模擬濾波器自動測試系統的設計

郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430073)

模擬濾波器自動測試系統的設計

郝毫毫，熊俊俏 (武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430073)

以TMS320F28027 DSP處理器為控制核心，設計了濾波器測試用信號源和程控放大器，實現濾波器幅頻特性、相頻特性、平坦度、失真度、品質因數與截止頻率等測試功能，并可以通過LCD顯示測試數據與曲線。根據預置的測試指標，可自動進行濾波器的篩選，適合于一般濾波器的指標測試，也可用于濾波器生產過程的質量監測。

模擬濾波器；自動測試系統；失真度；程控放大器

模擬濾波器是具有頻率選擇性的復雜網絡，其發展越來越模塊化、專業化，如陶瓷濾波器、聲表面濾波器以及可編程濾波器等[1]，其性能往往決定了整個電子系統的性能，但濾波器種類繁多，性能指標也各不相同，給濾波器的生產測試和選擇帶來困難。目前，模擬濾波器的性能測試主要分為儀表組合的逐點測試法[2]和頻率特性測試儀測試法[3-5]，前者耗時且測量精度、指標完整性等不能滿足要求，而后者往往采用高檔的在線測試儀表組成測試網絡[3,5]，或采用數據采集卡與微機系統組成測試[4]，成本高、攜帶不方便，且大多只觀察幅度特性，而其相頻特性、通帶平坦性、Q值等并不能直接測試，且不同測試設備的組合測試也帶來了較大的測試誤差[6]，同時，目前的濾波器測試系統大多沒有考慮波形失真的影響。為此，筆者采用DSP控制，確保在一定的波形失真度條件下，以掃頻方式逐點測試濾波器的幅頻特性和相頻特性，并計算濾波器的截止頻率、品質因數和平坦度等，并可結合指定的濾波器指標，進行濾波器的質量控制和篩選。

1 系統結構與單元電路設計

圖1 系統框圖

根據模擬濾波器的測試指標，系統以TMS320F28027處理器[7]為控制核心，設計有測試信號源(DDS單元)、程控放大器、幅度采集單元、相位檢測單元等功能模塊，以及鍵盤與LCD顯示單元。其具體的系統框圖如圖1所示，DDS專用芯片AD9851產生正弦波，經過程控放大獲得需要的幅度，輸出至被測濾波器，將濾波器的輸出信號與輸入信號分別送至相位檢測電路和幅度檢測電路，由單片機處理獲得濾波器的幅頻特性、相頻特性、失真度、品質因數和平坦度等參數，所有參數可現場顯示，同時通過串口傳輸給上位機保存。

TMS320F28027為高效率32位控制器，具有60MHz時鐘頻率,擁有16×16和32×32乘法運算，以及16×16雙乘法器，為哈佛總線結構，具有快速中斷響應和處理能力；其ADC模塊是具有12位分辨率、流水線結構的模數轉換器，具有16個通道，也可以配置為2個獨立的8通道模塊，具有2個采樣保持器，分別對應于2個獨立的8通道模塊，以及多達22個GPIO(總線擴展器)。其運行速度和資源非常適合本系統的高速數據采集、運算所需。

1.1DDS信號源的設計

圖2 DDS信號源電路與濾波

圖3 程控放大電路

圖4 系統軟件流程圖

DDS信號源電路與濾波如圖2所示，通過單片機TMS320F28027輸入頻率控制字，采用DDS芯片AD9851可產生頻譜純凈、頻率可調的模擬正弦波，其頻率范圍為0～70MHz，該系統產生0～1MHz的正弦波，考慮到輸出諧波影響，后接低通濾波器，濾除高次諧波，截止頻率為2.4MHz。

1.2程控放大器的設計

程控放大器由DAC電路和程控放大器2部分構成，如圖3所示，TMS320F28027根據需要控制DAC電路產生控制電壓，控制電壓使AD603放大器的帶寬為9MHz，增益為10～50dB。DAC選用TLV5618，具有12位串行輸入雙路 DAC，建立時間僅2.5μs，具有可編程穩定時間，其參考電壓由精密基準源TL431提供，大小為2.5V。

2 系統軟件設計

如圖1所示，硬件系統采集濾波器的輸入、輸出波形，相關的濾波器參數由軟件計算獲得，具體的程序流程如圖4所示，濾波器的測試時，程序首先根據采集的數據分析濾波器的靜態噪聲，若滿足指標要求則繼續進行其他指標的測試，否則，直接判定濾波器不合格；濾波器的測試必須保證輸出波形的失真在許可的范圍內，若輸出波形失真過大，則自動減小輸入測試信號的幅度，如果失真一直過大，則判定濾波器不合格。同時，根據輸入信號頻率，確定數據采樣速率，確保在每個信號周期整數倍采樣。濾波器的頻率掃頻范圍可以根據需要通過鍵盤設置，也可根據儀器的最大掃頻范圍工作，該系統最大設定為1MHz。

