CN104483619B - 一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统，包括上位机和下位机，下位机包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及单片机；上位机与单片机进行双向通信；单片机程控DDS信号发生器产生两路正交信号，其中Asin信号输出端接入被测电路，为被测电路提供信号激励，被测电路的信号输出端与I/Q解调器的一个输入端连接，Acos信号输出端与I/Q解调器的另一个输入端连接，I/Q解调器将两输入信号进行下变频得到两路直流信号，两路直流信号经由单片机设定增益的程控增益放大器放大后接入AD转换器进行模数转换，模数转换后的信号经单片机进行处理后输出给上位机，上位机通过Matlab软件实现数据计算、分析、显示。

Description

一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统

技术领域

本发明涉及电子测量及信号处理技术领域，特别涉及一种基于虚拟系统器的频率特性测试系统。

背景技术

电路网络的频率特性，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。如在数字示波器中，输入信号调理电路的频率特性决定着整机通频带宽，通带平坦性，以及测量精度等重要指标。再如信号发生器中输出通道的频率特性，决定着信号发生的带宽、平坦性以及输出信号幅值的精度。这些电子仪器开发过程中，都需要仔细的检定电路的频率特性，而且样机出厂时，也要据此给出整机的性能指标。

目前频率特性的测试方法主要有以下几种:

第一种方法是采用信号发生器和示波器来实现，通过乎动或程控方式按照频率逐点测试，该方法简单易行，但是无法准确获得相频特性。

第二种方法是采用市售频率特性分析仪来实现，然而现有的频率特性分析仪器多为台式仪器，不够便携，使用不灵活，计算和分析功能不够强大。

第三种方法是利用矢量网络分析仪对被测电路的S12参数进行分析，网络分析仪功能全面，分析的频率范围宽，一般多为射频级(GHz数量级)，分析的参数较多。但网络分析仪中许多功能在测量与控制类的许多开发中用不上，该类分析仪器价格昂贵，如美国是德科技(安捷伦前身)公司生产的网络分析仪都在10万元以上，而且技术实现上受国外垄断。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对传统频率特性测试仪计算和分析功能不强、价格昂贵、携带不便的问题提供一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统，包括上位机和下位机，下位机包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及单片机；上位机与单片机进行双向通信；单片机程控DDS信号发生器产生两路正交信号，其中Asin信号输出端接入被测电路，为被测电路提供信号激励，被测电路的信号输出端与I/Q解调器的一个输入端连接，Acos信号输出端与I/Q解调器的另一个输入端连接，I/Q解调器将两输入信号进行下变频得到两路直流信号，两路直流信号经由单片机设定增益的程控增益放大器放大后接入AD转换器进行模数转换，模数转换后的信号经单片机进行处理后输出给上位机，上位机通过Matlab软件实现数据计算、分析、显示。

优选的，所述DDS信号发生器包括用于接收单片机控制产生两路原正交信号的AD9854集成芯片、用于将两路原正交信号中的直流分量去除的差分放大器、以及用于将去除直流分量的正交信号进行滤波处理的滤波器。

优选的，所述差分放大器采用AD8056芯片实现，所述滤波器为无源低通滤波器。

优选的，所述I/Q解调器包括模拟乘法器和低通滤波器，模拟乘法器将DDS信号发生器产生的一路信号和被测电路的输出信号相乘，得到2倍频信号以及差频信号，再通过滤波电路将2倍频信号滤除，得到差频信号，即直流信号。

优选的，所述模拟乘法器采用AD835芯片，所述滤波电路为有源低通滤波电路。

优选的，其特征在于，所述AD转换器采用12位集成芯片。

优选的，所述单片机芯片采用带USB接口的微处理器芯片CY7C68013A

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明创造利用虚拟仪器的开发方法，将测试仪设计成基于上、下位机的虚拟仪器系统形式，下位机实现测量功能，利用I/Q解调原理，将高频信号下变频，以低速采样的方法实现对宽带信号的信息提取，上位机实现计算、分析和显示功能，在Matlab软件开发环境下，直接通过USB接口与下位机进行通信，利用计算机的软硬件资源，借助于上位机的Matlab软件的强大计算和分析能力，提高频率特性分析功能；本发明既能分析幅频特性，也能分析相频特性，分析能力强且便携，实现了虚拟频率特性测试系统的功能和指标，而且性价比高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明总体方案框图；

图2是本发明的I/Q解调器设计方案框图；

图3是本发明的DDS信号发生器中集成芯片电路图；

图4是本发明的DDS信号发生器中差分放大器电路图；

图5是本发明的DDS信号发生器中无源低通滤波电路图；

图6是本发明的I/Q解调器的电路图；

图7是本发明当输入、输出端子短接时的幅频特性曲线图；

图8是本发明当输入、输出端子短接时的相频特性曲线图；

图9是本发明当接入被测电路时的幅频特性曲线图；

图10是本发明当接入被测电路时的相频特性曲线图。

具体实施方式

本发明提供的一种基于虚拟仪器的频率特性测试系包括软件部分和硬件部分。软件部分是基于Matlab虚拟仪器软件开发平台而设计的应用软件，软件运行在Windows XP下，通过设计友好的人机交互操作界面，负责发出各种信号、操作指令、接受和处理数据、显示信号波形，实现对被测电路网络的自动测试。硬件部分包括上位机系统和下位机系统；上位机系统包括计算机；下位机系统包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及带有USB接口的单片机。

