基于儀器集成的幅頻特性測量儀設(shè)計方案

引言

頻率特性是電路網(wǎng)絡(luò)的重要特性。傳統(tǒng)的測量方法是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，這種方法不僅耗時較長，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量時間，但價格昂貴，一般教學試驗室難以配備。因此，設(shè)計一種低成本、高精度的幅頻特性測量儀具有重要意義。

系統(tǒng)構(gòu)成

基于儀器集成的幅頻特性測量儀主要由DDS函數(shù)信號源、數(shù)字示波器和一般計算機作為硬件平臺，并在計算機上配置相應的軟件進行分析和顯示。以下是詳細的系統(tǒng)構(gòu)成及主控芯片型號介紹。

1. DDS函數(shù)信號源

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的方法。DDS芯片通過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D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號。

主要型號：

• AD9959：這是一款高性能的DDS芯片，具有四個DDS內(nèi)核，每個內(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處理應用。

在設(shè)計中的作用：

DDS函數(shù)信號源用于產(chǎn)生掃頻信號，即在一定頻率范圍內(nèi)連續(xù)變化的信號。通過計算機控制DDS芯片的頻率控制字，可以生成所需的掃頻信號，并作用于待測電路網(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的儀器，具有數(shù)據(jù)采集、軟件編程等功能，能夠為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。

主要型號：

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

• 其他型號：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)具體需求進行選擇。

在設(shè)計中的作用：

數(shù)字示波器用于采集待測電路網(wǎng)絡(luò)的響應信號，包括輸入信號和輸出信號的幅度和相位信息。通過計算機讀取示波器采集的數(shù)據(jù)，并進行處理和分析，可以得到待測電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

3. 主控芯片

主控芯片是整個測量儀的核心，負責控制DDS函數(shù)信號源產(chǎn)生掃頻信號，讀取數(shù)字示波器采集的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

主要型號：

• 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），適用于信號處理和控制邏輯等應用。

• 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。通過VHDL語言編程，可以實現(xiàn)與MCS-51系列單片機指令系統(tǒng)完全兼容的微控制器芯片IP核。

在設(shè)計中的作用：

• STM32F407：負責初始化系統(tǒng)外設(shè)，配置DDS函數(shù)信號源產(chǎn)生掃頻信號，讀取數(shù)字示波器采集的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理和顯示。STM32F407的浮點運算單元（FPU）能夠快速處理復雜的數(shù)學運算，如傅立葉變換，這對于計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通過內(nèi)部的正弦查找表IP核和D/A模塊產(chǎn)生掃頻信號，同時采集待測網(wǎng)絡(luò)的輸出信號和原始激勵信號，并進行相應的數(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)計使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r處理大量數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對幅頻特性曲線的實時顯示。

軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個測量儀的重要組成部分，負責控制硬件設(shè)備的運行，采集和分析數(shù)據(jù)，并顯示結(jié)果。

1. 通信接口設(shè)計

為了實現(xiàn)計算機與DDS函數(shù)信號源和數(shù)字示波器之間的通信，需要設(shè)計相應的通信接口。

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

• 串口通信：用于實現(xiàn)計算機與DDS函數(shù)信號源之間的通信。通過串口發(fā)送頻率控制字和幅度控制字，控制DDS函數(shù)信號源產(chǎn)生所需的掃頻信號。

2. 數(shù)據(jù)采集與處理

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

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

• 數(shù)據(jù)處理：對采集的數(shù)據(jù)進行濾波、傅立葉變換等處理，得到待測電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應特性。通過比較輸入信號和輸出信號的幅度和相位信息，可以計算出待測電路網(wǎng)絡(luò)的增益和相位差。

3. 圖形顯示

圖形顯示是軟件設(shè)計的另一個重要部分，用于實時顯示待測電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

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

系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是驗證設(shè)計方案正確性和可靠性的重要步驟。通過連接計算機、DDS函數(shù)信號源和數(shù)字示波器，將函數(shù)信號源輸出端連接待測電路輸入端，數(shù)字示波器通道Ⅰ連接待測電路的輸入端，通道Ⅱ連接待測電路的輸出端，進行實際測試。

1. 測試步驟

1. 連接硬件設(shè)備：將計算機、DDS函數(shù)信號源和數(shù)字示波器按照設(shè)計方案連接起來，確保連接正確無誤。

2. 配置軟件參數(shù)：在計算機上配置LabVIEW軟件，選擇相應的通信接口和參數(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)，如開頭頻率、結(jié)束頻率和掃頻幅度等。

4. 開始測量：點擊開始按鈕，系統(tǒng)開始產(chǎn)生掃頻信號，并采集待測電路網(wǎng)絡(luò)的響應信號。通過LabVIEW軟件實時顯示待測電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。

2. 測試結(jié)果分析

通過實際測試，可以得到待測電路網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。根據(jù)測試結(jié)果，可以分析待測電路網(wǎng)絡(luò)的頻率響應特性，如增益、帶寬等參數(shù)。同時，可以通過調(diào)整掃頻參數(shù)和采樣率等參數(shù)，優(yōu)化測量結(jié)果。

結(jié)語

基于儀器集成的幅頻特性測量儀設(shè)計方案采用DDS函數(shù)信號源、數(shù)字示波器和一般計算機作為硬件平臺，通過計算機配置相應的軟件進行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。該方案具有成本低、精度高、實時性好等優(yōu)點，適用于各種電路網(wǎng)絡(luò)的頻率特性測量。通過實際測試驗證，該設(shè)計方案正確可靠，具有較高的實用價值。

在未來的研究中，可以進一步優(yōu)化設(shè)計方案，提高測量精度和實時性。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，可以采用更先進的信號處理算法，提高數(shù)據(jù)處理的速度和準確性。此外，還可以將設(shè)計方案應用于更廣泛的領(lǐng)域，如通信系統(tǒng)、音頻處理系統(tǒng)等，為這些領(lǐng)域的頻率特性測量提供有力的支持。