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高精度失真度测试仪
摘要:设计并制作了一个高精度失真度测试仪,用于测量正弦波、方波以及三角波等等信号波的失真度。该测试仪硬件系统基于AT89S52单片机,控制包括过零比较整形电路,倍频锁相环,加法器,A/D信号采集和系统显示板五部分组成;软件基于离散型傅立叶变换,应用准同步技术的失真度测量方法。由于锁相环的作用,使得采样周期与信号周期严格同步,有效地克服了传统的基于DFT的失真度测量方法中非整周期采样引起的频谱泄漏对测量结果的影响,实验结果表明,该方法的采用使失真度测量的准确度提高了一个数量级,测量误差在百分之一以下。
关键字:倍频锁相环,A/D信号采集,离散型傅立叶变换
目录
1. 系统设计 3
设计要求 3
设计任务 3
技术要求 3
总体方案 3
总体设计思路 3
总体设计方案 4
4
过零比较整形 4
加法器 4
锁相环 5
数据采集 7
结果显示 7
2. 数据处理 7
准同步采样原理 7
9
失真度的定义 9
周期信号基波和谐波幅值的测量 9
基于准同步算法的失真度计算 10
3. 软件设计 10
开发软件及编程语言的简介 10
总体程序流程 10
4 系统测试 12
测试仪器与设备 12
指标测试 12
参考文献 12
附录:c51程序: 13

设计要求
设计任务
设计并制作了一个高精度失真度测试仪,示意图如图一。
图1 总体示意图
技术要求
(1) 能测量正弦波、方波以及三角波等等信号波的失真度:
(2) 失真度测量结果的相对误差在百分之五以内。

总体设计思路
根据设计要求中的整体示意图,可确定系统构造为:输入的待测信号f0经过零比较电路整形,变成脉冲信号f1进入倍频锁相环,产生倍频脉冲信号f2;同时,待测信号f0通过加法器,进行零下补偿,得到信号f3,使得其信号幅值大于或等于零,便A/D转换器进行信号采集;脉冲信号f1和脉冲信号f2连入单片机外部中断T0,T1中,通过脉冲信号f1的中断请求开通A/D转换器,通过脉冲信号f2的中请求进行数据采集;采集得到的数据送入单片机进行数据处理,然后通过LCD输出测量结果。
由于测量和数据处理中,数据量和计算量较大,故本系统在单片机外扩展了一片外部RAM,以便数据的存放。
总体设计方案
根据总体设计思路,可画出总体方案方框图,如图2。
图2 总体方案方框图
单元电路设计
过零比较整形
采用比较芯片LM311,f0反相输入信号,正相输入端接地,输出信号f1即为脉冲信号。
加法器
为方便数据采集,需将待测信号幅值变换到A/D转换器的采集范围内。
fo通过加法器把信号提到零上来,然后通过放大电路把最大幅值调整到+5V,即为信号f3。
图5 两级运放电流/电压变换电路
锁相环
集成锁相环芯片CD4046是由CMOS电路构成的多功能单片集成锁相环,具有功耗低、输入阻抗高、电源电压范围宽等优点。在信号处理和数字系统中,CD4046都得到了广泛的应用,常被用于频率调制、频率锁定、时钟同步和频率合成等方面。
,属于低频锁相环。电源电压为5~15V,。其内部结构及典型应用电路如图3-12所示。
图3-12 CD4046内部结构图
与其他锁相环不同的是:CD4046具有两个可选用的鉴相器Ⅰ和Ⅱ:
相位比较器Ⅰ是一个异或门,适用于输入信号中噪声分量较多、信噪比较低的场合,但必须要求输入信号具有50%的占空比。当无输入信号或噪声信号输入时,异或门输出平均电压等于UDD/2,经低通滤波器后送到VCO输入端9,使VCO
在中心频率上起振。
相位比较器Ⅱ由四个触发器、控制门和三态输出电路组成,是边缘触发工作方式的鉴相器,因而对输入信号占空比无特定的要求,但相位比较器Ⅱ的信噪比容限不如相位比较器Ⅰ高。选用相位比较器Ⅱ为鉴相器时,捕获带和同步带具有相同的带宽。
如图3-12所示,CD4046采用的是RC型压控振荡器,必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件,当锁相环对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。
CD4046的工作频率与芯片外围的器件取值有关。为使锁相环工作在最佳状态,在选择外接元件参数时,既要考虑压控振荡器