基于儀器集成的幅頻特性測量儀設計方案

引言

頻率特性是電路網絡的重要特性。傳統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絡，然后測量電路網絡的響應，這種方法不僅耗時較長，而且精度有限。專用的掃頻儀、網絡分析儀等設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。

系統構成

基于儀器集成的幅頻特性測量儀主要由DDS函數信號源、數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。以下是詳細的系統構成及主控芯片型號介紹。

1. DDS函數信號源

DDS（Direct Digital Synthesis，直接數字合成）技術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換器生成數字正弦波，然后通過D/A轉換器轉換為模擬信號。

主要型號：

• AD9959：這是一款高性能的DDS芯片，具有四個DDS內核，每個內核由32位相位累加器和相位到幅度轉換器組成。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。

在設計中的作用：

DDS函數信號源用于產生掃頻信號，即在一定頻率范圍內連續變化的信號。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絡。

2. 數字示波器

數字示波器是一種用于采集和分析模擬信號的儀器，具有數據采集、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，可以根據具體需求進行選擇。

在設計中的作用：

數字示波器用于采集待測電路網絡的響應信號，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據，并進行處理和分析，可以得到待測電路網絡的幅頻特性曲線。

3. 主控芯片

主控芯片是整個測量儀的核心，負責控制DDS函數信號源產生掃頻信號，讀取數字示波器采集的數據，并進行數據處理和顯示。

主要型號：

• STM32F407：這是一款高性能、低功耗的微控制器，屬于Cortex-M4內核系列。STM32F407具有豐富的外設接口，如ADC（模數轉換器）和DAC（數模轉換器），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，具有高速數據處理能力和靈活的接口設計。通過VHDL語言編程，可以實現與MCS-51系列單片機指令系統完全兼容的微控制器芯片IP核。

在設計中的作用：

• STM32F407：負責初始化系統外設，配置DDS函數信號源產生掃頻信號，讀取數字示波器采集的數據，并進行數據處理和顯示。STM32F407的浮點運算單元（FPU）能夠快速處理復雜的數學運算，如傅立葉變換，這對于計算幅頻和相頻特性是非常關鍵的。

• FPGA：作為數據采集和處理的核心模塊，FPGA通過內部的正弦查找表IP核和D/A模塊產生掃頻信號，同時采集待測網絡的輸出信號和原始激勵信號，并進行相應的數據處理。FPGA的高速數據處理能力和靈活的接口設計使得系統能夠實時處理大量數據，并實現對幅頻特性曲線的實時顯示。

軟件設計

軟件設計是整個測量儀的重要組成部分，負責控制硬件設備的運行，采集和分析數據，并顯示結果。

1. 通信接口設計

為了實現計算機與DDS函數信號源和數字示波器之間的通信，需要設計相應的通信接口。

• VISA接口：用于實現LabVIEW與數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據，并進行處理和分析。

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

2. 數據采集與處理

數據采集與處理是軟件設計的核心部分，包括采集待測電路網絡的輸入信號和輸出信號，并進行相應的數據處理和分析。

• 數據采集：通過數字示波器采集待測電路網絡的輸入信號和輸出信號的幅度和相位信息。為了保證采集數據的準確性，需要選擇合適的采樣率和采樣點數。

• 數據處理：對采集的數據進行濾波、傅立葉變換等處理，得到待測電路網絡的頻率響應特性。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絡的增益和相位差。

3. 圖形顯示

圖形顯示是軟件設計的另一個重要部分，用于實時顯示待測電路網絡的幅頻特性曲線。

• LabVIEW：采用LabVIEW作為圖形顯示平臺，可以方便地實現數據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絡的幅頻特性曲線，并對其進行放大、縮小、平移等操作。

系統測試

系統測試是驗證設計方案正確性和可靠性的重要步驟。通過連接計算機、DDS函數信號源和數字示波器，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，進行實際測試。

1. 測試步驟

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

2. 配置軟件參數：在計算機上配置LabVIEW軟件，選擇相應的通信接口和參數設置，如串口和USB接口等。

3. 輸入掃頻參數：在用戶界面中輸入所需的掃頻參數，如開頭頻率、結束頻率和掃頻幅度等。

4. 開始測量：點擊開始按鈕，系統開始產生掃頻信號，并采集待測電路網絡的響應信號。通過LabVIEW軟件實時顯示待測電路網絡的幅頻特性曲線。

2. 測試結果分析

通過實際測試，可以得到待測電路網絡的幅頻特性曲線。根據測試結果，可以分析待測電路網絡的頻率響應特性，如增益、帶寬等參數。同時，可以通過調整掃頻參數和采樣率等參數，優化測量結果。

結語

基于儀器集成的幅頻特性測量儀設計方案采用DDS函數信號源、數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據采集、處理和分析。該方案具有成本低、精度高、實時性好等優點，適用于各種電路網絡的頻率特性測量。通過實際測試驗證，該設計方案正確可靠，具有較高的實用價值。

在未來的研究中，可以進一步優化設計方案，提高測量精度和實時性。例如，可以采用更高性能的DDS芯片和數字示波器，提高系統的帶寬和采樣率；同時，可以采用更先進的信號處理算法，提高數據處理的速度和準確性。此外，還可以將設計方案應用于更廣泛的領域，如通信系統、音頻處理系統等，為這些領域的頻率特性測量提供有力的支持。