一種基于比較器轉換的頻率特性測試方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字電路技術、信號處理及自動控制檢測等交叉領域，具體涉及一種具有低成本高頻寬等優(yōu)點的基于比較器轉換的頻率特性測試方法與裝置。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的頻率特性測量方法是在一系列規(guī)定的頻率點上，逐點測量網(wǎng)絡增益以及相位偏移，從而確定幅頻特性曲線以及相位特性曲線。雖然這種方法原理簡單，需要的設備也不復雜。但由于要逐點測量，操作繁瑣費時，并且由于頻率離散而不連續(xù)，非常容易遺漏某些特性突變點，而這些突變點常常是我們在測試和分析電路特性時非常關注的問題。專用的掃頻儀，如HAD-1252等，大多只能測量幅頻特性，很少有測量相頻特性的功能，也不能與計算機連接導出所需的數(shù)據(jù)，給使用者帶來了很多不便。而滿足上述要求的全數(shù)字頻率特性測試儀不僅價格非常昂貴，而且體積笨重，例如SP3060數(shù)字合成掃頻儀，價格在I萬以上，重量6kg，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。
[0003]隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，頻率特性測試儀不斷向小型化，數(shù)字化，智能化方向發(fā)展，基于DDS (數(shù)字頻率合成)技術的掃頻測量法具有更好的性能。除了可實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動測量外，還可以防止傳統(tǒng)方法中頻率點離散而遺漏細節(jié)的問題，并且得到的是被測電路的動態(tài)頻率特性，更加符合實際應用。
[0004]目前市面上已有包括基于零中頻正交解調(谷廣華，楊萬麟.數(shù)字中頻正交解調器及其FPGA實現(xiàn).移動通信，Mobile Communicat1ns, 2004年S3期)，基于真有效值檢測(周洋，榮軍，劉順成，向昌宏，李鵬.數(shù)字控制幅頻特性測試儀的技術研宄[J].電子技術.2013(05))等頻率特性測量的方法，本發(fā)明提出一種全新的基于比較器轉換的頻率特性測試方法與裝置，與其它已有的方法相比，具有電路結構簡單，小型化，成本低，并且可以有效地提高所測頻率上限等優(yōu)點。

【發(fā)明內容】

[0005]為了克服上述所提到的傳統(tǒng)頻率特性測試儀價格昂貴、使用不便的問題，本發(fā)明提出一種基于比較器轉換的頻率特性測試方法與裝置，通過比較器結合D/A掃幅技術測量幅頻特性，過零比較器轉換測量相頻特性，從而通過設備簡單、低成本的方法實現(xiàn)頻率特性的測量，并保持足夠的精度，以滿足廣大應用的需求。
[0006]本發(fā)明的目的至少通過如下技術方案實現(xiàn)。
[0007]—種基于比較器轉換的頻率特性測試裝置，其包括頻率特性測量模塊、信號源發(fā)生模塊、MCU控制輸入與顯示模塊；所述頻率特性測量模塊由兩組D/A轉換器及電壓比較器組成，分別用于測量被測網(wǎng)絡的輸入和輸出信號，電壓比較器負責將所測的正弦波轉化為方波，將正弦波的幅度和相位信息轉換為方波的數(shù)字信息再送入MCU進行處理，D/A轉換器由MCU控制，作為電壓比較器的參考電壓接入電壓比較器的一個輸入端，為了使測量頻率的范圍較寬，電壓比較器需要采用高帶寬及高壓擺率的型號；所述信號源發(fā)生模塊由直接數(shù)字式頻率合成器DDS和功率放大器組成，DDS由MCU控制，DDS的輸出經(jīng)過功率放大器的放大后接入被測網(wǎng)絡的輸入端；所述MCU控制輸入與顯示模塊包括MCU、外部輸入部分及LCD顯示屏，用戶通過外部輸入部分設置掃頻范圍、步進、模式選擇，MCU根據(jù)設置控制DDS掃頻和D/A的輸出，并對電壓比較器的輸出進行處理，將結果顯示在LCD顯示屏上面。
[0008]利用所述裝置的基于比較器轉換的頻率特性測試方法，包括如下步驟:
