完整版 基于虚拟仪器的幅频特性仪设计.docx

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完整版基于虚拟仪器的幅频特性仪设计

南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院：

电子与电气工程学院

专业：

电子信息工程

学生：

张婧

指导教师：

樊京

完成日期2013年5月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计

DesignofAmplitudeversusFrequencyCharacteristicTestingMeterBasedonVirtualInstrument

总计：

25页

公式：

1个

插图：

37幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计

DesignofAmplitudeversusFrequencyCharacteristicTestingMeterBasedonVirtualInstrument

学院：

电子与电气工程学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

张婧

学号：

1109634012

指导教师（职称）：

樊京（副教授）

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

基于虚拟仪器的幅频特性测试仪设计

电子信息工程专业张婧

[摘要]本文设计了一种基于虚拟仪器的幅频特性测试仪。

在了解幅频特性测试仪仪工作原理的基础上，用已有的波形发生器和示波器，以LabVIEW软件为开发平台，进行设计。

通过使用LabVIEW软件控制正弦波信号发生器，使其产生合适的正弦波，并进行扫频操作，然后通过控制示波器的USB口将数据采集到计算机上，在Matlab或LabVIEW下编写幅度测量算法、相位分辨算法，对采集的数据进行处理分析，并在虚拟仪器的面板上画出幅频特性及相频特性图。

[关键词]幅频特性；LabVIEW；扫频；数据采集；数据处理

DesignofAmplitudeversusFrequencyCharacteristicTestingMeterBasedonvirtualinstrument

ElectronicInformationEngineeringSpecialtyZHANGJing

Abstract:

Inthispaper,theamplitudeversusfrequencycharacteristictestingmeterbased

onvirtualinstrumentisdeveloped.ThepaperisdesignedbytheexistingwaveformgeneratorandoscilloscopebasedontheLabVIEWsoftwaredevelopmentplatform,intheunderstandingofamplitudeversusfrequencycharacteristictestingmeteronthebasisofworkingprinciple.

MakingSinewavesignalgeneratortoproducetheavilablewaveanddofrequencysweepbytheLabVIEWsoftware,andthencollectedataintothecomputerUSBportbycontrollingtheoscilloscope,thenediettheamplitudemeasurementalgorithm,phaseresolutionalgorithmundertheMatlabandLabVIEW,todealwithdataanalysis,andplottheamplitude-frequencycharacteristicandphasefrequencycharacteristiconagraphonthevirtualinstrumentpanel.

KeyWords:

Amplitudeversusfrequencycharacteristic；labview；frequencysweep；dataacquisition；dataprocessing

目录

1引言1

1.1本课题提出的背景和意义1

1.2幅频特性测试仪国内外的发展状况1

1.3本课题的主要研究内容2

2幅频特性测试仪的系统设计3

2.1幅率特性的基本概念3

2.2幅频特性测试仪实现的功能4

2.3系统结构及总体设计方案5

3幅频特性测试仪的硬件系统简介6

3.1波形发生器简介及DG4000系列驱动的安装6

3.2示波器简介及DS1000E系列驱动的安装7

4幅频特性测试仪的软件系统设计8

4.1软件开发平台LabVIEW简介8

4.2幅频特性测试仪的软件设计主程序10

4.2虚拟仪器对波形发生器的软件设计10

4.2.1波形发生器主程序10

4.2.2波形形成及输出子程序11

4.2.3同相位及扫频操作子程序12

4.3示波器数据采集及处理13

4.3.1示波器主程序13

4.3.2数据采集子程序14

4.3.3数据处理子程序16

5调试及实验结果分析17

5.1实验调试及误差分析17

5.2误差补偿18

结束语21

参考文献22

附录23

致谢25

1引言

1.1本课题提出的背景和意义

电子测量中经常遇到的就是对未知系统或电路网络传输特性的测量，尤其是电路网络幅频特性的测量[1]。

一般情况下，一个系统或电路网络的幅频特性就能表征其电气性能，如系统固有角频率、系统阻尼率等。

传统的模拟式幅频特性测试仪大多是用LC电路构成扫频振荡器，体积较大、结构复杂、功能单一且不易与其它设备连接，而且只能显示幅频特性曲线，不能得到相频特性曲线，给使用者带来诸多不便，在实际应用中受到很大的限制。

