CN104297672A - 用于检测电路相频特性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于检测电路相频特性的装置，包括：正交信号发生电路；被测电路的信号输出端、第一平滑滤波电路的输出端及第二平滑滤波电路的输出端均连接I/Q调解电路，由该I/Q调解电路利用I/Q解调原理将被测电路信号输出端输出的响应信号进行下变频处理处理，输出均为直流信号的第一检测结果Q和第二检测结果I；分别连接正交信号发生电路及I/Q调解电路的微控制器，由微控制器控制正交信号发生电路产生不同频率w的正交信号，且在不同的频率w时分别根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位从而得到被测电路的相频特性。本发明具有电路结构简单、实现成本较低和工作稳定可靠的优点。

Description

用于检测电路相频特性的装置

技术领域

本发明涉及电子检测技术，尤其是涉及一种用于检测电路相频特性的装置。

背景技术

电路频率特性是电子测量与信号处理研究领域中的重要电路参数，频率特性的好坏直接影响其所在的仪器的各项性能指标。现有的电路频率检测方式有如下几种：

1、采用信号发生器输出一个激励信号至检测电路，再由示波器来检测电路的输出信号，然后按照频率逐点测试各个频率下被测电路的输出信号频率。该方法操作简单，但费事费力，人工检测也存在较大误差，无法准确获得被测电路的相频特性。

2、借助现有的矢量网络分析仪对被测电路的参数进行分析，网络分析仪功能全面，分析的频率范围宽，分析的参数较多。但是，矢量网络分析仪价格昂贵，难以广泛推广使用。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提出一种电路结构简单、实现成本较低且检测准确的用于检测电路相频特性的装置。

本发明采用如下技术方案实现：用于检测电路相频特性的装置，其包括：

用于产生频率w、幅度A且相位相互正交的第一信号及第二信号的正交信号发生电路；

依次串接在正交信号发生电路用于输出第一信号的第一输出端与被测电路之间的第一差分放大电路及第一平滑滤波电路，由第一平滑滤波电路输出正弦信号Asin(wt)；

依次串接在正交信号发生电路用于输出第二信号的第二输出端与被测电路之间的第二差分放大电路及第二平滑滤波电路，由第二平滑滤波电路输出余弦信号Acos(wt)；

被测电路的信号输入端连接第二平滑滤波电路的输出端，该被测电路输出响应信号其中A’为响应信号的幅值，表示被测电路的输出响应信号与输入余弦信号之间的相位差；

被测电路的信号输出端、第一平滑滤波电路的输出端及第二平滑滤波电路的输出端均连接I/Q调解电路，由该I/Q调解电路利用I/Q解调原理将被测电路信号输出端输出的响应信号进行下变频处理处理，输出均为直流信号的第一检测结果Q和第二检测结果I；

分别连接正交信号发生电路及I/Q调解电路的微控制器，由微控制器控制正交信号发生电路产生不同频率w的正交信号，且在不同的频率w时分别根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位从而得到被测电路的相频特性。

在一个实施例中，I/Q调解电路具体包括依次连接的下变频电路、乘法逻辑电路及低通滤波电路。

在一个实施例中，下变频电路包括比较器U3，该比较器U3的正相输入端连接第一平滑滤波电路的输出端、负相输入端串接电阻R24接地，且比较器U3的输出端与负相输入端之间串接电阻R23。

在一个实施例中，乘法逻辑电路的X1端口串接电阻R26后连接被测电路的信号输出端，乘法逻辑电路的Y1端口通过电阻R25接地，并通过电阻R22连接下变频电路的输出端，且下变频电路的输出端通过电阻R21连接第二平滑滤波电路的输出端。

在一个实施例中，乘法逻辑电路具有两路乘法器，其中一路乘法器用于将正弦信号Asin(wt)与被测电路的输出的响应信号相乘，其运算结果经过低通滤波电路将2倍频信号滤除，进而得到第一检测结果Q；另一路乘法器用于将正弦信号Asin(wt)与被测电路的输出的响应信号相乘，其运算结果经过低通滤波电路将2倍频信号滤除，进而得到第二检测结果I；

