低频频率测试仪.doc

低频频率特性测试仪金龙龙福伟张玉强摘要: 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。关键字: FPGA ,频率特性, DDS ,阻容双 T网络,峰值检波一、系统方案 1. 整体方案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。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。其具体系统框架如下图 1-1 : 图 1-1 整体系统框架 2. 局部方案(一) DDS 数字信号合成方案这里用 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。(二) 阻容双 T 网络方案阻容双 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 。(三) 检相电路方案 3. 软件方案二、电路设计与分析 1. 阻容双 T 网络阻容双 T网络相关参数的计算图2-1 无源阻容双 T网络无源阻容双 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。图2-2 无源阻容双 T网络的П型等效电路其中???????? 221 121 12 RC RC jR sRC sRC RZ????????式2-1 传递函数为???????? 0 20 2041 1???????j jH????式2-2 式2-2中 RC 1 0??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?????