CN107132434A - 一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置，涉及自动测量领域。该装置包括：控制模块控制信号产生模块产生正弦信号；频率测量模块根据测频算法确定正弦信号的频率信息；幅度测量模块根据测幅算法，确定经过被测模拟滤波器的正弦信号的幅度信息；相位测量模块根据测相算法，确定经过被测模拟滤波器前后的正弦信号的相位差；在计算机的MATLAB软件中实时绘制幅频特性响应曲线和相频特性响应曲线从而获得频响特性。该装置采用单片机完成正弦信号产生、频率测量、幅度测量、相位测量的功能，其操作简单、效率高、精度高、携带方便、成本低；并且实时获得模拟滤波器的频响特性，使测量数据直观。

Description

一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置

技术领域

本发明涉及自动测量技术领域，更具体的涉及一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置。

背景技术

模拟滤波器按滤波特性可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，每种模拟滤波器都有其广泛的应用领域。在电路测量领域，有时需要对某一不确定其特性的模拟滤波器进行性能测试，来研究该电路的电气特性，方便日后使用。

在传统的测量中一般都是用测量仪器在固定的频率范围上逐点的调节测量，其测量过程复杂繁琐、效率差，精度也不是很高，而且测量的数据不直观，不能清楚的反映系统的幅频特性变化。例如采用信号发生器产生不同频率和幅度的信号，并将其接入到模拟滤波器的输入端；然后将示波器接入模拟滤波器的输出端，记录在示波器上所观察到的不同频率和幅度的输入信号情况下模拟滤波器输出信号的幅度和相位，并结合输入信号的频率绘制出模拟滤波器的频响特性曲线。该方法较为传统，并且需要信号发生器和示波器这类设备，成本较高且不便携带。

综上所述，现有技术中模拟滤波器频响特性的测量，存在测量过程复杂，效率差，精度低，以及测量的数据不直观的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置，用以解决现有技术中存在模拟滤波器频响特性测量过程复杂，效率差，精度低，以及测量的数据不直观的问题。

本发明实施例提供一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置，包括：控制模块、信号产生模块、频率测量模块、幅度测量模块、相位测量模块、数据传输模块和计算机；

所述控制模块，用于控制所述信号产生模块所产生的第一正弦信号的频率范围、幅度和扫频间隔；

所述信号产生模块，用于产生第一正弦信号，且将第一正弦信号分别传送至所述频率测量模块和被测模拟滤波器；

所述频率测量模块，用于根据第一正弦信号，通过测频算法，确定第一正弦信号的频率信息；

所述幅度测量模块，用于根据第二正弦信号，通过测幅算法，确定第二正弦信号的幅度信息；其中，第二正弦信号为第一正弦信号经过所述被测模拟滤波器滤波后的正弦信号；

所述相位测量模块，用于根据第一正弦信号和第二正弦信号，通过测相算法，确定第一正弦信号和第二正弦信号的相位差；

所述数据传输模块，用于将所述第一正弦信号的频率信息、所述第二正弦信号的幅度信息和所述第一正弦信号和第二正弦信号的相位差传输至所述计算机；

所述计算机，用于根据所述第一正弦信号的频率信息和所述第二正弦信号的幅度信息，在MATLAB软件中绘制所述被测模拟滤波器的幅频特性响应曲线；用于根据所述第一正弦信号的频率信息和所述第一正弦信号和第二正弦信号的相位差，在MATLAB软件中绘制所述被测模拟滤波器的相频特性响应曲线；以及用于根据所述幅频特性响应曲线和所述相频特性响应曲线，确定所述被测模拟滤波器的频响特性。

较佳地，通过第一单片机实现所述信号产生模块的功能；通过第二单片机实现所述频率测量模块、所述幅度测量模块和所述相位测量模块的功能。

较佳地，电源模块为所述被测模拟滤波器、所述第一单片机和所述第二单片机供电。

较佳地，所述第一单片机和所述第二单片机均采用TI公司的16位超低功耗MCU-MSP430F157芯片。

较佳地，所述测频算法包括：直接测频法、周期测频法、等精度测频法中的一种。

较佳地，所述测幅算法包括：峰值平均值测幅法。

较佳地，所述测相算法包括：过零比较测相法或峰点距离测相法。

本发明实施例中，提供一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置，该装置采用单片机完成正弦信号产生、频率测量、幅度测量、相位测量的功能，简化了传统的模拟滤波器频响特性的测试方法，其操作简单、效率高、精度高、携带方便、成本低；并且与计算机相连可实现自动实时绘制模拟滤波器的频响特性曲线，使测量数据直观，清楚的反映系统的幅频特性变化。

