一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统，包括上位机和下位机，下位机包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及单片机；上位机与单片机进行双向通信；单片机程控DDS信号发生器产生两路正交信号，其中Asin信号输出端接入被测电路，为被测电路提供信号激励，被测电路的信号输出端与I/Q解调器的一个输入端连接，Acos信号输出端与I/Q解调器的另一个输入端连接，I/Q解调器将两输入信号进行下变频得到两路直流信号，两路直流信号经由单片机设定增益的程控增益放大器放大后接入AD转换器进行模数转换，模数转换后的信号经单片机进行处理后输出给上位机，上位机通过Matlab软件实现数据计算、分析、显示。
【专利说明】一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子测量及信号处理【技术领域】，特别涉及一种基于虚拟系统器的频率 特性测试系统。
【背景技术】
[0002] 电路网络的频率特性，是电子测量与信号处理研宄领域中的重要电路参数，频率 特性的好坏直接影响其所在的仪器的各项性能指标。如在数字示波器中，输入信号调理电 路的频率特性决定着整机通频带宽，通带平坦性，以及测量精度等重要指标。再如信号发生 器中输出通道的频率特性，决定着信号发生的带宽、平坦性以及输出信号幅值的精度。这些 电子仪器开发过程中，都需要仔细的检定电路的频率特性，而且样机出厂时，也要据此给出 整机的性能指标。
[0003] 目前频率特性的测试方法主要有以下几种：
[0004] 第一种方法是采用信号发生器和示波器来实现，通过乎动或程控方式按照频率逐 点测试，该方法简单易行，但是无法准确获得相频特性。
[0005] 第二种方法是采用市售频率特性分析仪来实现，然而现有的频率特性分析仪器多 为台式仪器，不够便携，使用不灵活，计算和分析功能不够强大。
[0006] 第三种方法是利用矢量网络分析仪对被测电路的S12参数进行分析，网络分析仪 功能全面，分析的频率范围宽，一般多为射频级（GHz数量级），分析的参数较多。但网络分 析仪中许多功能在测量与控制类的许多开发中用不上，该类分析仪器价格昂贵，如美国是 德科技（安捷伦前身）公司生产的网络分析仪都在10万元以上，而且技术实现上受国外垄 断。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是针对传统频率特性测试仪计算和分析功能不强、价格 昂贵、携带不便的问题提供一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
[0009] -种基于虚拟仪器的频率特性测试系统，包括上位机和下位机，下位机包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及单片机；上位机与单片机进行双 向通信；单片机程控DDS信号发生器产生两路正交信号，其中Asin信号输出端接入被测 电路，为被测电路提供信号激励，被测电路的信号输出端与I/Q解调器的一个输入端连接， Acos信号输出端与I/Q解调器的另一个输入端连接，I/Q解调器将两输入信号进行下变频 得到两路直流信号，两路直流信号经由单片机设定增益的程控增益放大器放大后接入AD 转换器进行模数转换，模数转换后的信号经单片机进行处理后输出给上位机，上位机通过 Matlab软件实现数据计算、分析、显示。
[0010] 优选的，所述DDS信号发生器包括用于接收单片机控制产生两路原正交信号的AD9854集成芯片、用于将两路原正交信号中的直流分量去除的差分放大器、以及用于将去 除直流分量的正交信号进行滤波处理的滤波器。
[0011] 优选的，所述差分放大器采用AD8056芯片实现，所述滤波器为无源低通滤波器。
[0012] 优选的，所述I/Q解调器包括模拟乘法器和低通滤波器，模拟乘法器将DDS信号发 生器产生的一路信号和被测电路的输出信号相乘，得到2倍频信号以及差频信号，再通过 滤波电路将2倍频信号滤除，得到差频信号，即直流信号。
[0013] 优选的，所述模拟乘法器采用AD835芯片，所述滤波电路为有源低通滤波电路。
[0014] 优选的，其特征在于，所述AD转换器采用12位集成芯片。
[0015] 优选的，所述单片机芯片采用带USB接口的微处理器芯片CY7C68013A
[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0017] 本发明创造利用虚拟仪器的开发方法，将测试仪设计成基于上、下位机的虚拟仪 器系统形式，下位机实现测量功能，利用I/Q解调原理，将高频信号下变频，以低速采样的 方法实现对宽带信号的信息提取，上位机实现计算、分析和显示功能，在Matlab软件开发 环境下，直接通过USB接口与下位机进行通信，利用计算机的软硬件资源，借助于上位机的 Matlab软件的强大计算和分析能力，提高频率特性分析功能；本发明既能分析幅频特性， 也能分析相频特性，分析能力强且便携，实现了虚拟频率特性测试系统的功能和指标，而且 性价比尚。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0019] 图1是本发明总体方案框图；
