測量有源濾波電路頻率響應的虛擬掃頻儀設計

謝路生, 陳曉玉,2, 李繼芳, 林 春, 曾念寅

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

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測量有源濾波電路頻率響應的虛擬掃頻儀設計

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 航空航天學院，福建 廈門 361005; 2.廈門大學 嘉庚學院，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測量的需要，克服傳統測試方法中儀器比較多，步驟較復雜且容易產生較大誤差的缺陷，介紹了一種基于LabVIEW的虛擬掃頻儀設計方法。簡述了該掃頻儀的整體設計方案和測量原理，詳述了掃頻儀主要的軟件設計模塊。實驗結果表明，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的測量。

有源濾波電路； 虛擬掃頻儀； 頻率響應； LabVIEW

0 引 言

在進行模擬電子電路設計時經常需要測試電路的頻率響應。用于測量被測網絡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]。在傳統實驗中，測量激勵信號和響應信號的頻率、幅值和相位差大多使用示波器和頻率計等儀器，然后手工繪出頻率特性曲線，因為用到的儀器比較多，步驟過于復雜而且容易產生較大的誤差[4]。

頻率特性測量是現代電子測量的重要組成部分。在頻域內研究動態特性一般采用正弦輸入得到頻響特性。在電子科技發展的今天，對智能化、數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構，綜合了測試技術和先進的計算機技術[5-6]。虛擬儀器的發展是信息技術的一個重要領域[7]。

1 虛擬掃頻儀整體設計

1.1 虛擬掃頻儀的測量原理

用LabVIEW虛擬儀器軟件設計掃頻儀，其測量原理為用虛擬儀器產生某掃頻信號，將這個掃頻信號加到被測電路，如某種有源濾波器的輸入端，則該濾波器工作后，其輸出端會輸出被濾波后的信號，再將此濾波后的信號重新采集回虛擬儀器，虛擬儀器通過對比激勵信號和響應信號，計算出所要求的各參數曲線。

1.2 虛擬掃頻儀的總體設計方案

虛擬掃頻儀的總體設計方案[8-9]如下：①首先需要根據測試需求，確定掃頻的各種參數，包括選用哪種掃頻方式，掃頻的時間長度，選擇合適的開始頻率，結束頻率等；②經過聲卡處理，再通過音頻線將生成的掃頻信號加載在被測電路需要激勵的點上；③同時通過音頻線，經過聲卡，將電路輸出點反饋回來的信號波形采集進計算機LabVIEW系統中，即采集電路輸出點的信號波形；④將采集信號與輸出信號作分析，計算并繪制出頻率響應曲線。設計方案流程見圖1。

圖1 虛擬掃頻儀整體設計方案

2 虛擬掃頻儀硬件描述

對于虛擬儀器，信號發出及采集的硬件設計一般采用數據采集卡，但其價格比較昂貴，本文采用價格較便宜的聲卡來完成此項任務。聲卡是現在計算機通用的設備，其本身就是一個高性能的數據采集設備，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經過數字信號處理與音效芯片處理，進行模擬數字信號轉換，聲卡可以作為數據采集卡來使用[11]。且LabVIEW提供了專門用于聲卡操作的基本函數，所以本設計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。當需要將掃頻信號加載到電路時，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接口，如圖2所示，一個用于耳麥輸出，另一個用于話筒輸入。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，即可將系統產生的掃頻信號加入到被測電路；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端的信號，就可采集到響應信號。

圖2 筆記本電腦聲卡的兩個接口

3 虛擬掃頻儀軟件設計[8,12-14]

3.1 測試界面設計及數據分析處理

對于采集回來的信號，在開始計算和分析之前，先要進行信號頭識別，判別出有效信號的起始位置，把無效信號剔除。從信號頭開始，截取與掃頻信號等長的波形數據。由于聲卡采集到的數據為數字量，所以需要將截取到的有效信號數據換算為V為單位的電壓模擬量。本文使用16位有符號整數表示掃頻信號波形，一般認為聲卡的輸出電壓是線性變化的，所以從數字量到電壓幅值的轉化關系式為：

(1)

式中：D為數字量；Ui為采集到的數字量；Uomax為聲卡最大輸出電壓。

經過上面的步驟，可得到完整有效的采集數據，也就是電路的輸出響應信號。將響應信號中的有效信號取出后，與輸出的激勵信號進行分析計算，得出幅頻和相頻特性。數據分析處理的流程為：信號頭識別→截取有效信號→計算頻率響應。

3.2 生成掃頻信號的軟件設計

對于待測電路需要選擇合適的激勵源，選擇掃頻信號作為激勵源。所謂的掃頻信號首先它是連續的正弦波信號，其次該正弦波信號頻率是連續變化的，可以根據不同的需要，將其掃頻規律設置成不同的變化方式，如線性掃頻、指數掃頻、倍頻掃頻等[8]。本設計中，選用了指數形式變化的掃頻規律，它的頻率變化規律可用如下這個表達式描述：

(2)

式中：f0為當前步的掃頻頻率；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

掃頻信號生成及參數設置界面如圖3所示。最終生成掃頻信號的程序框圖如圖4所示。

圖3 掃頻信號設置界面

圖4 生成掃頻信號程序框圖

3.3 生成激勵信號和采集響應信號的軟件設計

對于聲卡來說，通過聲卡輸出激勵信號，就相當于使用聲卡播放音頻文件；而通過聲卡采集回響應信號，則相當于使用聲卡進行錄音[15-16]。輸出激勵信號和采集響應信號的子程序框圖如5和圖6所示。

4 實驗測試結果

有源濾波電路實驗是模擬電子技術實驗中一個非常重要的實驗，實驗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行測試，掃頻范圍為0.1～10 kHz。電路圖及元件參數如圖7所示。

使用虛擬掃頻儀對有源帶通濾波器的頻率響應測試結果如圖8所示。

圖5 輸出激勵信號子程序框圖

圖7 帶通有源濾波器電路圖

圖8 虛擬掃頻儀一組測試結果

5 結 語

用LabVIEW軟件設計的虛擬掃頻儀，主要用來進行有源濾波電路等模擬電子電路頻率響應測量。經實驗，該虛擬掃頻儀能直觀測試電路的頻率特性及繪制出相應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)內滿足對電路頻率響應測試的需要。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據采集、聲卡使用、信號處理等多方面的知識，是一個了解虛擬儀器系統如何工作的良好途徑。具體應用時可以結合實際需求采用更好的優化方案，例如可以對掃頻規律、頻譜計算方法等方面進行改進或優化。掃頻儀的用途廣泛，不僅用于對模擬電子電路的測量，還可用于對音頻系統的測試等。增加其他相應硬件，如配合NI的采集設備，可以開發出更高級的頻譜測量系統。

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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

國家自然科學基金(61403319)；福建省自然科學基金(2015J05131)資助項目

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

TP 311.5

A

1006-7167(2016)08-0091-03