儀器集成的幅頻特性測量儀

摘 要： 為了提高實驗室儀器設備的使用效率，提出了一種儀器集成的幅頻特性分析儀的設計與實現方法。它以DDS函數信號源、數字示波器和普通計算機作為硬件平臺，在計算機上配置LabVIEW 8.6程序，控制函數信號源產生測試所需掃頻信號，由數字示波器采集掃頻信號和測試網絡的響應信號，最后經計算機分析計算和顯示，較好地實現了幅頻特性測量。利用儀器集成方法實現幅頻特性測量，具有系統結構簡單、容易配置、高效率和低成本的特點，是現有商業設備的一種有效替換方案。

關鍵詞： 幅頻特性； 儀器集成； LabVIEW； 數字示波器

中圖分類號： TN919?34； TM935； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）16?0107?03

頻率特性是電路網絡的重要特性。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絡，然后測量電路網絡的響應，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、網絡分析儀等實現電路網絡的頻率特性測量雖只需幾分鐘，但由于設備價格昂貴，普通教學實驗室較少配備。采用微處理器控制直接數字合成（DDS）掃頻源的方法可較好地實現頻率特性的測試[1?4]，但掃頻信號源、幅度與相位檢測電路的設計與制作難度較大，實現的裝置往往存在簡陋、性能不穩定等缺點。

帶數字接口的直接數字合成（DDS）函數發生器和數字示波器在實驗室中得到了廣泛的應用。前者能實現高精度的幅度和頻率切換，后者則集數據采集、軟件編程等功能，能給用戶提供多種分析功能，甚至能實現對波形的保存和處理。特別是大多數數字示波器提供了內置波形幅度測量和波形延時測量。這些儀器與虛擬儀器設計平臺結合起來可低成本且方便地構建自動測試系統[5?6]。本文以LabVIEW8.6為設計平臺，利用實驗室的計算機、帶數字控制接口的盛普F40型數字合成函數信號源和泰克TDS1012C數字存儲示波器，實現電路網絡的頻率特性測試。系統的實現結合了點頻法和掃頻法的優點，利用計算機通過RS 232串口控制函數信號源產生幅度恒定且頻率隨時間連續變化的信號作為被測網絡的掃頻信號作用于待測網絡，數字示波器對被測網絡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，把電路網絡的幅頻特性分析并展現出來。

1 系統構成

用掃頻信號對被測電路網絡進行動態測量，能得到被測電路網絡的頻率響應特性。被測網絡輸入端和輸出端信號幅值的比值為電路的增益。系統的總體框圖如圖1所示。計算機通過串口控制盛普F40型數字合成信號源產生掃頻信號作用到待測電路，計算機通過USB接口讀取數字示波器采集的RMS值，利用LabVIEW8.6軟件進行數據處理并顯示幅頻特性曲線。

TDS1000C?SC系列數字存儲示波器標配USB連接、16種自動測量、極限測試、數據記錄和上下文相關幫助，擁有高達100 MHz的帶寬和1 GS/s的最大采樣率，完全符合本文的設計要求。使用數字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置，本文采用自動設置（AUTO SET）方式適時調節數字示波器的采樣速率，使之能配合當前函數發生器的輸出頻率，完成精確采樣。

2 軟件設計

本文采用VISA接口方式實現LabVIEW與數字數字示波器的通信[7?9]。其目的是控制DDS信號源產生給定范圍的掃頻信號，借助數字示波器進行有效值測量與計算，獲取計算結果后作出頻率特性曲線。主函數流程如圖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）、結束頻率（不超過40 MHz）和掃頻幅度，并選擇連續或對數掃頻方式。根據用戶輸入的開始和結束頻率自動計算出響應頻率間隔，并將計算出的頻率點保存在頻率數組中，獲取頻率數組數據如圖3所示。

當計算出各個頻率點后，先根據用戶選擇的串行端口向函數信號源當計算出各個頻率點后，先根據用戶選擇的串口向函數信號源發送幅度控制字和頻率控制字以產生不同頻率的掃頻信號，發送幅度和頻率控制字的程序見圖4所示。

為了保證讀取的數值準確，系統選擇了幾個頻率點進行波形校正操作，方法是通過USB接口控制數字示波器進行一次“AUTO SET”操作，當發送頻率在10 Hz～1 kHz，1～100 kHz或者100 kHz～10 MHz時分別對數字示波器進行一次波形校正操作，校正程序如圖5所示。

接著通過USB接口讀取數字示波器通道1和通道2測量所得的有效值（RMS）[10]，計算增益并填充至增益數組，單位為dB，見圖6。最后使用express面板上的圖形顯示控件“expressXY圖”函數來實現X?Y圖顯示（見圖7）。

3 系統測試

連接計算機、盛普F40型DDS信號源和TDS1000C?SC系列數字存儲示波器，將函數信號源輸出端連接待測電路輸入端，數字示波器通道Ⅰ連接待測電路的輸入端，通道Ⅱ連接待測電路的輸出端。在用戶界面中選擇DDS信號源對應的串口（如COM1）和數字存儲示波器對應的USB接口，輸入所需的開始頻率、結束頻率和幅度，并選擇掃頻方式。設置完成后點擊開始按鈕即可開始測量。圖8為一個中心頻率約為16 kHz的帶通濾波器的實測幅頻特性結果。

被測帶通濾波器的中心頻率約為16 kHz。實測中掃頻范圍從1～60 kHz，掃描60個頻點大約需時2分30秒。若需要提高幅頻特性曲線的測量精度，可以增加掃頻點。

4 結 語

本文以LabVIEW8.6為設計平臺，利用實驗室的計算機、帶數字控制接口的盛普F40型數字合成函數信號源和泰克TDS1012C數字存儲示波器，實現電路網絡的幅頻特性測試。使用這種方法，測試了巴特沃斯低通濾波器、帶通濾波器和調諧放大器等電路的幅頻特性，實驗結果證明了這種方法的有效性和實用性。在此基礎上還可進一步獲得相頻特性。與商用設備相比，本系統雖然響應時間較慢，用戶界面仍有待改進，但其編程與控制簡單，只需利用實驗室的已有設備，是提高高校教學實驗室設備資源利用率的一種可行方案。

參考文獻

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