基于NI采集卡和LabVIEW設(shè)計(jì)的濾波器測(cè)量裝置

1   概述

在傳感器信號(hào)調(diào)理電路或者其他信號(hào)電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，受應(yīng)用場(chǎng)景或電磁環(huán)境的限制，需要電路滿(mǎn)足一定的頻率響應(yīng)要求。比如測(cè)量較高頻率的壓力傳感器需要設(shè)計(jì)低通濾波器，對(duì)通帶頻率、帶內(nèi)波動(dòng)和帶外衰減有嚴(yán)格限制。實(shí)際生產(chǎn)中，由于電阻阻值和電容容值存在誤差、放大器存在失調(diào)電壓等原因，濾波的實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)值存在偏差。傳統(tǒng)方法使用信號(hào)源和示波器在不同頻率下逐個(gè)測(cè)試，存在測(cè)試效率低、易受干擾、測(cè)量精度低等缺點(diǎn)。本文基于LabVIEW（一款圖文編程平臺(tái)）和NI（美國(guó)國(guó)家儀器公司）高速采集卡設(shè)計(jì)出一款參數(shù)可調(diào)、可自動(dòng)掃頻、自動(dòng)計(jì)算的濾波器測(cè)量裝置，并可實(shí)現(xiàn)多路同步測(cè)量。

2   傳感器濾波器設(shè)計(jì)

傳感器的濾波器分為無(wú)源濾波器和有源濾波器，無(wú)源濾波器是通過(guò)電阻或電感與電容組成濾波電路，形成對(duì)一定頻率高次諧波的吸收通道，從而實(shí)現(xiàn)濾波作用。無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是精度不高，而且濾波效果有限。有源濾波器是基于運(yùn)算放大器和阻容元件設(shè)計(jì)的濾波器，有源濾波器可以補(bǔ)充主電路的諧波，并可克服無(wú)源濾波器的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。

以壓力傳感器為例，在測(cè)量較高頻率的壓力信號(hào)時(shí)，為了消除測(cè)量頻率以外的雜波信號(hào)的干擾，同時(shí)保證測(cè)量頻帶范圍內(nèi)有效信號(hào)的穩(wěn)定性，需要設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)傳感器進(jìn)行濾波。比如要求通帶截止頻率為1 kHz，通帶范圍內(nèi)的信號(hào)不平度小于1 dB，而阻帶頻率不大于5 kHz，阻帶信號(hào)衰減不小于-40 dB。顯然普通的無(wú)源濾波器無(wú)法滿(mǎn)足指標(biāo)要求，需要設(shè)計(jì)高階有源濾波器。

基于以上指標(biāo)設(shè)計(jì)出的有源高階濾波器如圖1 所示。設(shè)計(jì)的濾波器由4 只運(yùn)算放大器和阻容元件組成，每只運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)2 階低通濾波電路，共同組成一個(gè)8 階低通濾波器。該濾波器屬于巴特沃茲型sallenkey式高階濾波器^[1]，圖2 為該濾波器的幅頻和相頻曲線。從圖中可以看出該濾波器通帶內(nèi)頻響曲線平坦，阻帶曲線迅速下降，具有巴特沃茲濾波器的典型特征。

圖1 sallen-key 8階低通濾波器原理圖

圖2 8階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線圖

該濾波器是基于理想運(yùn)算放大器模型和理想阻容值得到的高階濾波器^[2]，其頻率響應(yīng)曲線非常理想。實(shí)際中為了減小偏差，選擇較高精度的阻容器件和高精度的運(yùn)算放大器。電阻選擇較高精度的E192 系列電阻，電容選擇E12 系列電容，運(yùn)算放大器選擇OPA4228。OPA4228 是一款四路高精度低噪聲運(yùn)算放大器，工作電流3.7 mA，噪聲小于3 nV/Hz，溫漂小于0.3 uV/℃?；趯?shí)際元器件搭建的8 階低通濾波器如圖3 所示，通過(guò)仿真獲得該濾波器的幅頻特性曲線^[3]如圖4 所示。從圖4 可以看出該濾波器在1 kHz 處衰減為-3.03 dB，5 kHz 處衰減頻率為-111.88 dB，滿(mǎn)足通帶截止頻率1 kHz，阻帶衰減大于-40 dB 的要求。

