郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073)

模擬濾波器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073)

以TMS320F28027 DSP處理器為控制核心，設(shè)計(jì)了濾波器測(cè)試用信號(hào)源和程控放大器，實(shí)現(xiàn)濾波器幅頻特性、相頻特性、平坦度、失真度、品質(zhì)因數(shù)與截止頻率等測(cè)試功能，并可以通過LCD顯示測(cè)試數(shù)據(jù)與曲線。根據(jù)預(yù)置的測(cè)試指標(biāo)，可自動(dòng)進(jìn)行濾波器的篩選，適合于一般濾波器的指標(biāo)測(cè)試，也可用于濾波器生產(chǎn)過程的質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

模擬濾波器；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；失真度；程控放大器

模擬濾波器是具有頻率選擇性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，其發(fā)展越來越模塊化、專業(yè)化，如陶瓷濾波器、聲表面濾波器以及可編程濾波器等[1]，其性能往往決定了整個(gè)電子系統(tǒng)的性能，但濾波器種類繁多，性能指標(biāo)也各不相同，給濾波器的生產(chǎn)測(cè)試和選擇帶來困難。目前，模擬濾波器的性能測(cè)試主要分為儀表組合的逐點(diǎn)測(cè)試法[2]和頻率特性測(cè)試儀測(cè)試法[3-5]，前者耗時(shí)且測(cè)量精度、指標(biāo)完整性等不能滿足要求，而后者往往采用高檔的在線測(cè)試儀表組成測(cè)試網(wǎng)絡(luò)[3,5]，或采用數(shù)據(jù)采集卡與微機(jī)系統(tǒng)組成測(cè)試[4]，成本高、攜帶不方便，且大多只觀察幅度特性，而其相頻特性、通帶平坦性、Q值等并不能直接測(cè)試，且不同測(cè)試設(shè)備的組合測(cè)試也帶來了較大的測(cè)試誤差[6]，同時(shí)，目前的濾波器測(cè)試系統(tǒng)大多沒有考慮波形失真的影響。為此，筆者采用DSP控制，確保在一定的波形失真度條件下，以掃頻方式逐點(diǎn)測(cè)試濾波器的幅頻特性和相頻特性，并計(jì)算濾波器的截止頻率、品質(zhì)因數(shù)和平坦度等，并可結(jié)合指定的濾波器指標(biāo)，進(jìn)行濾波器的質(zhì)量控制和篩選。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與單元電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)框圖

根據(jù)模擬濾波器的測(cè)試指標(biāo)，系統(tǒng)以TMS320F28027處理器[7]為控制核心，設(shè)計(jì)有測(cè)試信號(hào)源(DDS單元)、程控放大器、幅度采集單元、相位檢測(cè)單元等功能模塊，以及鍵盤與LCD顯示單元。其具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示，DDS專用芯片AD9851產(chǎn)生正弦波，經(jīng)過程控放大獲得需要的幅度，輸出至被測(cè)濾波器，將濾波器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)分別送至相位檢測(cè)電路和幅度檢測(cè)電路，由單片機(jī)處理獲得濾波器的幅頻特性、相頻特性、失真度、品質(zhì)因數(shù)和平坦度等參數(shù)，所有參數(shù)可現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)通過串口傳輸給上位機(jī)保存。

TMS320F28027為高效率32位控制器，具有60MHz時(shí)鐘頻率,擁有16×16和32×32乘法運(yùn)算，以及16×16雙乘法器，為哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有快速中斷響應(yīng)和處理能力；其ADC模塊是具有12位分辨率、流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有16個(gè)通道，也可以配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，具有2個(gè)采樣保持器，分別對(duì)應(yīng)于2個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，以及多達(dá)22個(gè)GPIO(總線擴(kuò)展器)。其運(yùn)行速度和資源非常適合本系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算所需。

1.1DDS信號(hào)源的設(shè)計(jì)

圖2 DDS信號(hào)源電路與濾波

圖3 程控放大電路

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

DDS信號(hào)源電路與濾波如圖2所示，通過單片機(jī)TMS320F28027輸入頻率控制字，采用DDS芯片AD9851可產(chǎn)生頻譜純凈、頻率可調(diào)的模擬正弦波，其頻率范圍為0～70MHz，該系統(tǒng)產(chǎn)生0～1MHz的正弦波，考慮到輸出諧波影響，后接低通濾波器，濾除高次諧波，截止頻率為2.4MHz。

1.2程控放大器的設(shè)計(jì)

程控放大器由DAC電路和程控放大器2部分構(gòu)成，如圖3所示，TMS320F28027根據(jù)需要控制DAC電路產(chǎn)生控制電壓，控制電壓使AD603放大器的帶寬為9MHz，增益為10～50dB。DAC選用TLV5618，具有12位串行輸入雙路 DAC，建立時(shí)間僅2.5μs，具有可編程穩(wěn)定時(shí)間，其參考電壓由精密基準(zhǔn)源TL431提供，大小為2.5V。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖1所示，硬件系統(tǒng)采集濾波器的輸入、輸出波形，相關(guān)的濾波器參數(shù)由軟件計(jì)算獲得，具體的程序流程如圖4所示，濾波器的測(cè)試時(shí)，程序首先根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析濾波器的靜態(tài)噪聲，若滿足指標(biāo)要求則繼續(xù)進(jìn)行其他指標(biāo)的測(cè)試，否則，直接判定濾波器不合格；濾波器的測(cè)試必須保證輸出波形的失真在許可的范圍內(nèi)，若輸出波形失真過大，則自動(dòng)減小輸入測(cè)試信號(hào)的幅度，如果失真一直過大，則判定濾波器不合格。同時(shí)，根據(jù)輸入信號(hào)頻率，確定數(shù)據(jù)采樣速率，確保在每個(gè)信號(hào)周期整數(shù)倍采樣。濾波器的頻率掃頻范圍可以根據(jù)需要通過鍵盤設(shè)置，也可根據(jù)儀器的最大掃頻范圍工作，該系統(tǒng)最大設(shè)定為1MHz。

