。
[0022]圖5為頻率特性測試方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。
[0024]如圖1，基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測試裝置，主要包括頻率特性測量模塊、信號源發(fā)生模塊、MCU (微控制單元)控制輸入與顯示模塊。所述頻率特性測量模塊由D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成，兩者皆為雙份，分別用于測量被測網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號，電壓比較器負(fù)責(zé)將所測的正弦波轉(zhuǎn)化為方波，將正弦波的幅度和相位信息轉(zhuǎn)換為方波的數(shù)字信息再送入MCU進(jìn)行處理(處理方法見下面的具體步驟)，D/A轉(zhuǎn)換器由MCU控制，作為電壓比較器的參考電壓接入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DDS (直接數(shù)字式頻率合成器)和功率放大器組成，DDS由MCU控制，輸出經(jīng)過功率放大器的放大后接入被測網(wǎng)絡(luò)的輸入端；所述MCU控制輸入與顯示模塊由MCU控制器、外部輸入部分及LCD顯示屏組成，用戶通過外部輸入設(shè)置掃頻范圍、步進(jìn)、模式選擇等，MCU根據(jù)設(shè)置控制DDS掃頻和D/A的輸出，并對電壓比較器的輸出進(jìn)行處理，將結(jié)果顯示在LCD顯示屏上面。
[0025]本發(fā)明提出的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測試方法包括以下步驟:
1.用戶通過外部輸入設(shè)置掃頻范圍、步進(jìn)、模式選擇等；
2.根據(jù)用戶的輸入MCU計(jì)算出需要測量的頻點(diǎn)；
3.根據(jù)模式選擇的不同，系統(tǒng)進(jìn)入幅頻特性測試模式或相頻特性測試模式:
4.進(jìn)入相應(yīng)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(diǎn)上的測量相應(yīng)的幅度或相位差；
5.根據(jù)測試結(jié)果在LCD上繪制頻率特性曲線圖，顯示測量結(jié)果。
[0026]其中，幅頻特性測試模式具體步驟如下:
1.對于每一個需要測量的頻點(diǎn)，MCU控制DDS輸出相應(yīng)的頻率，經(jīng)過功率放大器的放大后接入被測網(wǎng)絡(luò)。被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號經(jīng)過比較器被轉(zhuǎn)換相應(yīng)方波，送入MCU中；
2.MCU控制D/A進(jìn)行掃幅，當(dāng)D/A的幅度剛好等于正弦波的峰值時會在比較器的輸出端產(chǎn)生一個下降沿，因此當(dāng)比較器剛好出現(xiàn)下降沿時D/A的輸出電壓值就是所測正弦波的峰值，以此方法便可測得被測網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端正弦波的幅度，也就獲得了在這一頻點(diǎn)的增益Av ；
3.MCU只有在低電平持續(xù)一定時間后，才能檢測到下降沿，具體時間與所用的MCU工藝有關(guān)。因此，當(dāng)MCU檢測到下降沿時，D/A的輸出幅度并不是剛好等于正弦波的峰值，而是略小于正弦波的峰值。為了減小誤差，需要對測量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，若測得的幅度為U1,正弦波周期為T，MCU所能檢測到的最小脈沖寬度為t，則校準(zhǔn)后的幅度應(yīng)該為U= U1/
sin[(l/2-t/T)*Ji ]；
4.為了提高測量速度，D/A掃幅的方式為二分法掃幅，即D/A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將中間值到最大值的區(qū)間作為新的取值范圍繼續(xù)進(jìn)行二分法查找，如不出現(xiàn)下降沿說明取值太高，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)進(jìn)行二分法查找，以此類推；
5.MCU控制DDS進(jìn)行掃頻，測得每一頻點(diǎn)的增益，即可獲得被測網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性曲線。
[0027]相頻特性測試模式具體步驟如下:
1.與幅頻特性測量相同，對于每一個需要測量的頻點(diǎn)，MCU控制DDS輸出相應(yīng)的頻率，經(jīng)過功率放大器放大后接入被測網(wǎng)絡(luò)。被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號經(jīng)過比較器被轉(zhuǎn)換相應(yīng)方波，送入MCU中；
2.MCU控制D/A輸出電壓為零，使比較器工作在過零比較狀態(tài)，輸出占空比為50%的方波；