目前普遍使用的国内产品主要是天津中环电子仪器公司生产的BT-6A和TD4010[2]，图片如图1所示，它存在的主要问题是功能单一、无图形显示、价格偏高，90年代初改型的TD4010型频率响应分析仪虽采用微处理器，但其许多工作仍要靠外部硬件完成，没有充分发挥微处理器特别是软件功能，致使电路仍很复杂，价格昂贵。

国外产品以日本小野公司的SR-200为代表，该仪器也只能显示幅频特性曲线，价格昂贵，在一般大专学校应用较少。

图1频率特性测试仪BT-6A和TD4010

由于传统的幅频特性测试仪因其开发和维护的费用高、技术更新周期长、封闭固定的系统且不易与其它设备连接而在实际应用中受到很大的限制[3]，为了跟踪虚拟仪器技术的发展趋势，发挥其在测试与测量仪器设计中所具有的灵活性、直观性、通用性的特点，我们开发了基于虚拟仪器技术的幅频特性测试仪，这种新型仪器将充分利用计算机软、硬件资源，具有强大的处理能力，以其新颖、清晰的图形曲线显示，具有操作方便、性价比高等优点，可以更好地满足科研和工程设计的需要。

1.2幅频特性测试仪国内外的发展状况

幅频特性测试仪也称扫频仪，用于测试网络的幅频特性和相频特性，在现代电子测量中占有重要的位置，它运用扫频技术的幅频特性测试仪可以对被测网络进行快速的动态测量，得出被测网络传输特性的实时测量结果[4]。

国外幅频特性仪研制生产厂家主要有美国Agilent公司和Anritsu公司以及ADV公司[5]。

1983年推出了第一部有微处理器的微波频率特性分析仪8510型，同轴测量频率范围为45MHz-26.5GHz。

1986年推出了既有良好的性能又有自动测量能力的8753型自动化矢量网络分析仪，成为业界频率特性测试仪的标准。

1989年同轴S参数测量系统上限频率扩展到40GHz。

1990年，毫米波波导传输测试装置的工作频率范围扩展到了110GHz。

2000年底的PNA系列300KHz-3GHz的E8356A；300KHz-6GHz的E8357A；30KHz-9GHz的E8358A，在低频方面，该公司有HP3589A，其频率范围10Hz-150MHz。

图2安捷伦频率特性测试仪

英国SOLARTRON公司有1250，1253，1255A，1255B，1260A。

它可以作单点、离散正弦频率扫描，获得频响函数或频响函数的实验曲线[6]。

1250的频率范围为10uHz到65.5KHz，可以用于测量增益、相位、交流阻抗。

1253的频率测量范围为1mHz到20KHz，幅度和相位精度分别达到1%和1度。

1255A的频率测量范围为10uHz到1MHz,幅度和相位精度分别达到0.2%和0.2度。

1260A的频率测量范围为10uHz到32MHz，幅度和相位精度分别达到0.1%和0.1度，该型号的最大特点是精度高，是该公司的目前精度最高的网络分析仪。

国内成功研制的AV3615分体式频率特性测试仪[7]，测量范围:

45MHz-110GHz。

AV3623一体式矢量网络分析仪，测量范围为30KHz-30MHz，其动态范围90dB，幅度准确度0.1dB，频率分辨率1Hz。

从上述对市场上现有的幅频特性测试仪产品的调查和分析，我们发现国外的幅频特性测试仪主要集中在射频和高频，中低频的产品比较少，而且价格相当昂贵，国内的中低频段的产品也很少。

1.3本课题的主要研究内容

本课题就是应用正在蓬勃发展的虚拟仪器技术，即利用微型计算机强大的软件功能和图形环境进行幅频特性测试仪的研究与开发[8]，主要是使用软件LabVIEW控制正弦波信号发生器，使其产生合适的正弦波，并进行扫频操作，然后通过控制示波器的USB口将数据采集到计算机上。

在Matlab或LabVIEW下编写幅度测量算法、相位分辨算法，并在虚拟仪器的面板上画出幅频特性图。

论文的主要内容包括:

