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基于NI采集卡和LabVIEW设计的滤波器测量装置

作者:鹿文龙(陕西电器研究所 陕西西安710075)时间:2022-03-03来源:电子产品世界收藏
编者按:传感器设计时为了满足输出信号的频率响应要求,需要设计高阶滤波器对信号进行滤波处理。由于实际生产中器件存在误差等原因,需要测试滤波器的频率响应特性,以确定具体参数是否满足要求。本文基于LabVIEW和NI高速采集卡设计出高频滤波器测量装置,可实现自动测量和批量测试,对传感器批量生产具有重要意义。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202203/431653.htm

1   概述

在传感器信号调理电路或者其他信号电路设计过程中,受应用场景或电磁环境的限制,需要电路满足一定的频率响应要求。比如测量较高频率的压力传感器需要设计低通滤波器,对通带频率、带内波动和带外衰减有严格限制。实际生产中,由于电阻阻值和电容容值存在误差、放大器存在失调电压等原因,滤波的实际参数与设计值存在偏差。传统方法使用信号源和示波器在不同频率下逐个测试,存在测试效率低、易受干扰、测量精度低等缺点。本文基于(一款图文编程平台)和NI(美国国家仪器公司)高速采集卡设计出一款参数可调、可自动扫频、自动计算的滤波器测量装置,并可实现多路同步测量。

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图1 sallen-key 8阶低通滤波器原理图

2   传感器滤波器设计

传感器的滤波器分为无源滤波器和有源滤波器,无源滤波器是通过电阻或电感与电容组成滤波电路,形成对一定频率高次谐波的吸收通道,从而实现滤波作用。无源滤波器结构简单,但是精度不高,而且滤波效果有限。有源滤波器是基于运算放大器和阻容元件设计的滤波器,有源滤波器可以补充主电路的谐波,并可克服无源滤波器的谐波抑制和无功补偿的缺点。

以压力传感器为例,在测量较高频率的压力信号时,为了消除测量频率以外的杂波信号的干扰,同时保证测量频带范围内有效信号的稳定性,需要设计低通滤波器对传感器进行滤波。比如要求通带截止频率为1 kHz,通带范围内的信号不平度小于1 dB,而阻带频率不大于5 kHz,阻带信号衰减不小于-40 dB。显然普通的无源滤波器无法满足指标要求,需要设计高阶有源滤波器。

基于以上指标设计出的有源如图1 所示。设计的滤波器由4 只运算放大器和阻容元件组成,每只运算放大器构成一个2 阶低通滤波电路,共同组成一个8 阶低通滤波器。该滤波器属于巴特沃兹型sallenkey式[1],图2 为该滤波器的幅频和相频曲线。从图中可以看出该滤波器通带内频响曲线平坦,阻带曲线迅速下降,具有巴特沃兹滤波器的典型特征。

该滤波器是基于理想运算放大器模型和理想阻容值得到的[2],其频率响应曲线非常理想。实际中为了减小偏差,选择较高精度的阻容器件和高精度的运算放大器。电阻选择较高精度的E192 系列电阻,电容选择E12 系列电容,运算放大器选择OPA4228。OPA4228 是一款四路高精度低噪声运算放大器,工作电流3.7 mA,噪声小于3 nV/Hz,温漂小于0.3 uV/℃。基于实际元器件搭建的8 阶低通滤波器如图3 所示,通过仿真获得该滤波器的幅频特性曲线[3]如图4 所示。从图4 可以看出该滤波器在1 kHz 处衰减为-3.03 dB,5 kHz 处衰减频率为-111.88 dB,满足通带截止频率1 kHz,阻带衰减大于-40 dB 的要求。