一、整体方案设计：如图1所示，本发明以单片机为主要控制中心，针对频率特性的扫描测量法进行了三个方面的设计：一是测试信号源，运用直接数字合成波形DDS技术将由扫描电压控制的振荡频率的正弦振荡器用由单片机控制的数字合成扫描信号源代替；二是测量结果的表达方式，峰值滤波器的输出用AD转换器实现从模拟量到数字量的转换，将所得数字量通过USB口传送给计算机，实现对被测电路的频率特性曲线的显示；三是利用PC机强大的运行处理功能，利用Matlab软件对所测的数据进行分析处理，拟合出近似被测电路频率特性的数学公式和传递函数，进而通过Matlab软件仿真、显示。

本方案中，

(1)DDS正交信号发生器用来产生正交的两路信号Asin(wt)、Acos(wt)，为被测电路网络提供不同频率的正弦激励信号，其频率通过单片机来设置。

(2)I/Q解调器将被测网络的正弦响应信号进行下变频，降低采样率要求，以便后续采样与传输；I/Q解调器由两路乘法器和两路低通滤波组成，如图2所示，由于被测电路网络的输入、输出具有相同的频率，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，通过理论推导可得两路直流信号分别为:

其中为信号A发生器输出的正弦激励的幅度，为经过被测电路网络后的信号幅度，为被测电路网络输出信号与输入信号的相位差。

由(1)、(2)联立可以推导出被测网络的增益G(w)和相位

当被测网络输入信号的频率w不断变化时，由所测得的I和Q的数值即可以根据(3)式计算出被测电路网络的幅频特性曲线，根据(4)式得出被测电路网络的相频特性曲线。

I/Q解调器采用四象限模拟乘法器和有源低通滤波器相结合的方式来实现。

(3)程控增益放大器主要作用是当I和Q的电压值较小时，进行适当的放大，以便后端的AD转换器采样时信号能够落在设定的电平范围内。

(4)AD转换器主要作用是对I和Q两路电压值进行采样，将其转化成数字信号，进而传输到上位机系统的计算机，本设计AD转换器采用12位集成芯片实现。

(5)单片机负责控制和协调整个硬件电路，包括DDS信号发生器、程控增益放大器和AD转换器，以及USB接口电路，将获得的I,Q采样值传送到上位机系统，本设计选用带有USB接口的单片机，以方便实现。

二、电路设计：

(1)基于DDS原理的正交信号发生器的电路设计

本部分用来产生频率连续可调的两路正交正弦信号，为被测电路网络提供不同频率的正弦激励。本发明选用集成两路输出的单片DDS芯片AD9854来产生正交信号，利用单片机程控AD9854产生两路正交信号。DDS信号发生器单元电路如图3所示，其中IO1P、IO1N和I02P、I02N分别为信号Acos(wt)和Asin(wt)的输出端。

AD9854芯片产生的两路信号含有直流分量，本部分通过差分放大器去除AD9854芯片产生的两路信号中的直流分量，同时将信号进行适当放大，把双端输出做差，实现单端输出。此差分放大器采用AD8056实现，AD8056是一款双路低成本电压反馈型放大器，其单位增益带宽可达300MHz,且该芯片的0.1dB增益平坦度为40MHz，低功耗、低失调、低温漂，性能稳定。如图4给出了其中一路差分放大器电路设计形式，I02N与I02P为输入信号，管脚COS为输出信号；另一路差分放大器与此路相同，原I02N、I02P输入端对应I01N与I01P输入端，原管脚COS对应管脚SIN输出端。

AD9854芯片输出端是DA转换器，因此输出的信号会有一定的阶梯，在经过差分放大器后并不能将此消除，实际还需要将输出的两路信号进行低通滤波，去掉其中起伏不平、变化较大的高频分量，为后续I/Q解调器电路提供高质量的正弦激励信号。

本部分采用无源低通滤波器实现信号的平滑作用，如图5所示，经多次试验电阻、电容、电感值来优化滤波效果，其中COS为输入信号，COSO为滤波输出信号，以SIN输出信号为输入信号的无源低通滤波器与此无源低通滤波器相同，SINO为滤波输出信号。本方案的滤波器特点是结构简单，方便调整滤波器的阶数，而且节约成本和方便电路实现。当然同样具有滤波效果的电路很多种，本方案优选此电路，其他能实现相同作用的电路均在本发明保护范围内。

(2)基于模拟乘法器的I/Q解调器的电路设计

I/Q解调器中乘法器的作用是实现被测电路输出信号与信号发生器产生的正交信号相乘，得到2倍频(高频)信号以及差频(直流)信号。理论上，I/Q解调功能可以采用通信中的专用调制解调芯片实现，但这些芯片的本振信号一般带宽有限，不满足设计要求。本部分采用模拟乘法器芯片AD835实现I/Q解调功能。