用戶通過外部輸入設置掃頻范圍、步進、模式選擇；根據(jù)用戶的輸入MCU計算出需要測量的頻點；根據(jù)模式選擇的不同，進入幅頻特性測試模式或相頻特性測試模式；進入相應模式后，MCU控制DDS掃頻輸出每一個需要測量的頻率，并在每一個頻點上的測量相應的幅度或相位差；根據(jù)測試結果在LCD上繪制頻率特性曲線圖，顯示測量結果。
[0009]進一步地，上述測試方法中，通過電壓比較器結合所述D/A轉換器實現(xiàn)正弦波峰值檢測方法，測量輸入、輸出電壓以得到被測網(wǎng)絡的幅頻特性；采用改進的將輸入、輸出正弦波信號通過過零比較器轉化為方波并測量兩個方波邊沿時間差的方法得到被測網(wǎng)絡的相頻特性，其中，通過控制第一個方波的上升沿到時間的隨機性使得時間差t的數(shù)學期望等于實際值，多次測量時間差t并取平均以使所得時間差的值接近其數(shù)學期望，即接近時間差的實際值。
[0010]進一步地，上述測試方法中，所述正弦波峰值檢測方法包括:對由于MCU檢測邊沿變化所需最小脈寬引起的誤差通過后期修正進行校準；通過二分法查找的方式掃幅提高測量速度。
[0011]進一步地，上述測試方法中，所述對MCU檢測邊沿變化所需最小脈寬引起的誤差通過后期修正進行校準的具體校準方法為:根據(jù)正弦波周期T，測得的峰值Ul，MCU所能檢測到的最小脈沖寬度t，得到校準后的正弦波峰值為U= Ul/ Sin[(l/2-t/T)*3i]。
[0012]進一步地，上述測試方法中，所述通過二分法查找的方式掃幅提高測量速度的具體實現(xiàn)方法為:D/A轉換器先從取值范圍的中間值開始測量，若測得取值太低，D/A轉換器將中間值到最大值的區(qū)間作為新的取值范圍，若測得取值太高，D/A將最小值到中間值的區(qū)間作為新的取值范圍，繼續(xù)按照同樣的判斷方法進行二分法查找。
[0013]進一步地，上述測試方法中，所述通過二分法查找的方式掃幅具體是，D/A轉換器先從取值范圍的中間值開始測量，如出現(xiàn)下降沿說明取值太低，D/A轉換器將中間值到最大值的區(qū)間作為新的取值范圍繼續(xù)進行二分法查找，如不出現(xiàn)下降沿說明取值太高，D/A轉換器將最小值到中間值的區(qū)間作為新的取值范圍繼續(xù)進行二分法查找。
[0014]進一步地，上述測試方法中，改進的測量兩個方波邊沿時間差的方法中，所述控制第一個方波的上升沿到時間的隨機性使得時間差t的數(shù)學期望等于實際值的具體實現(xiàn)方法為:控制DDS隨機延時設定時間再開始輸出，使得上升沿到達時間服從均勻分布以使時間差的數(shù)學期望等于實際值。
[0015]以下再對本發(fā)明的原理進行說明。
[0016]頻率特性測試主要包括兩個方面的測量:幅頻特性測量和相頻特性測量，其中幅頻特性表示增益的增減同信號頻率的關系，相頻特性表示不同信號頻率下的相位畸變關系。因此，要測量一個電路的頻率特性，可以通過測量每一個頻點電路的輸入、輸出信號的電壓，以及輸入、輸出信號的相位差來實現(xiàn)。本發(fā)明通過使用電壓比較器和D/A (數(shù)模轉換器)組成的峰值檢測電路來測量輸入、輸出信號的電壓，控制DDS掃頻測量即可得到電路的幅頻特性；控制D/A輸出電壓為零，將電壓比較器變?yōu)檫^零比較器，可以將輸入輸出信號的相位差轉化為方波的上升沿或下降沿的時間差，控制DDS掃頻測得每一頻點的相位差即可得到電路的相頻特性。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果:
1.由于使用了比較器轉換的技術，不需要對正弦波本身進行采集和FFT運算，省去了高速A/D (模數(shù)轉換器)和DSP (數(shù)字信號處理器)，電路結構簡單，大大降低了成本、縮小了體積；
2.由于測量頻率的上限取決于比較器的速度，與D/A速度無關，而高速比較器本身的響應速度可以達到皮秒(10_12秒)級別的響應，因此可以在低成本的基礎上實現(xiàn)百兆頻率范圍的測量；
3.由于使用的主要器件如MCU、比較器等功耗都在50mW以下，因此系統(tǒng)整體功耗很低，可以控制在IW以下并采用電池供電方案，大大提高便攜性。
【附圖說明】
[0018]圖1為基于比較器轉換的頻率特性測試裝置示意圖。
[0019]圖2為D/A掃幅技術測量正弦波峰值的原理圖。
[0020]圖3為測量兩個正弦波相位差的原理圖。
[0021]圖4為提高時間差測量精度方法的原理圖