第1部分：

首先分析了本课题的研究背景及意义，全面阐述了幅频特性测试仪的国内外的研究现状，并且介绍了本论文完成的主要工作。

第2部分：

详细介绍了幅频特性的基本概念，以及系统的总体结构以及设计方案。

第3部分：

详细介绍了该设计的硬件平台组成—波形发生器及示波器。

第4部分：

对系统的软件部分进行详细设计：

（1）扫频源控制的设计与调试；

（2）数据采集的设计与调试；（3）对采集信号进行处理分析的设计。

第5部分：

最后系统联调，软、硬件整机调试。

对信号采集、处理分析、显示进行调试，并对调试过程中出现的问题进行处理，进一步完善系统功能，满足设计要求，得出正确结论，并进行全面总结。

2幅频特性测试仪的系统设计

2.1幅率特性的基本概念

对于含有抗性元器件的网络，在正弦稳态的情况下，其输出的正弦波相对于输入的正弦波而言有两方面的改变[9]：

一个是输出正弦波与输入正弦波的幅度差值与频率有关，这种关系称为网络的幅频特性；另一个是输出正弦波与输入正弦波的相位差值与频率有关，这种关系称为网络的相频特性，网络的幅频特性与相频特性的结合称为网络的频率特性。

当被测电路的输入为正弦信号时,则输出的稳态响应也是一个正弦信号,其频率和输入信号的频率相同,但幅度和相位发生了变化，而变化取决于角频率

。

若把输出的稳态响应和输入正弦信号用复数表示,并求它们的复数比,则得公式

（1）所示。

（1）

其中G（j

）称为频率特性,A（

）是输出信号的幅值与输入信号幅值之比,称为电路网络幅频特性。

ej

（

）是输出信号的相位与输入信号的相位之差,称为相频特性。

其中,电路幅频特性是电路网络的一个重要特性,本文探讨电路网络幅频特性参数的测试。

在实际测量中,用一个随着时间按一定规律,并在一定频率范围内扫动的信号对被测电路进行快速、定性或定量的动态测量,给出被测电路网络的电路网络幅频特性实时测量结果[10]。

测量原理见图3所示。

图3测量原理

2.2幅频特性测试仪实现的功能

在Multisim[11]中，显示元件波特图仪可以显示电路网络的幅频特性及相频特性，本课题设计的基于虚拟仪器的幅频特性测试仪实现的功能与此相似，现以双T带阻滤波器的电路[12]为例，如图4所示，在Multisim中仿真出该电路的幅频特性及相频特性，如图5所示，以此了解基于虚拟仪器的幅频特性测试仪实现的功能。

图4双T带阻滤波器的电路

图5双T带阻滤波器的幅频、相频特性

2.3系统结构及总体设计方案

虚拟仪器在自动测量、自动控制领域有着广阔的发展前景，基于虚拟仪器技术的幅频特性仪是以PC机为核心，以美国国家仪器公司的LabVIEW为软件开发平台，配以硬件接口电路构成整个仪器。

幅频频特性测试仪结构框图[13]如图6所示。

硬件接口板的主要功能是完成被测系统输入信号的产生和被测系统输出信号的数据采集，计算机将根据采集的数据计算系统（包括元、器件）的性能指标，包括时域和频域指标，并以图形的方式显示出来。

图6幅频特性测试仪结构框图

课题的主要设计任务是对信号源的扫频操作及以计算机为核心接口电路和信号处理的设计。

信号源的扫频操作的主要功能是产生幅值恒定、频率变化的信号作为被测系统的输入信号；硬件接口板的主要功能是完成对被测系统输入信号和被测系统输出信号的数据采集；计算机将根据采集的数据计算系统的性能指标，包括时域和频域指标，并以图形的方式显示出来。

系统主要由四个部分组成:

（1）扫频信号源的产生，主要为系统提供信号源。

扫频信号源是幅频特性测试仪的重要部件，主要用于产生测试用正弦扫频信号，其扫频范围应是可调的，扫频规律是线性的，扫频信号的幅度应是等幅的。

频率源的性能直接影响着扫频仪的性能好坏。

在已有的任意波形发生器的基础上，用虚拟仪器进行编程控制波形发生器产生等幅的、频率可调的正弦波，通过USB串口将数据操作指令传输到波形发生器。

（2）数据采集部分，主要是系统软硬件结合部分。

该部分主要应用示波器与计算机的串口，是应用软件的基础。

该部分工作时将被测系统的激励和响应模拟信号转换成数字信号送入计算机进行处理，通过虚拟仪器VISA读入将数据读取到计算机，也可以通过VISA写入将控制示波器的指令发送给示波器，例如让示波器显示的波形满幅，避免失真的采取。

（3）数据处理部分，主要进行软件处理。

数据处理是幅频特性测试仪的一个重要环节，由于虚拟仪器是建立在通用计算机之上，因此可充分利用自身软件的优势，具有方便灵活、功能强大的数据处理能力，这一点是传统仪器无法比拟的。