其中，

在一个实施例中，微控制器利用如下公式根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位

$G\left(w\right)=\frac{A^{\′}}{A}=\frac{2\sqrt{I^2+Q^2}}{A^2},$

在一个实施例中，第一、第二差分放大电路具有相同的电路结构，第一、第二平滑滤波电路也具有相同的电路结构。

在一个实施例中，第一差分放大电路包括比较器U2，该比较器U2的正相输入端、负相输入端分别串接电阻R11及电阻R13连接正交信号发生电路的第一信号输出端，该比较器U2的正相输入端串接电阻R12后接地，该比较器的负相输入端与输出端之间串接电阻R14。

在一个实施例中，该装置还包括依次连接在I/Q调解电路的输出端与微控制器的数据采样端之间的增益放大电路及AD转换电路。

在一个实施例中，该装置还包括用于根据微控制器的控制将检测结果以预设方式进行显示的显示器，该显示器与微控制器相连。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明利用I/Q解调原理产生两路正交信号，其中一路正交信号作为被测电路的输入信号，再将两路正交信号与被测电路的输出响应信号将高频信号下变频，通过乘法器进行叠加处理，然后滤除将2倍频信号得到两个直流信号I和Q，由微控制器在不同的频率w时分别根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位从而得到被测电路的相频特性。本发明具有电路结构简单、实现成本较低、工作稳定可靠等诸多优点。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

图2是正交信号发生电路与第一差分放大电路的部分电路示意图。

图3是I/Q调解电路的具体电路示意图；

图4是图3中乘法逻辑电路的逻辑示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提出一种电路结构简单、实现成本较低且检测准确的用于检测电路相频特性的装置，该装置包括：微控制器；用于产生相互正交的第一信号及第二信号的正交信号发生电路，该正交信号发生电路与微控制器连接，该第一信号与第二信号的幅度一致而相位正交，且第一信号与第二信号的频率相等且由微控制器设置；依次串接在正交信号发生电路用于输出第一信号的第一输出端与被测电路之间的第一差分放大电路及第一平滑滤波电路，由第一差分放大电路滤除第一信号中的直流分量信号并对第一信号进行适当的放大处理，再由第一平滑滤波电路对第一信号进行低通滤波，滤除第一信号中变化较大的高频分量信号，从第一平滑滤波电路输出的信号为正弦信号Asin(wt)(A表示幅度，w表示频率由微控制器控制正交信号发生电路进行设置)；依次串接在正交信号发生电路用于输出第二信号的第二输出端与被测电路之间的第二差分放大电路及第二平滑滤波电路，由第二差分放大电路滤除第而信号中的直流分量信号并对第二信号进行适当的放大处理，再由第二平滑滤波电路对第二信号进行低通滤波，滤除第二信号中变化较大的高频分量信号，从第二平滑滤波电路输出的信号为余弦信号Acos(wt)(A表示幅度，w表示频率由微控制器控制正交信号发生电路进行设置)；该第二平滑滤波电路的输出端连接被测电路的信号输入端，而被测电路的信号输出端、第一平滑滤波电路的输出端及第二平滑滤波电路的输出端均连接I/Q调解电路，由该I/Q调解电路利用I/Q解调原理将被测电路信号输出端输出的响应信号进行下变频处理，降低采样率要求以便后续采样与传输；依次连接在I/Q调解电路的输出端与微控制器的数据采样端之间的增益放大电路及AD转换电路，由增益放大电路对I/Q调解电路输出端输出的检测结果进行增益放大处理(其中增益放大系数由微控制器对增益放大电路进行设置)，再由AD转换电路将放大后的检测结果进行模数转换后传送给微控制器；与微控制器相连的显示器，用于根据微控制器的控制将检测结果以预设方式(比如图表)进行显示。