圖3 8階低通濾波器頻率響應(yīng)曲線圖

圖4 Tina仿真幅頻特性曲線圖

3   濾波器測(cè)試

在實(shí)際生產(chǎn)中，電阻、電容都存在阻值和容值偏差，E192 系列電阻偏差為0.5%，E12 系列電容偏差為10%，而且放大器也存在一定的失調(diào)電壓，電路板存在耦合電容、分布電容等原因，高階濾波器的頻率特性與仿真情況會(huì)有一定偏差。因此需要對(duì)濾波器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，滿(mǎn)足指標(biāo)要求的方可用于產(chǎn)品。傳統(tǒng)的測(cè)試方法如圖5 所示，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率的正弦波信號(hào)注入濾波器電路板，通過(guò)示波器兩個(gè)通道分別測(cè)試注入信號(hào)和濾波器輸出信號(hào)的幅值，然后按照公式（1）計(jì)算得到測(cè)試頻率點(diǎn)的信號(hào)衰減dB 值。該方法只能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率來(lái)測(cè)量不同頻率下濾波器的響應(yīng)，無(wú)法測(cè)量所有頻率點(diǎn)，只能挑選個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。這種方法的測(cè)量效率低，可測(cè)頻率點(diǎn)受限，測(cè)量準(zhǔn)確性不高。

（注：dB 為信號(hào)衰減率，Ai 為注入信號(hào)幅值，Ao為輸出信號(hào)幅值）

4   LabVIEW和NI高速采集卡

NI 推出的高速采集卡具有集成式信號(hào)調(diào)理功能，可同時(shí)輸出、采集多路模擬電壓信號(hào)，可通過(guò)USB 與上位機(jī)連接。并可通過(guò)NI 的LabVIEW圖形編輯軟件設(shè)置操作NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)針對(duì)性測(cè)試。

該高階濾波器自動(dòng)測(cè)量裝置選擇NI 的USB（通用串行總線）-6281 型數(shù)據(jù)采集卡，采樣位數(shù)18 位，16 路差分信號(hào)輸入，采樣范圍-5 V ～ +5 V，數(shù)據(jù)采集速度500 kS/s，單路采樣頻率高于60 kHz，采樣精度0.05%，可同時(shí)配置為信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)采集器。

圖5 傳統(tǒng)濾波器測(cè)試實(shí)物圖

5   濾波器自動(dòng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 設(shè)計(jì)高階濾波器自動(dòng)測(cè)量裝置的信號(hào)發(fā)生器部分設(shè)計(jì)如圖6 所示。該模塊可以將采集卡固定通道配置為正弦信號(hào)發(fā)生器。其輸出幅值和輸出頻率均可通過(guò)軟件設(shè)置。

圖6 信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

信號(hào)采集部分如圖7 所示，將采集卡的輸入通道配置為模擬電壓信號(hào)采集方式，對(duì)采樣方式、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)都可進(jìn)行配置。該部分通過(guò)輸出控件顯示采樣結(jié)果，并可對(duì)采集通道進(jìn)行多路配置實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)同時(shí)測(cè)量。

圖7 信號(hào)采集器軟件設(shè)計(jì)圖

設(shè)計(jì)中還可以將軟件設(shè)置為連續(xù)掃頻模式，由自動(dòng)變量在規(guī)定頻率范圍內(nèi)自增，同步采集并記錄數(shù)據(jù)，然后由計(jì)算單元對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后將計(jì)算結(jié)果顯示在用戶(hù)界面。測(cè)試人員可以方便地得到帶內(nèi)不平度、帶外衰減、通帶截止頻率、阻帶頻率等有效數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)指示燈的顏色判斷是否合格。軟件的掃頻單元和計(jì)算單元如圖8、圖9 所示。

圖8 掃頻單元圖

圖9數(shù)據(jù)計(jì)算處理單元圖

軟件的操作界面簡(jiǎn)潔明了，便于測(cè)試人員使用，如圖10 所示。

圖10操作軟件界面圖

6   多路批量測(cè)試

如圖11 所示，通過(guò)數(shù)字穩(wěn)壓源同時(shí)為多個(gè)高階濾波器供電，將采集卡的信號(hào)發(fā)生器通道注入高階濾波器的信號(hào)輸入端，各濾波器的信號(hào)輸出端分別接至采集卡的各信號(hào)采集通道，通過(guò)采集軟件自動(dòng)掃頻測(cè)量，同時(shí)得到多塊濾波器的測(cè)試結(jié)果^[4-5]。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)高階濾波器的批量測(cè)試，提高了測(cè)試效率。

7   結(jié)論

本文提出的高階濾波器測(cè)量裝置，可以通過(guò)軟件自動(dòng)測(cè)量濾波器的多個(gè)參數(shù)，通過(guò)配置可以同步多路測(cè)量。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方式，提高了濾波器的測(cè)量自動(dòng)化程度和測(cè)量效率。對(duì)提高濾波器和傳感器的測(cè)試和批量生產(chǎn)具有重要意義。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）