從取值范圍的中間值開(kāi)始測(cè)量，如出現(xiàn)下降沿說(shuō)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(shuō)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。對(duì)于10位的D/A，使用二分法需要測(cè)量的D/A數(shù)值僅為10個(gè)，在相同條件下一次掃頻測(cè)量所需的時(shí)間僅為10毫秒，該速度足以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量。
[0033]相頻特性測(cè)試模式:
此工作模式使用的硬件與幅頻特性測(cè)試模式完全相同，如圖1所示。MCU控制兩個(gè)D/A的輸出電壓為零，則兩個(gè)比較器變?yōu)檫^(guò)零比較器。此時(shí)輸入、輸出兩個(gè)正弦波都轉(zhuǎn)化為占空比為50%的方波，而它們之間的相位差則可以用兩個(gè)方波的上升沿或下降沿的時(shí)間差來(lái)表示，如圖3所示。設(shè)兩個(gè)方波上升沿的時(shí)間差為t，正弦波周期為T，則相位差可表示為:Θ =t/T*2 Ji。要測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波上升沿的時(shí)間差，可以使用MCU的定時(shí)器，讓定時(shí)器以固定的頻率&計(jì)數(shù)，在第一個(gè)方波上升沿到來(lái)時(shí)讀取定時(shí)器中計(jì)數(shù)器的數(shù)值Cl，在第二個(gè)方波的上升沿到來(lái)時(shí)在讀取計(jì)數(shù)器的數(shù)值為c2，則兩個(gè)方波上升沿的時(shí)間差t= (W-ClVftl，由此即可得到兩個(gè)正弦波的相位差。通過(guò)控制DDS掃頻，測(cè)得每一頻點(diǎn)的相位差，即可得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的相頻特性。
[0034]以此方法測(cè)得的相位差精度主要受到定時(shí)器分辨率的限制，定時(shí)器的工作頻率越高，分辨率就越高，測(cè)得的時(shí)間差t就越準(zhǔn)確。若定時(shí)器的工作頻率為72MHz，正弦波頻率為1MHz，相位差為90度，則測(cè)得的時(shí)間差t誤差約為5%，誤差較大。為了提高測(cè)量精度，可以采用下面的方法:如圖4，在定時(shí)器的計(jì)數(shù)改變到第一個(gè)方波的上升沿到來(lái)之間有一段時(shí)間h，控制DDS隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間再開(kāi)始輸出，使得這段時(shí)間^的長(zhǎng)度是隨機(jī)的，范圍從O到定時(shí)器的一個(gè)Clock周期，則對(duì)于同一段時(shí)間差t，由于h的不同，測(cè)得的差值c2-cl也有可能不同。
[0035]例如，以定時(shí)器的Clock周期Tm為單位，設(shè)實(shí)際時(shí)間差t為5.7個(gè)周期，那么根據(jù)h的不同，測(cè)得的時(shí)間差取值為5或6個(gè)周期，當(dāng)t !>0.3*Τακ時(shí)，測(cè)得的時(shí)間差為6個(gè)周期，當(dāng)t^0.3*Τακ時(shí)，測(cè)得的時(shí)間差為5個(gè)周期。由于t Jg從均勻分布，因此t !< 0.3*Τακ出現(xiàn)的概率為0.3，ti> 0.3*Τακ出現(xiàn)的概率為0.7，兩個(gè)值出現(xiàn)的概率是固定的，即30%的概率測(cè)得5個(gè)周期，70%的概率測(cè)得6個(gè)周期，因此，其數(shù)學(xué)期望Ε=5*30%+6*70%=5.7，正是實(shí)際時(shí)間差的值。
[0036]根據(jù)以上的原理，每次測(cè)量時(shí)間差之前控制DDS隨機(jī)延時(shí)一段時(shí)間再開(kāi)始輸出，只要多次測(cè)量時(shí)間差t，并將測(cè)得的值取平均，便能使所得的值接近實(shí)際值。
[0037]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明所公開(kāi)的一種基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法與裝置可以在不脫離本
【發(fā)明內(nèi)容】
框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種改進(jìn)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書(shū)的內(nèi)容確定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試裝置，其特征在于包括頻率特性測(cè)量模塊、信號(hào)源發(fā)生模塊、MCU控制輸入與顯示模塊；所述頻率特性測(cè)量模塊由兩組D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成，分別用于測(cè)量被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出信號(hào)，電壓比較器負(fù)責(zé)將所測(cè)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，D/A轉(zhuǎn)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(gè)輸入端；所述信號(hào)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(guò)功率放大器的放大后接入被測(cè)網(wǎng)絡(luò)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(guò)外部輸入部分設(shè)置掃頻范圍、步進(jìn)、模式選擇，MCU根據(jù)設(shè)置控制DDS掃頻和D/A的輸出，并對(duì)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。
