低频频率测试仪.doc

蒄薄袁低频频率特性测试仪芁蒀聿金龙龙福伟张玉强膅莂肆摘要:此低频频率测试仪是基于FPGA做中央控制以及信号产生和处理的。其扫频信号是由频率范围25kHz--40kHz的正弦波组成,能在全频范围和特定范围内自动步进测量,频率和电压以128×64的LCD显示屏显示。被测网络是由阻容双T网络组成,中心频率为28kHz,带宽±100Hz能分别和同时显示器幅频和相频特性曲线。荿衿薆关键字:FPGA,频率特性,DDS,阻容双T网络,。整个过程是由FPGA产生频率可变的PWM扫频信号,通过DDS(数字信号合成)产生扫频的正弦波,此扫频信号通过被测网络(此处为阻容双T网络)后,一路通过检波电路,输出器幅频特性曲线,一路通过比较器将正弦波在转成TTL的方波再与FPGA输出的同步PWM进行比较,判断其相位差,这样达到检相目的。蒆节莂其具体系统框架如下图1-1:节膇膁图1-1整体系统框架膆莃薇莁袀蒅局部方案袆蒅膃DDS数字信号合成方案葿芀罿这里用DDS数字信号合成将方波转成正弦波,用于扫频,我们准备了三套方案,(1)用FPGA输出PWM的方波(占空比不变)然后通过DDS模块生成正弦波;(2)利用FPGA直接做成硬件DDS,然后直接产生正弦波;(3)方案就是FPGA输出占空比变化的PWM,然后再通过低通滤波输出正弦波。通过比较,这三方案各有不足,第一个方案利用DDS模块成本较高,但输出的正弦波很可靠,频率响应也很好;第二个方案利用FPGA直接做成硬件DDS难度较大,我们做出来后发现频率高了过后输出的波形就发生了失真,但这个方案成本低,技术含量高,能拿高分;第三个方案频率达不到预期效果。我们开始打算用第二个方案的,但是由于失真问题一直没能解决,最终我们还是选择了第一个方案,利用DDS模块。蚇膂罿阻容双T网络方案袁蝿袄阻容双T网络它实际上是一个带阻滤波器,也可以叫做陷波器。这里我们定了两个方案:(1)无源式阻容双T网络,即一般的双T网络,没有任何反馈;(2)有源式阻容双T网络,即在普通的双T网络后面加上电压跟随器和负反馈,这样才能提高Q值让带宽减小。通过比较两个方案,发现无论怎么调节方案(1)中的双T网络R值和C值,都无法达到±50Hz的要求。最终我们决定选用方案(2),中心频率为28kHz,带宽为±100Hz。莇芃袃检相电路方案羀腿肀膈莅肈软件方案莂薈薇袈膂薃蒁羇膂电路设计与分析莄膄膆阻容双T网络蕿蒇羇阻容双T网络相关参数的计算肅芅莄羁膀衿图2-1无源阻容双T网络袅肂薈肀蕿莆无源阻容双T网络电路如图2-1所示,它实际上是一个带阻滤波器,也可以叫做陷波器。利用Y-△变换可以将图2-1的电路简化为图2-2所示П型电路。薅肄肄蒂罿羀图2-2无源阻容双T网络的П型等效电路莆膅蚇其中式2-1薀莈袅传递函数为式2-2肆羂袄式2-2中羃袈肂由上式可求出无源阻容双T网络的幅频、相频特性的表达式为袇肄聿式2-3肁芇芅式2-4薇肅薅中心频率式2-5膀羀衿根据题目要求阻容双T网络的中心频率为30kHz,因此由式2-5计算得芇袂膇薂莀蚄考虑到实际情况,取R=16K,C=330P。理论中心频率为30kHz但是实际电路肈羄肁蚀蝿袀出来后只有28KHz。薄羅芆整个双T网络加上有源部分如2-3图所示:羃芈膄芄螃螂 图2-3有源阻容双T网络膁蚈羂肅袄蚈在阻容双T网络后接上电压跟随器,这样能有效隔离前后,使双T网络的输出端不受负载阻抗的变化的影响。然后再用电阻分压进行负反馈,再利用电压跟随器做前后隔离。这样做过后,Q值大大增大。艿肇袇螅袅薂峰值检波电路薂蒇蝿检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。阻容双T网络输出的正弦波经过峰值检波后,将其高频信号滤除掉了,在通过RC滤波电路,就能输出有很小纹波的直流了,其电路图如下图2-4所示:蒆蚃螇螀膀芆 图2-4峰值检波电路芆螄节肃虿螁比较器电路羆薁腿正弦信号从输入双T网络到输出双T网络还是正弦信号,不过相位发生了变化,可是正弦信号判断其相位发生了多少是很难判断的,我们通过将其转换成方波,以方便判断其相位发生移动了多少。膁聿蚆比较器电路如下图2-5所示:螇薃肃荿蒈袂 图2-5比较器电路蒇蚄芇蚂袇肅软件流程系统调试与测量结果分析