AD835是一款电压输出型四象限模拟乘法器，带宽高达250MHz，外围电路少，配置简单，信号失真小。AD835乘法器电路设计如图6所示，被测电路输出的响应信号由图中IN端子输入，DDS信号发生器的余弦信号由OUT端子输出，MOI为乘法器乘积结果信号输出。在MOI后端加上一个截止频率较低的有源低通滤波器，便滤除2倍频分量，得到直流信息，最终实现零频率输出。

(3)单片机设计

为了方便实现上位机系统与下位机系统之间的通信功能，本部分选用了带有USB接口的微处理器芯片CY7C68013A来实现接口及其他电路的控制。该芯片是最早符合USB2.0协议的控制器之一，集成了符合USB2.0协议的收发器、串行接口引擎、增强型的8051内核以及可编程的外围接口，在通信的同时，芯片内部微处理器负责控制和协调整个硬件电路，包括DDS信号发生器、程控增益放大器和AD转换器，以及USB接口通信，将获得的I、Q采样值传送到上位机。

本发明的工作过程是：通过计算机上的Matlab输入测试信号的频率范围、信号幅度、扫频方式和衰减系数等参数。单片机通过USB接口从计算机接收指令和数据，控制DDS信号发生器产生的所需的信号，同时，控制幅度测量和相位差测量，并且将数据存储和回传给计算机，计算机对单片机回传的数据进行分析处理，通过显示器输出测量结果。

下面给出了2组实验测试结果，验证本发明涉及的虚拟频率特性测试系统的效果。将频率步进值设置为1MHz。当两个测试端子短接时，相当于未接入待测件，因此输入信号与输出信号一致，此时幅频特性与相频特性均应该为直线，如图7、8所示，尽管频率不断变化，所得到的幅频特性曲线及相频特性曲线均未发生明显变化，说明了所实现的仪器的正确性。当外接被测电路网络时，接入待测件的频率不超过40MHZ，步进值为1MHZ即可。此实验中，外接了一个中心频率约为23MHz的带通滤波器，如图9、10所示，计算机Matlab软件显示出了电路的频率特性曲线，此时在中心频率为23MHZ的点上(即带内)滤波器对信号的抑制作用最弱，此时信号通过滤波器的损耗，即插入损耗最小；而带外的抑制作用非常明显。当被测对象的中心频率取其它值时可以得到相同的结果，因此，频率特性符合带通滤波器的实际规律，进一步验证了本发明的有效性。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述基于虚拟仪器的频率特性测试系统包括软件部分和硬件部分；

所述软件部分是基于Matlab虚拟仪器软件开发平台而设计的应用软件，软件运行在Windows XP下，通过设计友好的人机交互操作界面，负责发出各种信号、操作指令、接受和处理数据、显示信号波形，实现对被测电路网络的自动测试；

所述硬件部分包括上位机和下位机，上位机包括计算机，下位机包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及单片机；上位机与单片机进行双向通信；单片机程控DDS信号发生器产生两路正交信号，其中Acos信号输出端接入被测电路，为被测电路提供信号激励，被测电路的信号输出端与I/Q解调器的一个输入端连接，Acos信号输出端、Asin信号输出端分别与I/Q解调器的另两个输入端连接，I/Q解调器将输入信号进行下变频得到两路直流信号，两路直流信号经由单片机设定增益的程控增益放大器放大后接入AD转换器进行模数转换，程控增益放大器主要作用是当两路直流信号的电压值较小时，进行适当的放大，以便后端的AD转换器采样时信号能够落在设定的电平范围内；模数转换后的信号经单片机进行处理后输出给上位机，上位机通过Matlab软件实现数据计算、分析、显示；所述单片机芯片采用带USB接口的微处理器芯片CY7C68013A；

所述DDS信号发生器包括用于接收单片机控制产生两路原正交信号的AD9854集成芯片、用于将两路原正交信号中的直流分量去除的差分放大器、以及用于将去除直流分量的正交信号进行滤波处理的滤波器；所述AD9854芯片产生的两路信号含有直流分量，通过所述差分放大器去除AD9854芯片产生的两路信号中的直流分量，同时将信号进行适当放大，把双端输出做差，实现单端输出；

所述系统的工作过程是：通过计算机上的Matlab输入测试信号的频率范围、信号幅度、扫频方式和衰减系数；单片机通过USB接口从计算机接收指令和数据，控制DDS信号发生器产生的所需的信号，同时，控制幅度测量和相位差测量，并且将数据存储和回传给计算机，计算机对单片机回传的数据进行分析处理，通过显示器输出测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述差分放大器采用AD8056芯片实现，所述滤波器为无源低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述I/Q解调器包括模拟乘法器和低通滤波器，模拟乘法器将DDS信号发生器产生的一路信号和被测电路的输出信号相乘，得到2倍频信号以及差频信号，再通过滤波电路将2倍频信号滤除，得到差频信号，即直流信号。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述模拟乘法器采用AD835芯片，所述滤波电路为有源低通滤波电路。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述AD转换器采用12位集成芯片。