其中，第一差分放大电路与第二差分放大电路具有相同的电路结构。同样，第一、第二平滑滤波电路也具有相同的电路结构。

结合图2所示，正交信号发生电路采用基于DDS技术的AD9854芯片U1，该AD9854芯片U1整合了两路高速、高性能正交D/A转换器通过数字化编程可以输出I、Q两路高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦信号和余弦信号。比如，图2中给出了AD9854芯片U1的两个正弦信号输出端连接第一差分放大电路，该第一差分放大电路用于去除第一信号中的直流分量信号，同时将第一信号进行适当放大，将AD9854芯片U1的双端输出做差实现单端输出。

具体来说，第一差分放大电路包括比较器U2，该比较器U2的正相输入端、负相输入端分别串接电阻R11及电阻R13连接AD9854芯片U1的两个正弦信号输出端，该比较器U2的正相输入端串接电阻R12后接地，该比较器的负相输入端与输出端之间串接电阻R14。

结合图3所示的I/Q调解电路的具体电路示意图。I/Q调解电路具体包括依次连接的下变频电路、乘法逻辑电路及低通滤波电路。下变频电路包括比较器U3，该比较器U3的正相输入端连接第一平滑滤波电路(即比较器U3的正相输入端输入正弦信号Asin(wt))、负相输入端串接电阻R24接地，且比较器U3的输出端与负相输入端之间串接电阻R23，该比较器U3的输出端通过电阻R21连接第二平滑滤波电路。该比较器U3的输出端串接电阻R22及电阻R25接地，且电阻R22与电阻R25的公共端连接乘法逻辑电路U4的Y1端口；该乘法逻辑电路采用AD835芯片U4，该AD835芯片是一款电压输出型四象限模拟乘法集成电路，带宽高达250MHz，外围电路少，配置简单，信号失真小。第二平滑滤波电路输出的余弦信号Acos(wt)通过电阻R21及电阻R22传送至AD835芯片U4的Y1端口；而AD835芯片U4的X1端口串接电阻R26后连接被测电路的信号输出端，即被测电路的信号输出端输出的响应信号传送给AD835芯片U4的X1端口；在AD835芯片U4的W端口外接一个截止频率较低的低通滤波电路，由低通滤波电路滤除高频分量，得到直流信号，最终实现零频率输出。

其中，有关AD835芯片U4的乘法逻辑如图4所示。AD835芯片U4中具有两路乘法器，其中一路乘法器用于将正弦信号Asin(wt)与被测电路的输出的响应信号相乘(其中，表示被测电路的输出响应信号与输入余弦信号之间的相位差)，其运算结果经过低通滤波电路将2倍频信号滤除，进而得到直流信号Q(或第一检测结果Q)；另一路乘法器用于将正弦信号Asin(wt)与被测电路的输出的响应信号相乘，其运算结果经过低通滤波电路将2倍频信号滤除，进而得到直流信号I(或第二检测结果I)。由于被测电路的输入信号Acos(wt)与输出的响应信号具有相同的频率。因此，每路乘法器的两个输入端均为同频信号，经过乘法器后的结果信号为2倍频(高频)与差频(直流)的叠加，适当选择低通滤波器可以将2倍频信号滤除，进而得到直流信号。即：

从而可以推导出被测电路的增益G(w)和相位为：

$G\left(w\right)=\frac{A^{\′}}{A}=\frac{2\sqrt{I^2+Q^2}}{A^2}$

当被测电路的输入信号Acos(wt)的频率w在微控制器的控制下不断变化时，将I/Q调解电路输出的两个检测结果I和Q依次通过增益放大电路、AD转换电路处理后传送给微控制器，由微控制器在不同的频率w时分别根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位并将被测电路的增益G(w)和相位以预设方式(比如自动绘制图标)在显示器上进行显示。比如，显示器为示波器，可直接实时显示被测电路的相位及频率特性(简称相频特性)。

