在計(jì)算機(jī)上配置LabVIEW軟件，選擇相應(yīng)的通信接口和參數(shù)設(shè)置，如串口和USB接口等。

3. 輸入掃頻參數(shù)：在用戶界面中輸入所需的掃頻參數(shù)，如開(kāi)頭頻率、結(jié)束頻率和掃頻幅度等。

4. 開(kāi)始測(cè)量：點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始產(chǎn)生掃頻信號(hào)，并采集待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)信號(hào)。通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)時(shí)顯示待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

2. 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，可以得到待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以分析待測(cè)電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性，如增益、帶寬等參數(shù)。同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整掃頻參數(shù)和采樣率等參數(shù)，優(yōu)化測(cè)量結(jié)果。

結(jié)語(yǔ)

基于儀器集成的幅頻特性測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)方案采用DDS函數(shù)信號(hào)源、數(shù)字示波器和一般計(jì)算機(jī)作為硬件平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)配置相應(yīng)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。該方案具有成本低、精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測(cè)量。通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案正確可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。例如，可以采用更高性能的DDS芯片和數(shù)字示波器，提高系統(tǒng)的帶寬和采樣率；同時(shí)，可以采用更先進(jìn)的信號(hào)處理算法，提高數(shù)據(jù)處理的速度和準(zhǔn)確性。此外，還可以將設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如通信系統(tǒng)、音頻處理系統(tǒng)等，為這些領(lǐng)域的頻率特性測(cè)量提供有力的支持。