2.1幅度、相位的測(cè)試

當(dāng)信號(hào)頻率為fs，采樣率為mfs(m取32)，設(shè)濾波器輸入正弦波為x(n)，濾波器輸出為y(n)，忽略諧波失真，則輸入信號(hào)和輸出信號(hào)幅度分別為：

式中，N取320，即10個(gè)周期的平均，故在該頻率點(diǎn)下，濾波器的幅頻特性：

考慮到相移的相對(duì)性，為了區(qū)別相移的超前和滯后，在計(jì)算相位時(shí)，首先將輸入信號(hào)序列x(n)移相90°，則相頻特性為：

2.2失真度測(cè)量原理

失真度的測(cè)試分為基波剔除法和頻譜分析法，前者常應(yīng)用于模擬失真度儀，由于采用陷波器結(jié)構(gòu)剔除基波，且為手工操作，測(cè)量的誤差較大；后者利用頻譜分析儀測(cè)量各諧波，計(jì)算出波形失真度，其字長(zhǎng)和譜泄漏是影響準(zhǔn)確度的關(guān)鍵[8]。該系統(tǒng)是在已知輸入正弦波的條件下測(cè)試輸出信號(hào)失真度，可采用相關(guān)計(jì)算信號(hào)失真度，既克服陷波器的缺點(diǎn)，也克服了信號(hào)頻譜分析不足和資源開銷的缺點(diǎn)。

2.3截止頻率、Q值與通帶平坦度分析

1)截止頻率 通過比較頻率測(cè)試的幅頻值，獲得峰值，按峰值下降0.707對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率fc，根據(jù)截止頻率的個(gè)數(shù)，得到濾波器的類型：1個(gè)截止頻率對(duì)應(yīng)高通、低通(具體根據(jù)與中心頻率的位置關(guān)系判斷)，2個(gè)截止頻率對(duì)應(yīng)帶通、帶阻(具體根據(jù)中心頻率與截止頻率的位置關(guān)系判斷)，若有3個(gè)以上的截止頻率，則判定濾波器不合格。對(duì)于帶通、帶阻濾波器，可根據(jù)2個(gè)截止頻率和峰值頻率點(diǎn)確定濾波器的中心頻率。

2)Q值 品質(zhì)因數(shù)Q決定了濾波器的頻率分辨率，濾波器的類型不同，其定義也不同。對(duì)于帶通/帶阻濾波器，Q等于中心頻率與帶寬之比；對(duì)于有源低通/高通濾波器，Q值為通帶幅頻峰值與通帶幅頻值之比，通常Q值較小，否則易引起濾波器的自激。

3)平坦度 在通帶范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動(dòng)幅度與幅頻特性的平均值相比，越小越好。因此，在確定濾波器的通帶后，根據(jù)通帶頻率范圍內(nèi)的幅頻特性計(jì)算通帶平坦度，平坦度的標(biāo)定可采用平均、偏差或紋波峰-峰值來表示。

此外，濾波器還有倍頻程選擇性的指標(biāo)，在截止頻率外側(cè)的過渡帶，其幅頻特性衰減的快慢決定了濾波器對(duì)通帶外頻率成分的衰減能力，即截止頻率fc與2fc(或fc/2)之間幅頻特性的衰減值。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

圖5 四階橢圓型低通濾波器的特性測(cè)試

將該系統(tǒng)用于一個(gè)四階橢圓型低通濾波器的測(cè)試，濾波器的主要參數(shù)為：通帶頻率50kHz，通帶波紋1dB，阻帶頻率126kHz，阻帶衰減60dB。經(jīng)過逐點(diǎn)測(cè)試和該系統(tǒng)測(cè)試，得到了如圖5所示的幅頻特性(便于比較，經(jīng)過上位機(jī)處理)，曲線A為逐點(diǎn)測(cè)試的幅頻特性，其主要關(guān)注的是截止頻率，由于步進(jìn)頻率過大，通帶的起伏不明顯，未能發(fā)現(xiàn)最大衰落點(diǎn)，且存在測(cè)量誤差，而曲線B和C分別為該系統(tǒng)測(cè)試的幅頻特性和相頻特性，頻率以400Hz步進(jìn)，共有501組數(shù)據(jù)，比較正確反映了橢圓低通濾波器的幅頻特性和相頻特性，如幅頻特性的最大衰落、相頻特性中的劇烈跳變均被捕獲，并從中可以看出，相位劇烈變化的頻點(diǎn)正是幅頻特性中幅度劇烈變化的頻點(diǎn)，如截止頻率、最大衰落頻點(diǎn)和幅頻峰值頻點(diǎn)等。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.039

TP216.1

A

1673-1409(2012)01-N121-03