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        基于AD835 的正弦波測幅

        2021-11-01 05:52:14劉建鑫趙仕良
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年9期
        關(guān)鍵詞:測量信號(hào)系統(tǒng)

        譚 洋, 劉建鑫, 趙仕良

        (四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,成都 610000)

        0 引 言

        正弦波是單頻信號(hào),也是頻率成分最純的信號(hào)。由于正弦波作為傳輸波形具有易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn),可將正弦波用于通信傳輸[1]和工業(yè)控制[2]。在醫(yī)學(xué)上可將正弦波作為病理異常的標(biāo)志進(jìn)行醫(yī)學(xué)分析[3-4]。由于正弦波便于攜帶信息以及提取信息,常將其作為信息的載體應(yīng)用于化工測量[5-6]。因此正弦波頻率、幅值和初相位的信息測量在通信、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、電子測量等領(lǐng)域都具有很重要的地位和作用。

        關(guān)于正弦波幅值的測量方法大致分為直接測量法和間接測量法[7]。直接測量法常用采樣保持電路采集一個(gè)周期內(nèi)波形的最大值和最小值,通過測量峰峰值來測量幅值。根據(jù)一個(gè)周期采樣數(shù)據(jù)構(gòu)建的不同,又分為實(shí)時(shí)采樣法和等效時(shí)間采樣法[8]。間接測量法是將正弦信號(hào)的幅值信息映射成某一個(gè)待測信號(hào)進(jìn)行測量。間接測量法最主要的是要尋找準(zhǔn)確的映射關(guān)系,文獻(xiàn)[9-10]中均有此體現(xiàn)。

        直接測量法可以很準(zhǔn)確的測量中低頻正弦信號(hào)的幅值,但隨著頻率增高,系統(tǒng)對A/D的速率要求很高,成本也相應(yīng)增加。為降低系統(tǒng)成本和提高測量系統(tǒng)效率,本文基于間接測量法原理提出了基于AD835 的功率法來測量正弦波的幅值。

        1 正弦信號(hào)振幅測量方法介紹

        1.1 直接測量法

        (1)實(shí)時(shí)采樣法。將正弦信號(hào)通過A/D采樣,一個(gè)周期獲得N個(gè)采樣值。在N 個(gè)采樣值中查找最大值Vmax和最小值Vmin,峰峰值Vpp=Vmax- Vmin,則正弦信號(hào)的振幅值。如圖1 a 所示,該方法常用于低頻正弦信號(hào)的測幅。

        (2)等效時(shí)間采樣法。當(dāng)頻率較高時(shí),可以用等效時(shí)間采樣法。假設(shè)正弦信號(hào)的頻率為fm每隔M 個(gè)周期采樣一個(gè)點(diǎn),N個(gè)采樣點(diǎn)構(gòu)造成一個(gè)等效的周期。在N個(gè)采樣值中尋找最大和最小值,按照方法1 來計(jì)算振幅,如圖1(b)所示。實(shí)際的采樣時(shí)間間隔TS=,這樣可以大大降低采樣速率。但是,通過實(shí)際測量發(fā)現(xiàn),隨著信號(hào)頻率增加,不能單獨(dú)的靠M 和N來降低采樣速率,會(huì)受制于A/D的性能。

        圖1 直接測量法

        1.2 間接測量法

        將被測信號(hào)通過一定變換,映射為一種容易測量并且包含被測值信息的對象[11],再通過逆運(yùn)算將易測值轉(zhuǎn)換為被測值。按照映射關(guān)系可分為線性法和非線性法,常用的峰值檢波法和頻譜法都屬于線性間接測量法。采用AD835[12]通過測量正弦信號(hào)的功率來實(shí)現(xiàn)測幅,屬于非線性間接測量法。

        2 功率法正弦波測幅

        2.1 功率法正弦波測幅原理

        將乘法器相乘的兩個(gè)信號(hào)設(shè)為同一個(gè)信號(hào)x(t)=Acos(ω0t +φ0),然后通過放大和窄帶低通取出直流信號(hào),其原理框圖見圖2。

        圖2 功率法正弦波測幅原理

        圖2中乘法器輸出為

        假設(shè)整個(gè)通道的轉(zhuǎn)移系數(shù)為K,則窄帶低通輸出直流信號(hào)Y和輸入正弦信號(hào)振幅A的關(guān)系為

        式中:A 的單位為V;K 的單位為V-1;Y 的單位為V。根據(jù)Y的值可以得到A,理論上正弦信號(hào)的振幅A為

        輸入信號(hào)為任意周期信號(hào)[13]時(shí)系統(tǒng)輸出的特點(diǎn)。假設(shè)任意周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)為

        則乘法器輸出為

        通過上述分析,該方法還可以測量周期信號(hào)的功率,所以稱為功率測量法。

        2.2 實(shí)際算法

        AD835 是一款高頻的乘法器,常常用于調(diào)制解調(diào)[15]。AD835 相乘的兩個(gè)輸入端設(shè)為相同的正弦信號(hào),在布線時(shí)保證兩路對稱。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):①AD835內(nèi)部有直流漂移;②在相同幅度下AD835 在50 MHz以內(nèi)窄帶低通輸出的直流基本不變。因此,將放大和窄帶低通的直流漂移[16]盡量調(diào)到零。研究從輸入正弦信號(hào)振幅到窄帶低通輸出直流之間滿足的實(shí)際方程。