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图2 8阶低通滤波器频率响应曲线图

3   滤波器测试

在实际生产中,电阻、电容都存在阻值和容值偏差,E192 系列电阻偏差为0.5%,E12 系列电容偏差为10%,而且放大器也存在一定的失调电压,电路板存在耦合电容、分布电容等原因,高阶滤波器的频率特性与仿真情况会有一定偏差。因此需要对滤波器进行实际测试,满足指标要求的方可用于产品。传统的测试方法如图5 所示,由信号发生器产生一定频率的正弦波信号注入滤波器电路板,通过示波器两个通道分别测试注入信号和滤波器输出信号的幅值,然后按照公式(1)计算得到测试频率点的信号衰减dB 值。该方法只能通过手动调节信号发生器输出频率来测量不同频率下滤波器的响应,无法测量所有频率点,只能挑选个别点进行验证。这种方法的测量效率低,可测频率点受限,测量准确性不高。

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图3 8阶低通滤波器频率响应曲线图

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(注:dB 为信号衰减率,Ai 为注入信号幅值,Ao为输出信号幅值)

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图4 Tina仿真幅频特性曲线图

4   

NI 推出的高速采集卡具有集成式信号调理功能,可同时输出、采集多路模拟电压信号,可通过USB 与上位机连接。并可通过NI 的图形编辑软件设置操作NIDAQmx驱动, 实现针对性测试。

该高阶滤波器自动测量装置选择NI 的USB(通用串行总线)-6281 型数据采集卡,采样位数18 位,16 路差分信号输入,采样范围-5 V ~ +5 V,数据采集速度500 kS/s,单路采样频率高于60 kHz,采样精度0.05%,可同时配置为信号发生器和信号采集器。

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图5 传统滤波器测试实物图

5   滤波器自动测量装置设计

基于LabVIEW 设计高阶滤波器自动测量装置的信号发生器部分设计如图6 所示。该模块可以将采集卡固定通道配置为正弦信号发生器。其输出幅值和输出频率均可通过软件设置。

信号采集部分如图7 所示,将采集卡的输入通道配置为模拟电压信号采集方式,对采样方式、采样频率、采样点数都可进行配置。该部分通过输出控件显示采样结果,并可对采集通道进行多路配置实现多路信号同时测量。

设计中还可以将软件设置为连续扫频模式,由自动变量在规定频率范围内自增,同步采集并记录数据,然后由计算单元对测量数据进行分析,最后将计算结果显示在用户界面。测试人员可以方便地得到带内不平度、带外衰减、通带截止频率、阻带频率等有效数据,并可以通过指示灯的颜色判断是否合格。软件的扫频单元和计算单元如图8、图9 所示。

软件的操作界面简洁明了,便于测试人员使用,如图10 所示。

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图6 信号发生器软件设计结构

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图7 信号采集器软件设计图

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图8 扫频单元图

6   多路

如图11 所示,通过数字稳压源同时为多个高阶滤波器供电,将采集卡的信号发生器通道注入高阶滤波器的信号输入端,各滤波器的信号输出端分别接至采集卡的各信号采集通道,通过采集软件自动扫频测量,同时得到多块滤波器的测试结果[4-5]。从而实现了对多个高阶滤波器的,提高了测试效率。

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图9数据计算处理单元图

7   结论

本文提出的高阶滤波器测量装置,可以通过软件自动测量滤波器的多个参数,通过配置可以同步多路测量。相对于传统的测量方式,提高了滤波器的测量自动化程度和测量效率。对提高滤波器和传感器的测试和批量生产具有重要意义。

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图10操作软件界面图

参考文献:

[1] 李钟慎,洪健.基于改进型Butterworth传递函数的高阶低通滤波器的有源设计[J].电子测量与仪器学报,2008,22(1).86-89.

[2] 曾喆昭,李仁发.高阶带通滤波器设计研究[J].通信学报,2001,22(10).99-103.

[3] 肖有平,胡霞.高阶椭圆滤波器的设计与仿真[J].电子测量技术,2007,30(3).147-150.

[4] 李红刚,张素萍. 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J].国外电子测量技术,2014,33(4).62-67.

[5] 梁志超.通用多通道数据采集系统的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学学报,2010.

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(本文来源于《电子产品世界》杂志2022年2月期)



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