2.1幅度、相位的測試

當信號頻率為fs，采樣率為mfs(m取32)，設濾波器輸入正弦波為x(n)，濾波器輸出為y(n)，忽略諧波失真，則輸入信號和輸出信號幅度分別為：

式中，N取320，即10個周期的平均，故在該頻率點下，濾波器的幅頻特性：

考慮到相移的相對性，為了區別相移的超前和滯后，在計算相位時，首先將輸入信號序列x(n)移相90°，則相頻特性為：

2.2失真度測量原理

失真度的測試分為基波剔除法和頻譜分析法，前者常應用于模擬失真度儀，由于采用陷波器結構剔除基波，且為手工操作，測量的誤差較大；后者利用頻譜分析儀測量各諧波，計算出波形失真度，其字長和譜泄漏是影響準確度的關鍵[8]。該系統是在已知輸入正弦波的條件下測試輸出信號失真度，可采用相關計算信號失真度，既克服陷波器的缺點，也克服了信號頻譜分析不足和資源開銷的缺點。

2.3截止頻率、Q值與通帶平坦度分析

1)截止頻率 通過比較頻率測試的幅頻值，獲得峰值，按峰值下降0.707對應的頻率為截止頻率fc，根據截止頻率的個數，得到濾波器的類型：1個截止頻率對應高通、低通(具體根據與中心頻率的位置關系判斷)，2個截止頻率對應帶通、帶阻(具體根據中心頻率與截止頻率的位置關系判斷)，若有3個以上的截止頻率，則判定濾波器不合格。對于帶通、帶阻濾波器，可根據2個截止頻率和峰值頻率點確定濾波器的中心頻率。

2)Q值 品質因數Q決定了濾波器的頻率分辨率，濾波器的類型不同，其定義也不同。對于帶通/帶阻濾波器，Q等于中心頻率與帶寬之比；對于有源低通/高通濾波器，Q值為通帶幅頻峰值與通帶幅頻值之比，通常Q值較小，否則易引起濾波器的自激。

3)平坦度 在通帶范圍內，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度與幅頻特性的平均值相比，越小越好。因此，在確定濾波器的通帶后，根據通帶頻率范圍內的幅頻特性計算通帶平坦度，平坦度的標定可采用平均、偏差或紋波峰-峰值來表示。

此外，濾波器還有倍頻程選擇性的指標，在截止頻率外側的過渡帶，其幅頻特性衰減的快慢決定了濾波器對通帶外頻率成分的衰減能力，即截止頻率fc與2fc(或fc/2)之間幅頻特性的衰減值。

3 系統測試及分析

圖5 四階橢圓型低通濾波器的特性測試

將該系統用于一個四階橢圓型低通濾波器的測試，濾波器的主要參數為：通帶頻率50kHz，通帶波紋1dB，阻帶頻率126kHz，阻帶衰減60dB。經過逐點測試和該系統測試，得到了如圖5所示的幅頻特性(便于比較，經過上位機處理)，曲線A為逐點測試的幅頻特性，其主要關注的是截止頻率，由于步進頻率過大，通帶的起伏不明顯，未能發現最大衰落點，且存在測量誤差，而曲線B和C分別為該系統測試的幅頻特性和相頻特性，頻率以400Hz步進，共有501組數據，比較正確反映了橢圓低通濾波器的幅頻特性和相頻特性，如幅頻特性的最大衰落、相頻特性中的劇烈跳變均被捕獲，并從中可以看出，相位劇烈變化的頻點正是幅頻特性中幅度劇烈變化的頻點，如截止頻率、最大衰落頻點和幅頻峰值頻點等。

[1]蔡理.模擬集成濾波器發展綜述[J].空軍工程大學學報，2000，1(2):91-94.

[2]白智濤.一種晶體濾波器測試系統[J].現代電子技術,2005,208(17):45-46.

[3]劉利平.基于LabVIEW的濾波器性能參數自動測試系統[EB/OL].http://www.ck365.cn/lunwen/250.html，2010-03-10.

[4]潘于,吳國安,徐勤芬.基于LabVIEW平臺的濾波器測控系統[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2004,32(12):26-27.

[5]丁毅,朱勇,曹亮,等.聲表面波濾波器自動測試軟件[J].壓電與聲光, 2004, 26(4):265-267.

[6]張華.儀器設置對濾波器測試結果的影響[J].壓電與聲光,2004,26(1):4-5，16.

[7]Ti Ltd. TMS320F28027/28026/28023/28022 /28021/28020/280200 Piccolo Microcontrollers[EB/OL]. http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/tms320f28027.html，2010-04-10.

[8]胡朝煒.數據采集設備的失真度測試方法研究[J].電子測量技術,2009,32(1):137-139，150.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.039

TP216.1

A

1673-1409(2012)01-N121-03