[0020] 图2是本发明的I/Q解调器设计方案框图；
[0021] 图3是本发明的DDS信号发生器中集成芯片电路图；
[0022] 图4是本发明的DDS信号发生器中差分放大器电路图；
[0023] 图5是本发明的DDS信号发生器中无源低通滤波电路图；
[0024] 图6是本发明的I/Q解调器的电路图；
[0025] 图7是本发明当输入、输出端子短接时的幅频特性曲线图；
[0026] 图8是本发明当输入、输出端子短接时的相频特性曲线图；
[0027] 图9是本发明当接入被测电路时的幅频特性曲线图；
[0028] 图10是本发明当接入被测电路时的相频特性曲线图。
【具体实施方式】
[0029] 本发明提供的一种基于虚拟仪器的频率特性测试系包括软件部分和硬件部分。软 件部分是基于Matlab虚拟仪器软件开发平台而设计的应用软件，软件运行在WindowsXP 下，通过设计友好的人机交互操作界面，负责发出各种信号、操作指令、接受和处理数据、显 示信号波形，实现对被测电路网络的自动测试。硬件部分包括上位机系统和下位机系统；上 位机系统包括计算机；下位机系统包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转 换器以及带有USB接口的单片机。
[0030] 一、整体方案设计：如图1所示，本发明以单片机为主要控制中心，针对频率特性 的扫描测量法进行了三个方面的设计：一是测试信号源，运用直接数字合成波形DDS技术 将由扫描电压控制的振荡频率的正弦振荡器用由单片机控制的数字合成扫描信号源代替； 二是测量结果的表达方式，峰值滤波器的输出用AD转换器实现从模拟量到数字量的转换， 将所得数字量通过USB口传送给计算机，实现对被测电路的频率特性曲线的显示；三是利 用PC机强大的运行处理功能，利用Matlab软件对所测的数据进行分析处理，拟合出近似被 测电路频率特性的数学公式和传递函数，进而通过Matlab软件仿真、显示。
[0031] 本方案中，
[0032] (I) DDS正交信号发生器用来产生正交的两路信号Asin (wt)、Acos (wt)，为被测电 路网络提供不同频率的正弦激励信号，其频率通过单片机来设置。
[0033] (2)I/Q解调器将被测网络的正弦响应信号进行下变频，降低采样率要求，以便后 续采样与传输；I/Q解调器由两路乘法器和两路低通滤波组成，如图2所示，由于被测电路 网络的输入、输出具有相同的频率，因此每路乘法器的两个输入端均为同频信号，经过乘法 器后的结果信号为2倍频（高频）与差频（直流）的叠加，适当选择低通滤波器可以将2 倍频信号滤除，进而得到直流信号，通过理论推导可得两路直流信号分别为：
[0034]
[0035]
【权利要求】
1. 一种基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，包括上位机和下位机，下位机 包括DDS信号发生器、I/Q解调器、程控增益放大器、AD转换器以及单片机；上位机与单片 机进行双向通信；单片机程控DDS信号发生器产生两路正交信号，其中Asin信号输出端接 入被测电路，为被测电路提供信号激励，被测电路的信号输出端与I/Q解调器的一个输入 端连接，Acos信号输出端与I/Q解调器的另一个输入端连接，I/Q解调器将两输入信号进行 下变频得到两路直流信号，两路直流信号经由单片机设定增益的程控增益放大器放大后接 入AD转换器进行模数转换，模数转换后的信号经单片机进行处理后输出给上位机，上位机 通过Matlab软件实现数据计算、分析、显示。
2. 根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述DDS信 号发生器包括用于接收单片机控制产生两路原正交信号的AD9854集成芯片、用于将两路 原正交信号中的直流分量去除的差分放大器、以及用于将去除直流分量的正交信号进行滤 波处理的滤波器。
3. 根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述差分 放大器采用AD8056芯片实现，所述滤波器为无源低通滤波器。
4. 根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述I/Q解 调器包括模拟乘法器和低通滤波器，模拟乘法器将DDS信号发生器产生的一路信号和被测 电路的输出信号相乘，得到2倍频信号以及差频信号，再通过滤波电路将2倍频信号滤除， 得到差频信号，即直流信号。
5. 根据权利要求4所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于，所述模拟 乘法器采用AD835芯片，所述滤波电路为有源低通滤波电路。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于， 所述AD转换器采用12位集成芯片。
7. 根据权利要求1-5任一项所述的基于虚拟仪器的频率特性测试系统，其特征在于， 所述单片机芯片采用带USB接口的微处理器芯片CY7C68013A。
【文档编号】G01R31/28GK104483619SQ201410756737
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】朱文忠, 刘小芳 申请人:四川理工学院