3.經(jīng)過過零比較器后，正弦波的相位差信息轉(zhuǎn)化為兩個方波的上升沿或下降沿的時間差，MCU通過定時器捕獲兩個方波上升沿，根據(jù)定時器的值即可計(jì)算出時間差，結(jié)合當(dāng)前頻率，即可得到輸入、輸出正弦波的相位差；
4.MCU的測量精度主要受定時器的工作頻率限制，為了提高測量精度，根據(jù)上升沿到達(dá)時間服從O到一個時鐘周期的均勻分布時，時間差的數(shù)學(xué)期望等于實(shí)際值的原理，每次測量時間差前控制DDS隨機(jī)延時一段時間再開始輸出，使得上升沿到達(dá)時間服從均勻分布以使時間差的數(shù)學(xué)期望等于實(shí)際值，測量多次時間差取平均值可使其接近數(shù)學(xué)期望，即接近實(shí)際值；
5.MCU控制DDS進(jìn)行掃頻，測得每一頻點(diǎn)的相位差，即可獲得被測網(wǎng)絡(luò)的相頻特性曲線以下再結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行說明。圖5為整體流程圖。首先，用戶通過外部輸入設(shè)置掃頻的的上下限?\、f2和步進(jìn)f (!，并選擇需要的工作模式:幅頻特性測試模式和相頻特性測試模式。MCU根據(jù)用戶的設(shè)置進(jìn)入相應(yīng)的模式，并控制DDS從開始以G為步進(jìn)掃頻，在每一個頻點(diǎn)上，根據(jù)工作模式的不同測量相應(yīng)的數(shù)值，對于幅頻特性測試模式測量的是被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出電壓U1' U2，得到相應(yīng)的增益為:Av= % +仏對于相頻特性測試模式測量的是兩個方波上升沿的時間差t，結(jié)合當(dāng)前所測頻率f，可以得到相應(yīng)的相位差為:0 =t*f*2 31。DDS掃頻到最高頻率f2以后，將所得的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的頻率結(jié)合繪制成頻率特性曲線圖即可。
[0028]幅頻特性測試模式:
參照圖1的裝置結(jié)構(gòu)圖所示，首先將被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出端分別接到一個電壓比較器的端，在比較器的“ + ”端接上一個由MCU控制的D/A作為參考電壓，則系統(tǒng)構(gòu)成一個峰值檢測電路。MCU控制D/A進(jìn)行掃幅，當(dāng)D/A輸出的電壓幅度大于正弦波的峰值時，比較器輸出為高電平；當(dāng)D/A輸出的電壓幅度小于或等于正弦波的峰值時，參照圖2，比較器輸出會出現(xiàn)下降沿，D/A的電壓幅度越小，低電平維持的時間越長。因此，當(dāng)D/A的電壓幅度降低到剛好等于正弦波的峰值時，比較器會輸出一個極短的低電平脈沖，當(dāng)MCU檢測到這個脈沖時，說明此時D/A的電壓值就是正弦波的峰值，通過這個方法即可測得被測網(wǎng)絡(luò)兩端的電壓幅度，從而計(jì)算出在當(dāng)前頻率下的電壓增益。
[0029]由圖2可以看到，此方法在測量幅度時有一定誤差。MCU只有在低電平持續(xù)一定時間后，才能檢測到下降沿，具體時間與所用的MCU工藝有關(guān)，例如STM32能檢測到的最小脈寬為10ns。因此，當(dāng)MCU檢測到下降沿時，D/A的輸出幅度并不是剛好等于正弦波的峰值，而是略小于正弦波的峰值。
[0030]假設(shè)，正弦波周期為T，峰值為U，MCU所能檢測到的最小脈沖寬度為t，則MCU最后所測得的幅度為U*sin[ (l/2-t/T) * ]。若所測正弦波頻率為10MHz，MCU所能檢測的最小脈寬為10ns，則測得的幅度為0.95U，誤差為5%。為了減小誤差，需要對測量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，若測得的幅度為U1,則校準(zhǔn)后的幅度應(yīng)該為U=U1Ain [(1/2-t/T)* ]。
[0031]消除了這個誤差后，主要的測量誤差為D/A的精度和電壓比較器的輸入失調(diào)電壓(Offset Voltage)，若選用12位D/A輸出精度為lmV，電壓比較器的輸入失調(diào)電壓最大值為4mV，只要選取合適的芯片并結(jié)合外圍電路，對于峰值為IV左右的被測信號，可以將誤差控制在0.5%以下，足以滿足實(shí)際要求。
[0032]關(guān)于D/A的掃幅方式，最簡單的實(shí)現(xiàn)方式是從高到低掃幅，第一次出現(xiàn)下降沿時的D/A幅值就是所測的峰值。但是，每次D/A幅值改變都需要一點(diǎn)時間，加上等待下降沿所需的時間，每個D/A數(shù)值的測量都需要不少時間。若使用的D/A為10位，則需要測量的D/A數(shù)值有2~ 10=1024個，每個D/A數(shù)值測量的時間為5us，測量的頻點(diǎn)為200個，則一次掃頻測量所需的時間約為I秒，速度太慢，無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量。為了提高測量速度，D/A的掃幅方式可采用二分法查找，即D/A先