基本信息
- 项目名称：
- 正弦波信号失真度数字化测量系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本测量系统根据正弦信号谐波失真度及频谱分析的理论,设计了以单片机和FPGA为核心，以快速傅里叶变换（FFT）为主要分析工具的失真度测量系统。完成了对输入正弦信号总功率的测量和功率谱分析，最终在液晶显示器显示失真度测试结果。系统分为三大部分：数据采集、数据分析以及数据输出，控制部分和数据处理部分由高性能单片机F020和高速逻辑器件FPGA共同承担完成。
- 详细介绍：
- 本测量系统根据正弦信号谐波失真度及频谱分析的理论,设计了以单片机和FPGA为核心，以快速傅里叶变换（FFT）为主要分析工具的失真度测量系统。通过数据采集后的全数字化处理，完成了对输入正弦信号总功率的测量和功率谱分析，被测信号的电压、频率、失真全部由LCD自动显示；采用真有效值检波，可在5mV至30V电压测量范围内实现全自动测量，测量带宽可达20kHz，失真度测量范围为90%～0.05%；在失真度测量方式时实现了宽范围校准；为了提高测量精度，采用频率自动跟踪，不需要相位调节和平衡调节，设置了自动清零功能，避免人工设置的麻烦。本测量系统高度数字化，具有可靠性强、精度高、易调试、人机界面友好等特点。可应用于电子电路系统的质量、参数、技术指标测试，属高端技术产品。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 在低频和超低频标准波形的测试和计量中、以及电力系统和其它要求检测信号波形纯正性时，均需要测量波形的失真度。失真度测试仪就是一种用于测量信号失真度的仪器,在电子产品的生产和检测中有着广泛的应用。目前，市场上现有的失真度测试系统仍以模拟测试为主，数字化测试系统价格昂贵。开发性价比高的数字化失真度测试系统有着重要意义和市场前景。 本系统旨在实现高精度失真度测试，具有高性能、高可靠性、低成本、易操作等特点；技术关键在于完全数字化的测量体系；主要的技术指标为测试精度、信号带宽、信号幅度范围、智能化程度等。被测信号的电压、频率、失真全部由LCD自动显示，采用真有效值检波，可在5mV至30V电压测量范围内实现全自动测量，测量带宽可达20kHz，失真度测量范围为90%～0.05%。
科学性、先进性
- 1、具有较高的精度。利用基于FFT失真度分析程序测量失真度具有较高的精度，完全满足一般实验中波形失真度的测量要求。 2、程序采用了FFT分析算法，液晶显示后并可在PC机上显示结果，人机界面良好。 3、方便数据的保存和便于与计算机互联。数字失真仪的中间数据及最后结果均已数字化,易于实现计算机的互联和数据的保存。 4、电路扩展性良好。利用模拟技术生产的失真仪只能测量信号的总失真,无法单独测量2 次、3次、4 次以及5 次谐波的失真,而数字失真仪只用一套电路便可测量2~5次谐波,并可单独显示各次谐波的失真以及总失真。并且可以根据需要,只需增加取样频率即可测量更高次的谐波，具有扩展性。
获奖情况及鉴定结果
- 本项目为2008年湖南省大学生研究性学习和创新性计划课题。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物样品，现场测试
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本系统提供了良好的人机接口，支持可视菜单操作。使用简便。 被测试信号在信号输入端口输入，输入范围5mV至30V，测试中液晶直接显示出该信号的失真度，用户无需繁琐的仪器调节。 本测量系统高度数字化，具有可靠性强、高精度、易调试、人机界面良好等特点。应用于电子电路系统的质量、参数、技术指标测试，测量带宽可达20kHz，属高端技术产品。 在国内，市面上已有数字化失真度测量仪，如KH4116就是一台数字化失真度测量仪。虽然该仪器是数字化仪器，但从原理上讲只能算得上半数字化仪器，其测量核心还是模拟的。全数字化测量方案需要依赖高精度A/D以及高速DSP处理芯片的支持，这是目前市面上全数字失真度测试系统价格高昂的原因。本系统巧妙运用FPGA，并结合F020模数混合单片机，使测试系统兼顾了高精度与低成本，（不到原来失真度测试仪器成本的一半），具有很好市场发展空间。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外测量失真度的原理大致分为两类：基波剔除法和频谱分析法。一般模拟式失真度测量仪采用基波剔除法，通过具有频率选择性的无源网络抑制基波，由总大电压有效值和以致基波后的谐波电压有效值计算出失真度；频谱分析法通过测量各次谐波的方法计算出波形失真度。正弦信号失真度的测量方法可分为模拟法和数字化测量法。模拟法是指测量中直接应用模拟电路对信号处理测量失真度的方法。基于模拟法的失真度测量仪由于前级电路有源器件的非线性，因此对小信号的测量不够准确。模拟法又可分为基波抑制法和谐波分析法。基波抑制法的失真度测量仪采用基波抑制原理，通过具有频率选择性的无源网络抑制基波，由总的电压有效值和抑制基波后的谐波电压有效值计算出失真度。基波抑制法构成的失真测量仪可以解决的频率的范围为1Hz—1MHz，但测量准确度为5%-30%，因此本实验中不采用该种方法；谐波分析法的失真度测量中，用了频谱分析仪或波形分析仪检测信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。但在实际设计中采用模拟方法设计失真仪(特别是自动失真仪) 的过程中存在以下问题: (1)电路复杂,特别是为实现陷波器的自动调谐所采用的辅助电路结构复杂; (2)调试复杂,有许多相关参数需要根据元器件的性能参数进行调整; (3)测量误差大、一致性差,特别是低频段和高频段部分特别明显。 本系统采用的是数字傅立叶变换（FFT）法。测量信号采用FPGA和DDS改变频率，采用D/A转换芯片AD7520，对信号进行数字式可编程增益控制电路。FPGA完成对A/D芯片采集被测信号，然后对采集的信号进行傅立叶变换(FFT)，形成被测信号的二维幅度－频率数组。然后送至单片机显示出信号的幅度－频率特性曲线，同时，对数组计算得到基波系数和各次谐波系数，最后，由基波和各次谐波系数计算出失真度。