综上，本发明利用I/Q解调原理产生两路正交信号，其中一路正交信号作为被测电路的输入信号，再将两路正交信号与被测电路的输出响应信号将高频信号下变频，通过乘法器进行叠加处理，然后滤除将2倍频信号得到两个直流信号I和Q，由微控制器在不同的频率w时分别根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位从而得到被测电路的相频特性。本发明具有电路结构简单、实现成本较低、工作稳定可靠等诸多优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，包括：

用于产生频率w、幅度A且相位相互正交的第一信号及第二信号的正交信号发生电路；

依次串接在正交信号发生电路用于输出第一信号的第一输出端与被测电路之间的第一差分放大电路及第一平滑滤波电路，由第一平滑滤波电路输出正弦信号Asin(wt)；

依次串接在正交信号发生电路用于输出第二信号的第二输出端与被测电路之间的第二差分放大电路及第二平滑滤波电路，由第二平滑滤波电路输出余弦信号Acos(wt)；

被测电路的信号输入端连接第二平滑滤波电路的输出端，该被测电路输出响应信号其中A’为响应信号的幅值，表示被测电路的输出响应信号与输入余弦信号之间的相位差；

被测电路的信号输出端、第一平滑滤波电路的输出端及第二平滑滤波电路的输出端均连接I/Q调解电路，由该I/Q调解电路利用I/Q解调原理将被测电路信号输出端输出的响应信号进行下变频处理处理，输出均为直流信号的第一检测结果Q和第二检测结果I；

分别连接正交信号发生电路及I/Q调解电路的微控制器，由微控制器控制正交信号发生电路产生不同频率w的正交信号，且在不同的频率w时分别根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位，从而得到被测电路的相频特性。

2.根据权利要求1所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，I/Q调解电路具体包括依次连接的下变频电路、乘法逻辑电路及低通滤波电路。

3.根据权利要求2所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，下变频电路包括比较器U3，该比较器U3的正相输入端连接第一平滑滤波电路的输出端、负相输入端串接电阻R24接地，且比较器U3的输出端与负相输入端之间串接电阻R23。

4.根据权利要求2所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，乘法逻辑电路的X1端口串接电阻R26后连接被测电路的信号输出端，乘法逻辑电路的Y1端口通过电阻R25接地，并通过电阻R22连接下变频电路的输出端，且下变频电路的输出端通过电阻R21连接第二平滑滤波电路的输出端。

5.根据权利要求2或3或4所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，乘法逻辑电路具有两路乘法器，其中一路乘法器用于将正弦信号Asin(wt)与被测电路的输出的响应信号相乘，其运算结果经过低通滤波电路将2倍频信号滤除，进而得到第一检测结果Q；另一路乘法器用于将正弦信号Asin(wt)与被测电路的输出的响应信号相乘，其运算结果经过低通滤波电路将2倍频信号滤除，进而得到第二检测结果I；

其中，

6.根据权利要求5所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，微控制器利用如下公式根据两个检测结果I和Q计算出被测电路的增益G(w)和相位：

$G\left(w\right)=\frac{A^{\′}}{A}=\frac{2\sqrt{I^2+Q^2}}{A^2},$

7.根据权利要求1所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，第一、第二差分放大电路具有相同的电路结构，第一、第二平滑滤波电路也具有相同的电路结构。

8.根据权利要求1所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，第一差分放大电路包括比较器U2，该比较器U2的正相输入端、负相输入端分别串接电阻R11及电阻R13连接正交信号发生电路的第一信号输出端，该比较器U2的正相输入端串接电阻R12后接地，该比较器的负相输入端与输出端之间串接电阻R14。

9.根据权利要求1所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，该装置还包括依次连接在I/Q调解电路的输出端与微控制器的数据采样端之间的增益放大电路及AD转换电路。

10.根据权利要求1所述用于检测电路相频特性的装置，其特征在于，该装置还包括用于根据微控制器的控制将检测结果以预设方式进行显示的显示器，该显示器与微控制器相连。