本课题研制的虚拟仪器系统通过计算机软件编程，实时、直接地对测试数据进行各种分析和数字处理，如完成DFT，FFT运算，实现数字滤波等，然后以各种方式输出处理，具有极强的数据处理能力。

（4）仪器面板部分，主要进行操作控制和结果显示。

该部分赋予测试系统特有的功能，可以直接控制各种硬件接口的驱动程序，系统通过底层设备驱动程序与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作对象相对应的各种控件。

这些控件中集成了对应仪器的程控信息，利用计算机强大的图形用户界面，虚拟仪器可以采用多种方式显示采集数据、分析结果和控制过程，真正做到“界面友好，人机交互”，用户通过“虚拟”操作界面向虚拟仪器以出各种测试指令，虚拟仪器则通过它向用户传递系统的状态与测量结果。

3幅频特性测试仪的硬件系统简介

3.1波形发生器简介及DG4000系列驱动的安装

DG4000系列[14]是集函数发生器，任意波形发生器，脉冲发生器，谐波发生器，模拟/数字调制器，频率计等功能于一身的多功能信号发生器。

该系列的所有型号皆具有2个功能完全相同的通道，通道间相位可调，如图7所示。

图7波形发生器

DG4000系列采用DDS直接数字合成技术，可生成稳定、精确、纯净和低失真的输出信号；高清宽屏显示，人性化的界面设计和键盘布局，给用户带来非凡体验；标配的LAN，USB接口，可轻松实现仪器远程控制，为用户提供更多解决方案。

DG4000系列的产品特性为最高输出频率160MHz，100MHz等；500MSa/s采样率，14bits垂直分辨率；标配等性能双通道；低相噪至-115dB/Hz；丰富的模拟调制和数字调制功能；高达150种内建波形；功能强大的上位机软件，内置7digits/s，200MHz带宽的频率计；标配多至16次的谐波发生器功能；标配接口。

对于DG4062，LabVIEW驱动程序（RIGOLDG4000Series.zip）可到网站上免费下载[15]。

解压后将RIGOLDG4000Series目录拷贝到安装LabVIEW目录时的\instr

.1ib\RIGOLDG4000Series目录下，这样编程设计时使用更方便，因为LabVIEW编程时需要的驱动程序要到安装LabVIEW目录时的\instr.1ib路径下去找。

此外该LabVIEW驱动程序是利用VISA开发的，所以开发环境必须安装有VISA3.0或以后的版本，否则程序运行时,会查找不到外部设备的串口，程序不报错误也不执行任何动作。

3.2示波器简介及DS1000E系列驱动的安装

DS1000E系列是一款高性能、经济型、性价比高的数字示波器，如图8所示。

DS1000E系列为双通道加一个外部触发输入通道的数字示波器。

DS1000E系列数字示波器前面板设计清晰直观，完全符合传统仪器的使用习惯，方便用户操作。

为加速调整，便于测量，您可以直接使用AUTO键，将立即获得适合的波形显示和档位设置。

此外，高达1GSa/s的实时采样、25GSa/s的等效采样率及强大的触发和分析能力，可帮助用户更快、更细致地观察、捕获和分析波形。

图8示波器

DS1000E产品特性为提供双模拟通道输入，最大1GSa/s实时采样率，25GSa/s等效采样率；16个数字通道，可独立接通或关闭，或以8个为一组接通或关闭（仅DS1000D系列）；有丰富的触发功能：

边沿、脉宽、视频、斜率、交替、码型和持续时间触发；独一无二的可调触发灵敏度，适合不同场合的需求；自动测量22种波形参数，具有自动光标跟踪测量功能；独特的波形录制和回放功能；细的延迟扫描功能；内嵌FFT功能；拥有4种实用的数字滤波器：

LPF，HPF，BPF，BRFPass/Fail检测功能，可通过光电隔离的Pass/Fail端口输出检测结果。

对于DG1000E，LabVIEW驱动程序（RIGOLDG1000Series.zip）可到网站上免费下载。

解压后将RIGOLDG1000Series目录拷贝到安装LabVIEW目录时的\instr.1ib\RIGOLDG1000Series目录下，这样编程设计时使用更方便，因为LabVIEW编程时需要的驱动程序要到安装LabVIEW目录时的\instr.1ib路径下去找。

