謝路生, 陳曉玉,2, 李繼芳, 林 春, 曾念寅

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005; 2.廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

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測量有源濾波電路頻率響應(yīng)的虛擬掃頻儀設(shè)計(jì)

謝路生1, 陳曉玉1,2, 李繼芳1, 林 春1, 曾念寅1

(1.廈門大學(xué) 航空航天學(xué)院，福建 廈門 361005; 2.廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105)

為了滿足有源濾波電路等模擬電子電路頻率響應(yīng)測量的需要，克服傳統(tǒng)測試方法中儀器比較多，步驟較復(fù)雜且容易產(chǎn)生較大誤差的缺陷，介紹了一種基于LabVIEW的虛擬掃頻儀設(shè)計(jì)方法。簡述了該掃頻儀的整體設(shè)計(jì)方案和測量原理，詳述了掃頻儀主要的軟件設(shè)計(jì)模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該掃頻儀能直觀測試電路的頻率特性及繪制出相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線，能較好的滿足有源濾波電路頻率響應(yīng)的測量。

有源濾波電路； 虛擬掃頻儀； 頻率響應(yīng)； LabVIEW

0 引 言

在進(jìn)行模擬電子電路設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常需要測試電路的頻率響應(yīng)。用于測量被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性的儀器就是頻率特性測試儀也稱掃頻儀[1-3]。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，測量激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的頻率、幅值和相位差大多使用示波器和頻率計(jì)等儀器，然后手工繪出頻率特性曲線，因?yàn)橛玫降膬x器比較多，步驟過于復(fù)雜而且容易產(chǎn)生較大的誤差[4]。

頻率特性測量是現(xiàn)代電子測量的重要組成部分。在頻域內(nèi)研究動(dòng)態(tài)特性一般采用正弦輸入得到頻響特性。在電子科技發(fā)展的今天，對(duì)智能化、數(shù)字化的高性能掃頻儀需求量越來越大。虛擬儀器是一種新的儀器結(jié)構(gòu)，綜合了測試技術(shù)和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)[5-6]。虛擬儀器的發(fā)展是信息技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域[7]。

1 虛擬掃頻儀整體設(shè)計(jì)

1.1 虛擬掃頻儀的測量原理

用LabVIEW虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)掃頻儀，其測量原理為用虛擬儀器產(chǎn)生某掃頻信號(hào)，將這個(gè)掃頻信號(hào)加到被測電路，如某種有源濾波器的輸入端，則該濾波器工作后，其輸出端會(huì)輸出被濾波后的信號(hào)，再將此濾波后的信號(hào)重新采集回虛擬儀器，虛擬儀器通過對(duì)比激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算出所要求的各參數(shù)曲線。

1.2 虛擬掃頻儀的總體設(shè)計(jì)方案

虛擬掃頻儀的總體設(shè)計(jì)方案[8-9]如下：①首先需要根據(jù)測試需求，確定掃頻的各種參數(shù)，包括選用哪種掃頻方式，掃頻的時(shí)間長度，選擇合適的開始頻率，結(jié)束頻率等；②經(jīng)過聲卡處理，再通過音頻線將生成的掃頻信號(hào)加載在被測電路需要激勵(lì)的點(diǎn)上；③同時(shí)通過音頻線，經(jīng)過聲卡，將電路輸出點(diǎn)反饋回來的信號(hào)波形采集進(jìn)計(jì)算機(jī)LabVIEW系統(tǒng)中，即采集電路輸出點(diǎn)的信號(hào)波形；④將采集信號(hào)與輸出信號(hào)作分析，計(jì)算并繪制出頻率響應(yīng)曲線。設(shè)計(jì)方案流程見圖1。