附图说明

图1为本发明实施例提供的模拟滤波器频响特性的自动测量装置结构示意图。

附图标记说明：

1-控制模块，2-信号产生模块，3-频率测量模块，4-幅度测量模块，5-相位测量模块，6-数据传输模块，7-计算机，8-被测模拟滤波器，9-电源模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种模拟滤波器频响特性的自动测量结构示意图。如图1所示，该装置包括：控制模块1、信号产生模块2、频率测量模块3、幅度测量模块4、相位测量模块5、数据传输模块6和计算机7。

具体地，控制模块1，用于控制信号产生模块2所产生的第一正弦信号的频率范围、幅度和扫频间隔。

需要说明的是，控制模块1采用4*4矩阵键盘。即控制模块1与信号产生模块2连接，通过控制模块1控制信号产生模块2所产生的第一正弦信号的频率范围、幅度和扫频间隔。

具体地，信号产生模块2，用于产生第一正弦信号，且将第一正弦信号分别传送至频率测量模块3和被测模拟滤波器8。

需要说明的是，通过第一单片机实现信号产生模块2的功能。即通过第一单片机产生所需的第一正弦信号。

具体地，频率测量模块3，用于根据第一正弦信号，通过测频算法，确定第一正弦信号的频率信息；用于根据第二正弦信号，通过测幅算法，确定第二正弦信号的幅度信息；其中，第二正弦信号为第一正弦信号经过被测模拟滤波器8滤波后的正弦信号；相位测量模块5，用于根据第一正弦信号和第二正弦信号，通过测相算法，确定第一正弦信号和第二正弦信号的相位差。

需要说明的是，测频算法包括：直接测频法、周期测频法、等精度测频法中的一种；测幅算法包括：峰值平均值测幅法；测相算法，包括：过零比较测相法或峰点距离测相法。

(1)直接测频法

被测模拟滤波器8的输出信号送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号，该数字信号经过零点检测后形成直接测频法的计数器的时钟信号。在第二单片机内部通过对外部时钟信号的分频来产生周期2秒的闸门信号作为计数器的时钟使能信号。当闸门信号为高电平时，计数器开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器停止计数，则1秒的闸门高电平时间内计数器的计数值即为被测信号的频率。为了保证频率测量的准确性，给计数器提供一个清零信号，即在每次闸门信号开始前，用清零信号将计数器的计数值清零。

(2)周期测频法

周期测频法也称间接测频法。被测模拟滤波器8的输出信号送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号，该数字信号经过零点检测后形成周期为T0(待测)的方波信号。该信号经N分频后形成周期为T1的方波信号。在周期测频法中，将周期为T1的方波信号作为计数器的闸门信号。同时，将外部时钟信号进行分频后作为计数器的时钟信号，设该时钟信号的周期为T2。当闸门信号为高电平时，计数器开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器停止计数。因此，可获得在闸门为高电平时间内计数器的计数值N1。通过公式T0＝T2*N1*2/N可得被测信号的周期，进而可得被测信号的频率。

(3)等精度测频法

等精度测频法是以直接测频法为基础发展而来的，它能够在整个被测信号范围内都能达到相同的测量精度。等精度测频法在测量频率时，其实际闸门与被测信号进行了同步。

被测模拟滤波器8的输出信号送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号，该数字信号经过零点检测后形成等精度测频法的被测信号。在第二单片机内部通过对外部时钟信号的分频来产生1Hz的闸门信号作为计数器的时钟使能信号。同时，通过对外部时钟信号进行分频获得100Hz的时钟信号，作为等精度测频法的标准信号。

在测量过程中，使用两个计数器分别对标准信号和被测信号同时进行计数。首先将闸门置为高电平，此时计数器不计数，只有当被测信号产生上升沿时，两个计数器才同时开始计数。当闸门为低电平时，计数器不停止计数，仅当检测到被测信号上升沿时才停止计数。假设在实际闸门中计数标准信号有Ns个上升沿，被测信号有Nx个上升沿，标准信号频率为fs，则被测信号的频率f＝Nx×fs/Ns。

(4)峰值平均值测幅法

模拟滤波器的输出信号送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号。在第二单片机内部通过对输入数字信号的值进行逐个比较，获得输入信号的峰值。同时，将多个峰值进行取平均后得到被测信号的幅度。

(5)过零比较测相法

将信号产生模块所产生的模拟正弦信号经送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号，该数字信号经过零点检测后形成测相信号1。被测模拟滤波器8的输出信号送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号，该数字信号经过零点检测后形成测相信号2。将测相信号1与测相信号2进行异或操作，得到异或脉冲。将该异或脉冲作为计数器的时钟使能信号(即闸门)，将外部时钟信号(周期为T0)作为计数器的时钟。当闸门信号为高电平时，计数器开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器停止计数。因此，可得闸门高电平时间内计数器的计数值N。则输入模拟滤波器前后的正弦信号的相位差为φ＝N×T0×2π/T1。其中，T1为正弦信号的周期。