此外该驱动程序是利用VISA开发的，所以开发环境必须安装有VISA3.0或以后的版本，否则程序运行时,会查找不到外部设备的串口，程序不报错误也不执行任何动作。

另外，波形传输主要用同轴线进行传输，如图9所示，同轴线是常见的信号传输线，中心的铜芯是传送高电平的，被绝缘材料包覆；绝缘材料外面是与铜芯共轴的筒状金属薄层，传输低电平，同时起到屏蔽作用。

图9同轴线

在使用同轴线的时候，要用50欧姆阻抗进行匹配，如图10所示。

同轴线的阻抗匹配使信号传播时以其幅度的50％向负载端传播，阻抗匹配的主要目的是让信号尽可能的以平稳的最大值传输到终端，不会有信号反射回来源点。

图1050欧姆阻抗

4幅频特性测试仪的软件系统设计

本课题是在已有的波形发生器和示波器的基础上进行的软件设计，因此该设计主要分为两部分：

一、LabVIEW对任意波形发生器的扫频操作；二、将示波器的数据通过USB口采集并对数据进行分析，最终画出幅频特性及相频特性曲线。

4.1软件开发平台LabVIEW简介

LabVIEW[16]的基本编程单元是框图，框图以图形软件绘制，用端点来表示程序设计，虚拟仪器则接收来自方框图的指令，因此，LabVIEW在绘制方框图时只需从软件菜单中调用相应的函数方块并用导线连接即可，不必受常规程序设计句法细节的限制，LabVIEW面板如图11所示。

一个LabVIEW程序分为三部分:

前面板、框图程序、图标/接线端口。

前面板是用于模拟真实仪器的控制面板；框图程序则是利用图形语言对前面板上的控件对象（分为控制量和指示量两种）进行控制；图标/接线端口用于把LabVIEW程序定义成一个子程序，从而实现模块化编程。

图11LabVIEW面板

LabVIEW还具有强大的仪器控制功能，它可对众多仪器如插卡式数据采集仪器、GPIB仪器、PXI/VXI仪器、RS-232仪器等进行控制；LabVIEW还内置了便于TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

在本设计中，通常会会用到VISA函数，但面板上有VISA函数不意味着就是装了驱动，VISA函数的位置见下图12，其中比较常用的是VISA函数打开、VISA函数写入、VISA函数读取、VISA函数关闭，如图13所示。

图12VISA函数的位置

图13VISA常用函数

4.2幅频特性测试仪的软件设计主程序

由于任意波形发生器和示波器与PC机相连接时，要用两个USB串口，因此虚拟仪器对两者进行控制时，假如用并行语句，那么采集的顺序，各个频率段都将会出现一定范围的误差，发生紊乱，甚至有时两个仪器同时工作，只会控制其中的一台，这样会对采集到的结果造成很大的误差。

该幅频特性测试仪设计的软件设计流程如图14所示，系统上电后开始，连接波形发生器对应的USB串口，控制波形发生器产生合适的正弦波，判断此时的频率是否大于等于截止频率，若大于，则结束程序，否则分别打开波形发生器的输出通道，可以将波形传送到示波器上显示，然后打开同相位，让示波器形成稳定的波形，延时几秒，连接示波器的USB串口，将波形数据采集到上位机，并且编写相应的算法，画出电路网络的幅频特性及相频特性图。

图14幅频特性测试仪设计的软件设计流程

4.2虚拟仪器对波形发生器的软件设计

在本设计中使用北京普源的任意波形发生器DG4062，用上位机LabVIEW控制波形发生器产生幅值恒定、频率变化的信号作为被测系统的输入信号。

4.2.1波形发生器主程序

根据前面的分析，设计出基于虚拟仪器波形发生器的软件系统流程图如图15所示。

系统上电后开始，连接波形发生器对应的USB串口，然后将起始频率、相位、幅值传送给波形发生器通道一和通道二，然后打开通道输出，将两个通道的波形进行同相位操作，最后将波形数据通过USB输出，然后将频率加上频率步长，判断是否大于等于截止频率，若大于结束程序，若小于截止频率，那么再依次循环上面的工作流程，直到程序结束为止。

图15波形发生器软件系统流程图

4.2.2波形形成及输出子程序

在本设计中，波形形成及输出程序框图如图16所示。

该模块中主要用到的指令及其功能如下所示：

（1）[:

SOURce]:

APPLy:

SINusoid[[,[,[,]]]]，它是指输出一个具有指定频率、振幅、DC偏移和起始相位的正弦波。

（2）[:

SOURce]:

VOLTage:

UNITVPP|VRMS|DBM，该指令用于设置幅度的单位为VPP、VRMS