圖1 虛擬掃頻儀整體設(shè)計(jì)方案

2 虛擬掃頻儀硬件描述

對(duì)于虛擬儀器，信號(hào)發(fā)出及采集的硬件設(shè)計(jì)一般采用數(shù)據(jù)采集卡，但其價(jià)格比較昂貴，本文采用價(jià)格較便宜的聲卡來完成此項(xiàng)任務(wù)。聲卡是現(xiàn)在計(jì)算機(jī)通用的設(shè)備，其本身就是一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，用聲卡采集完全滿足采樣定理的要求[10]。聲卡主要功能是語音信號(hào)經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理與音效芯片處理，進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，聲卡可以作為數(shù)據(jù)采集卡來使用[11]。且LabVIEW提供了專門用于聲卡操作的基本函數(shù)，所以本設(shè)計(jì)采用筆記本電腦的聲卡作為采集卡。該聲卡采集的頻率范圍為20～20 kHz。當(dāng)需要將掃頻信號(hào)加載到電路時(shí)，我們可以使用音頻線連接到筆記本電腦聲卡的耳麥輸出接口。筆記本電腦聲卡有兩個(gè)接口，如圖2所示，一個(gè)用于耳麥輸出，另一個(gè)用于話筒輸入。將音頻線的一端插在耳麥輸出接口，另一端接入被測電路的輸入端，即可將系統(tǒng)產(chǎn)生的掃頻信號(hào)加入到被測電路；將另一條音頻線一端插在話筒輸入接口，另一端接收被測電路響應(yīng)端的信號(hào)，就可采集到響應(yīng)信號(hào)。

圖2 筆記本電腦聲卡的兩個(gè)接口

3 虛擬掃頻儀軟件設(shè)計(jì)[8,12-14]

3.1 測試界面設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析處理

對(duì)于采集回來的信號(hào)，在開始計(jì)算和分析之前，先要進(jìn)行信號(hào)頭識(shí)別，判別出有效信號(hào)的起始位置，把無效信號(hào)剔除。從信號(hào)頭開始，截取與掃頻信號(hào)等長的波形數(shù)據(jù)。由于聲卡采集到的數(shù)據(jù)為數(shù)字量，所以需要將截取到的有效信號(hào)數(shù)據(jù)換算為V為單位的電壓模擬量。本文使用16位有符號(hào)整數(shù)表示掃頻信號(hào)波形，一般認(rèn)為聲卡的輸出電壓是線性變化的，所以從數(shù)字量到電壓幅值的轉(zhuǎn)化關(guān)系式為：

(1)

式中：D為數(shù)字量；Ui為采集到的數(shù)字量；Uomax為聲卡最大輸出電壓。

經(jīng)過上面的步驟，可得到完整有效的采集數(shù)據(jù)，也就是電路的輸出響應(yīng)信號(hào)。將響應(yīng)信號(hào)中的有效信號(hào)取出后，與輸出的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得出幅頻和相頻特性。數(shù)據(jù)分析處理的流程為：信號(hào)頭識(shí)別→截取有效信號(hào)→計(jì)算頻率響應(yīng)。

3.2 生成掃頻信號(hào)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于待測電路需要選擇合適的激勵(lì)源，選擇掃頻信號(hào)作為激勵(lì)源。所謂的掃頻信號(hào)首先它是連續(xù)的正弦波信號(hào)，其次該正弦波信號(hào)頻率是連續(xù)變化的，可以根據(jù)不同的需要，將其掃頻規(guī)律設(shè)置成不同的變化方式，如線性掃頻、指數(shù)掃頻、倍頻掃頻等[8]。本設(shè)計(jì)中，選用了指數(shù)形式變化的掃頻規(guī)律，它的頻率變化規(guī)律可用如下這個(gè)表達(dá)式描述：

(2)

式中：f0為當(dāng)前步的掃頻頻率；f1和f2分別為起始頻率和終止頻率，頻率變化過程可從低頻到高頻，也可從高頻到低頻，一般情況下都是f1

掃頻信號(hào)生成及參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。最終生成掃頻信號(hào)的程序框圖如圖4所示。

