频率特性测试仪的设计和调试

一、实验目的

1．理解虚拟信号发生器如何在软件控制下产生扫频信号。
2. 了解虚拟仪器实验平台的滤波器幅频特性的自动测试原理。
3．掌握滤波器特性的测试方法。

1．产生扫频信号。
2．调用动态函数库，编写频率特性测试程序。
3．设计基于虚拟仪器的频率特性测试仪。
4．使用设计的频率特性仪对滤波器进行测试。

1．计算机 1台
2．SJ-8002B电子测量实验箱 1台
3．滤波器电路实验板 1块
4．数字示波器 1台

1．线型系统频率特性测量基本原理

频率响应是指线性网络对正弦输入信号的稳态相应，也称为频率特性。网络的频率特性通常都是复函数，它的绝对值代表这频率特性中的幅度随频率变化的规律，称为幅频特性；相角或相位表征了网络的相移随频率变化的规律，称为相频特性。线型网络的频率特性测量包括幅频特性测量和相频特性测量。
点频测量法：输出某一所需的单一频率连续波信号。对应的频率特性测量方法。
扫频测量法：频率源输出能够在测量所需的范围内连续扫描，以便连续测处各点频率上的频率特性结果并立即显示特性曲线，这样的方式就是扫频测量。

2．线型系统幅频特性测试的计算。

图1 线型系统幅频特性计算原理

此时的X(S),Y(S)为输入电压和输出电压的拉氏变换。

对应的

3．本实验中幅频特性测量的硬件基本原理

图2 硬件基本原理

首先通过直接数字合成的正弦信号作为扫频信号源，通过Aout1送到滤波器实验板电路和第2路采集通道的输入端，1路通道将采集经过滤波后的信号，将相同频率的信号经A/D采样后送入存储器中，再送入计算机中，将滤波后信号的有效值处以未滤波信号的有效值，得到该频率下的幅频特性曲线。

4．直接数字合成基本原理

（1）DDS组成原理

直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。其完整的DDS原理框图如图3所示。

图3 DDS组成原理

主要由：相位累加器、ROM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。整体的工作原理如下：首先相位累加器根据输入的频率控制码输出相位序列，并作为波形存储器RAM的地址，RAM里面可以是预先存放的固定波形的一个周期的幅值编码，也可以是用户在使用过程中存入的任意波形的幅度编码，这样RAM的数据线上就产生了一系列的幅度编码数字信号，然后把该编码经过D/A转换得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的模拟波形。
频率控制字和时钟频率共同决定着DDS输出信号的频率，频率分辨率正比于系统的时钟，而反比于相位累加器的位数。

它们之间的关系满足：

相应的，其频率分辨率为：

（2）相位累加器原理

如果改变地址计数器计数步进值（即以值来进行累加），则在保持时钟频率和ROM数据不变的情况下，可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变。例如：设存储器中存储了个数据（一个周期的采样数据），则地址计数器步进为1时，输出频率，如果地址计数步进为，则每周期取样点数为，输出频率

（3）DDS的性能

DDS信号源输出的信号实际上是以时钟的速率对波形进行取样，从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理，所以。实际中一般取。当时，输出频率最小，。输出频率的分辨率由相位累加器的位数决定，即。
例如：参考时钟频率为1GHz，累加器相位为32位，则频率分辨力为0.233Hz。而改变时，其频率分辨力不会发生变化，因此DDS可以解决快捷变换与小步进之间的矛盾。由于D/A、存储器等器件的限制，DDS输出频率的上限不高，目前仍只能达到几十MHz。

5．滤波器原理

滤波器的功能是有选择地让一定频率范围内的信号通过，对此频率范围以外的信号抑制或急剧衰减。在信号处理、数据传输、抑制干扰等方面有广泛的应用，仅仅由RLC元件串联组成的滤波器称为无源滤波器。由RLC元件与运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器

（1）一阶无源低通滤波器

一阶无源低通滤波器电路如图4所示，幅频特性如图5所示，其中截止频率?。

图4 一阶无源低通滤波器电路 图5 一阶无源低通滤波器幅频特性

（2）一阶有源低通滤波器

在一阶RC低通滤波器电路的输出端再加上一个同相比例放大电路，就成为一阶有源低通滤波器，不仅具有滤波功能，还能起放大作用。一阶有源低通滤波器电路如图6所示，幅频特性如图7所示，其截止频率。