(6)峰点距离测相法

将信号产生模块所产生的模拟正弦信号经送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号1。模拟滤波器的输出信号送至第二单片机后，先经过第二单片机内部的模数转换器将其转换为数字信号2。在第二单片机内部通过对外部时钟信号的分频来产生固定时长的闸门信号。在闸门信号为高电平期间，对数字信号1进行峰值检测。当检测到数字信号1的峰值后，开始计数使能，并开始对外部时钟信号(周期为T0)进行计数。接着，当检测到数字信号2的峰值后，关闭计数器，此时计数值为N。则输入模拟滤波器前后的正弦信号的相位差为φ＝N×T0×2π/T1。其中，T1为正弦信号的周期。

需要说明的是，通过第二单片机实现频率测量模块3、幅度测量模块4和相位测量模块5的功能。

具体地，数据传输模块6，用于将第一正弦信号的频率信息、第二正弦信号的幅度信息和第一正弦信号和第二正弦信号的相位差传输至计算机7。

需要说明的是，数据传输模块6将频率信息、幅度信息和相位差通过串口RS232送至计算机7中的MATLAB软件中。

具体地，计算机7，用于根据频率信息和幅度信息，在MATLAB软件中实时绘制被测模拟滤波器8的幅频特性响应曲线；用于根据频率信息、第一相位信息和第二相位信息，在MATLAB软件中实时绘制被测模拟滤波器8的相频特性响应曲线；以及用于根据幅频特性响应曲线和相频特性响应曲线，确定被测模拟滤波器8的频响特性。

需要说明的是，电源模块9为被测模拟滤波器8、第一单片机和第二单片机供电；并且第一单片机和第二单片机均采用TI公司的16位超低功耗MCU-MSP430F157芯片。

需要说明的是，本发明采用单片机完成正弦信号产生、频率测量、幅度测量、相位测量的功能，简化了传统的模拟滤波器频响特性的测试方法，其操作简单、效率高、精度高、携带方便、成本低；并且与计算机相连可实现自动实时绘制模拟滤波器的频响特性曲线，使测量数据直观，清楚的反映系统的幅频特性变化。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，包括：控制模块(1)、信号产生模块(2)、频率测量模块(3)、幅度测量模块(4)、相位测量模块(5)、数据传输模块(6)和计算机(7)；

所述控制模块(1)，用于控制所述信号产生模块(2)所产生的第一正弦信号的频率范围、幅度和扫频间隔；

所述信号产生模块(2)，用于产生第一正弦信号，且将第一正弦信号分别传送至所述频率测量模块(3)和被测模拟滤波器(8)；

所述频率测量模块(3)，用于根据第一正弦信号，通过测频算法，确定第一正弦信号的频率信息；

所述幅度测量模块(4)，用于根据第二正弦信号，通过测幅算法，确定第二正弦信号的幅度信息；其中，第二正弦信号为第一正弦信号经过所述被测模拟滤波器(8)滤波后的正弦信号；

所述相位测量模块(5)，用于根据第一正弦信号和第二正弦信号，通过测相算法，确定第一正弦信号和第二正弦信号的相位差；

所述数据传输模块(6)，用于将所述第一正弦信号的频率信息、所述第二正弦信号的幅度信息和所述第一正弦信号和第二正弦信号的相位差传输至所述计算机(7)；

所述计算机(7)，用于根据所述第一正弦信号的频率信息和所述第二正弦信号的幅度信息，在MATLAB软件中绘制所述被测模拟滤波器(8)的幅频特性响应曲线；用于根据所述第一正弦信号的频率信息和所述第一正弦信号和第二正弦信号的相位差，在MATLAB软件中绘制所述被测模拟滤波器(8)的相频特性响应曲线；以及用于根据所述幅频特性响应曲线和所述相频特性响应曲线，确定所述被测模拟滤波器(8)的频响特性。

2.如权利要求1所述的模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，通过第一单片机实现所述信号产生模块(2)的功能；通过第二单片机实现所述频率测量模块(3)、所述幅度测量模块(4)和所述相位测量模块(5)的功能。

3.如权利要求2所述的模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，电源模块(9)为所述被测模拟滤波器(8)、所述第一单片机和所述第二单片机供电。

4.如权利要求2所述的模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，所述第一单片机和所述第二单片机均采用TI公司的16位超低功耗MCU-MSP430F157芯片。

5.如权利要求1所述的模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，所述测频算法包括：直接测频法、周期测频法、等精度测频法中的一种。

6.如权利要求1所述的模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，所述测幅算法包括：峰值平均值测幅法。

7.如权利要求1所述的模拟滤波器频响特性的自动测量装置，其特征在于，所述测相算法包括：过零比较测相法或峰点距离测相法。