圖3 掃頻信號(hào)設(shè)置界面

圖4 生成掃頻信號(hào)程序框圖

3.3 生成激勵(lì)信號(hào)和采集響應(yīng)信號(hào)的軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于聲卡來說，通過聲卡輸出激勵(lì)信號(hào)，就相當(dāng)于使用聲卡播放音頻文件；而通過聲卡采集回響應(yīng)信號(hào)，則相當(dāng)于使用聲卡進(jìn)行錄音[15-16]。輸出激勵(lì)信號(hào)和采集響應(yīng)信號(hào)的子程序框圖如5和圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

有源濾波電路實(shí)驗(yàn)是模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的主要目的是測試濾波器的頻率特性。有源濾波電路主要可以分為低通、高通和帶通3種。這里選用帶通有源濾波器進(jìn)行測試，掃頻范圍為0.1～10 kHz。電路圖及元件參數(shù)如圖7所示。

使用虛擬掃頻儀對(duì)有源帶通濾波器的頻率響應(yīng)測試結(jié)果如圖8所示。

圖5 輸出激勵(lì)信號(hào)子程序框圖

圖7 帶通有源濾波器電路圖

圖8 虛擬掃頻儀一組測試結(jié)果

5 結(jié) 語

用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的虛擬掃頻儀，主要用來進(jìn)行有源濾波電路等模擬電子電路頻率響應(yīng)測量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該虛擬掃頻儀能直觀測試電路的頻率特性及繪制出相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性曲線，能較好的滿足有源濾波電路頻率響應(yīng)的測量。由于硬件用的是聲卡，所以只能在音頻范圍(0.02～20 kHz)內(nèi)滿足對(duì)電路頻率響應(yīng)測試的需要。但掌握了類似的方法后，如果需要，只要換作其他硬件，就能很快做出更寬頻率范圍的掃頻儀。虛擬掃頻儀綜合了數(shù)據(jù)采集、聲卡使用、信號(hào)處理等多方面的知識(shí)，是一個(gè)了解虛擬儀器系統(tǒng)如何工作的良好途徑。具體應(yīng)用時(shí)可以結(jié)合實(shí)際需求采用更好的優(yōu)化方案，例如可以對(duì)掃頻規(guī)律、頻譜計(jì)算方法等方面進(jìn)行改進(jìn)或優(yōu)化。掃頻儀的用途廣泛，不僅用于對(duì)模擬電子電路的測量，還可用于對(duì)音頻系統(tǒng)的測試等。增加其他相應(yīng)硬件，如配合NI的采集設(shè)備，可以開發(fā)出更高級(jí)的頻譜測量系統(tǒng)。

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Virtual Frequency Sweeper Design for the Measurement of Active Filter Circuit Frequency Response

XIELu-sheng1,CHENXiao-yu1,2,LIJi-fang1,LINChun1,ZENGNian-yin1

(1.School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2.Xiamen University Tan Kah Kee College, Zhangzhou 363105, China)

In order to satisfy needs of frequency response measurement of the analog electronic circuits such as the active filter circuit, and overcome defects of the traditional testing method such as equipment is more, steps are too complicated and prone to a larger error, a design method of virtual frequency sweeper based on LabVIEW is introduced in this paper. The overall design scheme and measurement principle of the frequency sweeper are described briefly, main software modules of the frequency sweeper are described in detail. The experimental results show that the frequency characteristic of the frequency sweeper can direct test circuit and draw the corresponding amplitude-frequency characteristic and phase frequency characteristic curves. The virtual frequency sweeper can better carry out the active filter circuit frequency response measurement.

active filter circuit; virtual frequency sweeper; frequency response; LabVIEW

2015-12-03

國家自然科學(xué)基金(61403319)；福建省自然科學(xué)基金(2015J05131)資助項(xiàng)目

謝路生(1977-),男,福建省龍巖人,碩士,工程師,從事虛擬儀器技術(shù)及電工電氣技術(shù)研究。E-mail: xls706@xmu.edu.cn

TP 311.5

A

1006-7167(2016)08-0091-03