        假設(shè)在圖2 中系統(tǒng)輸入正弦信號(hào)的頻率為f0,振幅為A。系統(tǒng)輸出直流中有一部分是與A2呈線性關(guān)系,設(shè)轉(zhuǎn)換系數(shù)為K,另一部分是零輸入時(shí)系統(tǒng)總的直流漂移,記為b,則輸出端直流信號(hào)為

        上述關(guān)系式是非線性的,通過逆運(yùn)算得到輸入的振幅為

        實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對于AD835 所構(gòu)建的系統(tǒng)能夠保證50 MHz范圍內(nèi)K和b都是常數(shù)。因此,該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地測量很寬頻率范圍的正弦波振幅。

        3 系統(tǒng)平臺(tái)

        信號(hào)源采用TF/G6300 高頻信號(hào)源,乘法器選用AD835。用NE5534 做放大電路和窄帶低通濾波[17],其中窄帶低通設(shè)計(jì)為二階,截止頻率為10 Hz。AD模塊選用AD9244, FPGA 和DSP 分別選用EP4CE6E22C8 和TMS320F28335,其電路系統(tǒng)[18-21]框圖如圖3 所示。

        圖3 系統(tǒng)框圖

        4 功率法正弦波測幅數(shù)據(jù)測試

        4.1 參數(shù)校準(zhǔn)

        將窄帶低通的截止頻率調(diào)為10 Hz;放大和窄帶低通的零漂盡量調(diào)為0。調(diào)節(jié)放大器倍數(shù),確保系統(tǒng)輸入正弦信號(hào)振幅在2.5 V以下時(shí)窄帶低通輸出的直流信號(hào)都在A/D最佳可測范圍之內(nèi)。

        在輸入振幅A =2 mV 的情況下,頻率從1 kHz ~50 MHz范圍內(nèi)測量的直流都為54.8 mV,所以式(6)中的b =54.8 mV。

        在1 MHz情況下,根據(jù)振幅A 從0.1 V 變化到2 V測試的Y 和A2擬合的關(guān)系曲線如圖4 所示??梢缘玫紻SP中輸出振幅的計(jì)算公式為

        圖4 Y與A2的關(guān)系

        式中,A的單位為V。

        實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),將頻率拓展到50 MHz范圍內(nèi),該線性特性基本不變。

        4.2 正弦波振幅A的實(shí)測

        選取了頻率1 kHz、40 MHz和70 MHz 3 種頻率情況下正弦信號(hào)振幅從0.1 ~2 V 的10 種情況振幅,在DSP中用式(6)測量的數(shù)據(jù)見表1。

        表1 正弦波振幅實(shí)測數(shù)據(jù)

        由表1 可見,測試的準(zhǔn)確度很高,實(shí)際觀察在50 MHz范圍都比較準(zhǔn)確。同時(shí)由測試數(shù)據(jù)來看,該系統(tǒng)用來測振幅的- 3 dB帶寬為70 MHz左右。

        5 結(jié) 語

        由上述測量數(shù)據(jù)可見,功率法結(jié)合AD835 線性較寬,可實(shí)現(xiàn)50 MHz內(nèi)正弦信號(hào)幅度的準(zhǔn)確測量,也可實(shí)現(xiàn)基波分量大概在3 MHz 以內(nèi)任意周期信號(hào)的功率測量。該方法的優(yōu)點(diǎn)有:①測量系統(tǒng)的成本低。因?yàn)閷⒔涣餍盘?hào)的幅值間接轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)進(jìn)行測量的方法可以大大降低A/D 的精度要求和轉(zhuǎn)換速率以及采樣脈沖的速率,降低了A/D的成本。②系統(tǒng)測量精度高。直接法是需要捕捉最大最小值,計(jì)算正弦信號(hào)的幅值。采用將交流映射成直流來測量,可以測量很多個(gè)值然后求平均,這樣提高了測量的精度。③系統(tǒng)測量速度快。因?yàn)橹绷鞑▌?dòng)小,可通過少量樣本值的平均值來作為直流值,所以系統(tǒng)測量所需時(shí)間少。④

        能夠精確測量正弦信號(hào)幅值的頻率范圍較寬。文中的方法是將交流映射成直流進(jìn)行測量,整個(gè)系統(tǒng)能夠測量的信號(hào)帶寬是由交流到直流的轉(zhuǎn)換設(shè)備決定的。系統(tǒng)中選擇的是高速乘法器AD835 作為轉(zhuǎn)換器件。通過測試,在50 MHz 范圍內(nèi)都可以精確測量正弦波的幅值。

        系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確度由以下幾個(gè)因素決定:①AD835 外圍自乘兩路的布線一定要對稱;②運(yùn)放和窄帶低通的零漂盡可能調(diào)??;③測試公式中的參數(shù)K 和b盡可能校正準(zhǔn)確。

        知識(shí)就是力量,人才就是未來。我國要在科技創(chuàng)新方面走在世界前列,必須在創(chuàng)新實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)人才、在創(chuàng)新活動(dòng)中培育人才、在創(chuàng)新事業(yè)中凝聚人才,必須大力培養(yǎng)造就規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的創(chuàng)新型科技人才。

        ——2014 年6 月9 日,習(xí)近平在中國科學(xué)院第十七次院士大會(huì)、中國工程院第十二次院士大會(huì)上的講話

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