基于仪器集成的幅频特性测量仪设计方案

引言

频率特性是电路网络的重要特性。传统的测量方法是通过输出不同频点的正弦信号去激励电路网络，然后测量电路网络的响应，这种方法不仅耗时较长，而且精度有限。专用的扫频仪、网络分析仪等设备虽然可以大大缩短测量时间，但价格昂贵，一般教学试验室难以配备。因此，设计一种低成本、高精度的幅频特性测量仪具有重要意义。

系统构成

基于仪器集成的幅频特性测量仪主要由DDS函数信号源、数字示波器和一般计算机作为硬件平台，并在计算机上配置相应的软件进行分析和显示。以下是详细的系统构成及主控芯片型号介绍。

1. DDS函数信号源

DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字合成）技术是一种用于生成高精度、高分辨率的频率信号的方法。DDS芯片通过相位累加器和相位到幅度转换器生成数字正弦波，然后通过D/A转换器转换为模拟信号。

主要型号：

• AD9959：这是一款高性能的DDS芯片，具有四个DDS内核，每个内核由32位相位累加器和相位到幅度转换器组成。AD9959的输出频率范围宽，相位噪声低，适用于高精度频率合成应用。

• AD9854：这也是一款常用的DDS芯片，具有灵活的频率和相位控制功能，适用于多种频率合成和信号处理应用。

在设计中的作用：

DDS函数信号源用于产生扫频信号，即在一定频率范围内连续变化的信号。通过计算机控制DDS芯片的频率控制字，可以生成所需的扫频信号，并作用于待测电路网络。

2. 数字示波器

数字示波器是一种用于采集和分析模拟信号的仪器，具有数据采集、软件编程等功能，能够为用户提供多种分析功能，甚至能实现对波形的保存和处理。

主要型号：

• 泰克TDS1012C：这是一款高性能的数字存储示波器，具有高达100 MHz的带宽和1 GS/s的采样率，能够满足大多数频率特性测量的要求。

• 其他型号：如TDS2000系列、TDS3000系列等，这些示波器也具有不同的带宽和采样率，可以根据具体需求进行选择。

在设计中的作用：

数字示波器用于采集待测电路网络的响应信号，包括输入信号和输出信号的幅度和相位信息。通过计算机读取示波器采集的数据，并进行处理和分析，可以得到待测电路网络的幅频特性曲线。

3. 主控芯片

主控芯片是整个测量仪的核心，负责控制DDS函数信号源产生扫频信号，读取数字示波器采集的数据，并进行数据处理和显示。

主要型号：

• STM32F407：这是一款高性能、低功耗的微控制器，属于Cortex-M4内核系列。STM32F407具有丰富的外设接口，如ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器），适用于信号处理和控制逻辑等应用。

• FPGA（如Xilinx Spartan3系列XC3S400-PQ208）：FPGA是一种可编程逻辑器件，具有高速数据处理能力和灵活的接口设计。通过VHDL语言编程，可以实现与MCS-51系列单片机指令系统完全兼容的微控制器芯片IP核。

在设计中的作用：

• STM32F407：负责初始化系统外设，配置DDS函数信号源产生扫频信号，读取数字示波器采集的数据，并进行数据处理和显示。STM32F407的浮点运算单元（FPU）能够快速处理复杂的数学运算，如傅立叶变换，这对于计算幅频和相频特性是非常关键的。

• FPGA：作为数据采集和处理的核心模块，FPGA通过内部的正弦查找表IP核和D/A模块产生扫频信号，同时采集待测网络的输出信号和原始激励信号，并进行相应的数据处理。FPGA的高速数据处理能力和灵活的接口设计使得系统能够实时处理大量数据，并实现对幅频特性曲线的实时显示。

软件设计

软件设计是整个测量仪的重要组成部分，负责控制硬件设备的运行，采集和分析数据，并显示结果。

1. 通信接口设计

为了实现计算机与DDS函数信号源和数字示波器之间的通信，需要设计相应的通信接口。

• VISA接口：用于实现LabVIEW与数字示波器之间的通信。通过VISA接口，可以读取示波器采集的数据，并进行处理和分析。

• 串口通信：用于实现计算机与DDS函数信号源之间的通信。通过串口发送频率控制字和幅度控制字，控制DDS函数信号源产生所需的扫频信号。

2. 数据采集与处理

数据采集与处理是软件设计的核心部分，包括采集待测电路网络的输入信号和输出信号，并进行相应的数据处理和分析。

• 数据采集：通过数字示波器采集待测电路网络的输入信号和输出信号的幅度和相位信息。为了保证采集数据的准确性，需要选择合适的采样率和采样点数。

• 数据处理：对采集的数据进行滤波、傅立叶变换等处理，得到待测电路网络的频率响应特性。通过比较输入信号和输出信号的幅度和相位信息，可以计算出待测电路网络的增益和相位差。

3. 图形显示

图形显示是软件设计的另一个重要部分，用于实时显示待测电路网络的幅频特性曲线。

• LabVIEW：采用LabVIEW作为图形显示平台，可以方便地实现数据的实时显示和图形化分析。通过LabVIEW的图形显示控件，可以实时显示待测电路网络的幅频特性曲线，并对其进行放大、缩小、平移等操作。

系统测试

系统测试是验证设计方案正确性和可靠性的重要步骤。通过连接计算机、DDS函数信号源和数字示波器，将函数信号源输出端连接待测电路输入端，数字示波器通道Ⅰ连接待测电路的输入端，通道Ⅱ连接待测电路的输出端，进行实际测试。

1. 测试步骤

1. 连接硬件设备：将计算机、DDS函数信号源和数字示波器按照设计方案连接起来，确保连接正确无误。

2. 配置软件参数：在计算机上配置LabVIEW软件，选择相应的通信接口和参数设置，如串口和USB接口等。

3. 输入扫频参数：在用户界面中输入所需的扫频参数，如开头频率、结束频率和扫频幅度等。

4. 开始测量：点击开始按钮，系统开始产生扫频信号，并采集待测电路网络的响应信号。通过LabVIEW软件实时显示待测电路网络的幅频特性曲线。

2. 测试结果分析

通过实际测试，可以得到待测电路网络的幅频特性曲线。根据测试结果，可以分析待测电路网络的频率响应特性，如增益、带宽等参数。同时，可以通过调整扫频参数和采样率等参数，优化测量结果。

结语

基于仪器集成的幅频特性测量仪设计方案采用DDS函数信号源、数字示波器和一般计算机作为硬件平台，通过计算机配置相应的软件进行数据采集、处理和分析。该方案具有成本低、精度高、实时性好等优点，适用于各种电路网络的频率特性测量。通过实际测试验证，该设计方案正确可靠，具有较高的实用价值。

在未来的研究中，可以进一步优化设计方案，提高测量精度和实时性。例如，可以采用更高性能的DDS芯片和数字示波器，提高系统的带宽和采样率；同时，可以采用更先进的信号处理算法，提高数据处理的速度和准确性。此外，还可以将设计方案应用于更广泛的领域，如通信系统、音频处理系统等，为这些领域的频率特性测量提供有力的支持。