2.利用權(quán)利要求所述裝置的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于: 用戶通過(guò)外部輸入設(shè)置掃頻范圍、步進(jìn)、模式選擇；根據(jù)用戶的輸入MCU計(jì)算出需要測(cè)量的頻點(diǎn)；根據(jù)模式選擇的不同，進(jìn)入幅頻特性測(cè)試模式或相頻特性測(cè)試模式；進(jìn)入相應(yīng)模式后，MCU控制DDS掃頻輸出每一個(gè)需要測(cè)量的頻率，并在每一個(gè)頻點(diǎn)上的測(cè)量相應(yīng)的幅度或相位差；根據(jù)測(cè)試結(jié)果在LCD上繪制頻率特性曲線圖，顯示測(cè)量結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于，通過(guò)電壓比較器結(jié)合所述D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)正弦波峰值檢測(cè)方法，測(cè)量輸入、輸出電壓以得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性；采用改進(jìn)的將輸入、輸出正弦波信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較器轉(zhuǎn)化為方波并測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波邊沿時(shí)間差的方法得到被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的相頻特性，其中，通過(guò)控制第一個(gè)方波的上升沿到時(shí)間的隨機(jī)性使得時(shí)間差t的數(shù)學(xué)期望等于實(shí)際值，多次測(cè)量時(shí)間差t并取平均以使所得時(shí)間差的值接近其數(shù)學(xué)期望，即接近時(shí)間差的實(shí)際值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于，所述正弦波峰值檢測(cè)方法包括:對(duì)由于MCU檢測(cè)邊沿變化所需最小脈寬引起的誤差通過(guò)后期修正進(jìn)行校準(zhǔn)；通過(guò)二分法查找的方式掃幅提高測(cè)量速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于，所述對(duì)MCU檢測(cè)邊沿變化所需最小脈寬引起的誤差通過(guò)后期修正進(jìn)行校準(zhǔn)的具體校準(zhǔn)方法為:根據(jù)正弦波周期T，測(cè)得的峰值U1，MCU所能檢測(cè)到的最小脈沖寬度t，得到校準(zhǔn)后的正弦波峰值為 U= Ul/ sin[(l/2-t/T)*3i]o
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于，所述通過(guò)二分法查找的方式掃幅提高測(cè)量速度的具體實(shí)現(xiàn)方法為:D/A轉(zhuǎn)換器先從取值范圍的中間值開(kāi)始測(cè)量，若測(cè)得取值太低，D/A轉(zhuǎn)換器將中間值到最大值的區(qū)間作為新的取值范圍，若測(cè)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(jìn)行二分法查找。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于所述通過(guò)二分法查找的方式掃幅具體是，D/A轉(zhuǎn)換器先從取值范圍的中間值開(kāi)始測(cè)量，如出現(xiàn)下降沿說(shuō)明取值太低，D/A轉(zhuǎn)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(jìn)行二分法查找，如不出現(xiàn)下降沿說(shuō)明取值太高，D/A轉(zhuǎn)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(jìn)行二分法查找。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法，其特征在于改進(jìn)的測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波邊沿時(shí)間差的方法中，所述控制第一個(gè)方波的上升沿到時(shí)間的隨機(jī)性使得時(shí)間差t的數(shù)學(xué)期望等于實(shí)際值的具體實(shí)現(xiàn)方法為:控制DDS隨機(jī)延時(shí)設(shè)定時(shí)間再開(kāi)始輸出，使得上升沿到達(dá)時(shí)間服從均勻分布以使時(shí)間差的數(shù)學(xué)期望等于實(shí)際值。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于比較器轉(zhuǎn)換的頻率特性測(cè)試方法與裝置。所述裝置包括頻率特性測(cè)量模塊、信號(hào)源發(fā)生模塊、MCU控制輸入與顯示模塊；所述頻率特性測(cè)量模塊由兩組D/A轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。所述方法：將被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號(hào)通過(guò)由D/A控制的比較器轉(zhuǎn)化為方波，結(jié)合D/A掃幅技術(shù)測(cè)量信號(hào)峰值而得到幅頻特性，經(jīng)過(guò)零比較器轉(zhuǎn)換并測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波上升沿時(shí)間差而得到相頻特性。與傳統(tǒng)的方法掃頻儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀相比，本發(fā)明具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要使用高速AD轉(zhuǎn)化器，且頻率上限不受處理器和AD轉(zhuǎn)化器的影響、低功耗、便攜式、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于工業(yè)設(shè)計(jì)中電路頻率特性的測(cè)量。
【IPC分類】G01R23-16
【公開(kāi)號(hào)】CN104808056
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510184239
【發(fā)明人】馬碧云, 葉坤林, 袁智鵬, 王靖
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年4月19日