图6 一阶有源低通滤波器电路 图7 一阶有源低通滤波器幅频特性

（3）二阶有源低通滤波器（压控电压源VCVS）

二阶有源低通滤波器电路如图8所示。它是一种具有正相增益的常用二阶低通滤波器电路，运放和它的两个连接电阻、形成一个电压控制电压源（VCVS）。运放的增益为，它为滤波器提供了增益。幅频特性如图9所示，其中截止频率。

图8 二阶有源低通滤波器电路 图9 二阶有源低通滤波器幅频特性

VCVS滤波器具有元件数量少、输出阻抗低、元件间差值范围小和放大能力比较高等优点。而且增益值可用电位器微调、进行精确的调整。VCVS滤波器一般用于品质因数值不高于10的场合。

（4）二阶有源高通滤波器（压控电压源VCVS）

二阶有源高通滤波器电路如图10所示。滤波器中的运放增益为，也可将开路而短路，让运放构成一个电压跟随器。幅频特性如图11所示。其中截止频率。

图10 二阶有源高通滤波器电路 图11 二阶有源高通滤波器幅频特性

6．实验电路图原理

（1）滤波器实验硬件原理

图12 滤波器实验板硬件原理图

在滤波器实验电路板SJ-7003 Filter上有四种滤波器，每种滤波器都有3档不同的截止频率，分别是500Hz，5kHz和50kHz。测试信号由实验箱的任意信号源通道的输出（AO1）或外部其他信号发生器提供；滤波后的信号与实验箱的高速采集通道（AI1）连接。

（2）滤波器实验电路板介绍

滤波器板的选择输入信号时，需要接跳线为SW1，选项如表1，

表1 SW1跳线选择表

滤波器实验板上的四种滤波器是一阶无源低通滤波器、一阶有源低通滤波器、二阶有源低通滤波器、二阶有源高通滤波器。截止频率档位固定的滤波器选择的跳线符号如表2。

表2 固定截止频率滤波器档位选择的跳线符号表

截止频率可变的滤波器选择的跳线符号如表3

表3 截止频率可变滤波器选择的跳线符号表

 

五、设计指导

1.结构流程图

图13 频率特性测试仪设计的结构流程图

2．树形图

图14 频率特性测试仪设计的结构树形图

3．功能与前面板设计

图15 滤波器频率特性测试前面板说明

表4 控件及显示按键表格

4．动态调用链接

本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

表5 fp函数说明

六、调试与测试

1．程序调试。

（1）按如图方式，进行硬件连线。

图28 滤波器频率特性测试仪实验的硬件连线

（2）启动程序，选择“扫频”工作方式，完成开始频率、频率步进、结束频率、峰值幅度的设定，选择“一阶无源低通滤波器”的滤波方式，按照面板上的提示，连接滤波板上的跳线，同时注意使截止频率在开始频率和结束频率之间。点击启动按键。
（3）观察此时外部示波器上的正弦信号的频率变化，以及幅度。
（4）打开“数字存储示波器”程序，观察此时1、2路通道信号的频率，幅度。
（5）观察程序面板上显示的扫频滤波过程。
（6）选择其他3种滤波方式，重做（2）～（5）的实验步骤。
（7）选择“点频”工作方式，重做上述步骤。

2．实验观测和数据记录

（1）完成扫频方式的实验，并填写下表

表6 扫频测量一阶无源低通情况

表7 扫频测量一阶有源低通情况

表8 扫频测量二阶有源低通情况

表9 扫频测量二阶有源高通情况

 

（2）完成点频方式的实验，并填写下表

表10 点频测量一阶无源低通情况

表11 点频测量二阶有源低通情况

 

七、备注

选择点频测量时，点频输入频率范围是1Hz~1MkHz，信号峰值范围0.1V~6V。
选择扫频测量时，扫频输入频率范围是100Hz~1000kHz，信号峰值幅度范围0.1V~6V。在二阶有源高通滤波器的测试时，开始频率设定值要小于0.2kHz。