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1、 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 I 页 基于 FPGA 的失真度测试仪字 摘 要 在电子工程的设计和应用中，信号无论在开路传输或闭路传输过程中都受到环境、传输网 络的工作状态和应用元器件参数变化的影响使其或多或少的改变了原有信号的性质，这种变化 就是所谓的信号畸变现象，通常叫做失真。信号的失真分为三种:频率失真，相位失真和波形失 真。波形失真又称非线性失真，它是由放大电路的非线性引起的，非线性失真又包括谐波失真 和互调失真。 通过非线性失真测试可以考察传输网络的失真性质，有利于改进传输网络的性质。因此在 信息产生，传递，接受过程中，必须认真分析处理好失真问题。各种非线性失真测试仪在电力
2、、 电子、通信领域中得到广泛应用。常用的失真度检测仪器按测量原理大致可分为二大类:基波剔 除法和频谱分析法。一般模拟式的测量仪采用基波剔除法，其缺点是需要提供未失真的基波信 号而且其低频测量精度低。频谱分析法是用频率分析仪测量各次谐波的方法计算出波形失真度， 但采用此种方法的仪器价格较昂贵。 随着微型计算机、单片机尤其是数字处理芯片 DSP 的发展与应用，本文提出了一种基于 DSP 芯片的采用快速傅立叶变换(FFT)算法，计算出信号基波及各次谐波的电压有效值，从而根 据失真度计算公式计算失真度的测量方法。论文首先介绍国内外传统失真度分析仪的测量方法 及应用前景，然后对几种测量方案进行比较并选择
3、较好方案，然后进一步阐述并分析该方案的 硬件实现和软件实现及其 matlba 仿真结果，接着对该方案的软硬件测量误差进行分析，最后是 全文的总结。 关键词：FFT； FPGA； 失真度 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 II 页 Abstract In the design and application of electronic engineering， both in open circuit and in closed circuit， signal is certainly affected by environment， the status of the transport
4、network and the change of parameters of the component applied. Then the characters of useful information will be changed more or less and the change is generally called as distortion， namely so-called signal distortion. Signal distortion includes three kinds of distortion: frequency，phase and wavefo
5、rm .The waveform distortion ic caused by the nonlinearity of the amplifier circuits it is often called as nonlinearity distortion. The nonlinearity distortion also include harmonic distortion and intermodulation distortion. We can test the charater of the transport newtok by detecting the nonlinear
6、distortion and this is useufl to improve the character of the newtork. In the generation，transport and reception of singal，we must careuflly analyze and handle distortion. Kinds of nonlinear distortion meters have been widely used in many fields such as electronies，electricity and communication，and
7、so on.The distortion meters used in common generally be divide in tow kinds as the method of theory of test. They are the method of suppressed first frequency and the method of frequeney table analysis. Most of analog distortion meters apply the method of suppressed fisrt frequency. But the disadvan
8、tages are need to suppply the first frequency and the lower test precision of the low frequency.The method of analysis frequency table is using the meter of frequency table to test all kinds of frequency and then calculate the distortion of the wave. But the meter of analysis frequency tbale is more
9、 expensive. As the development of micro-computer and singlechip，especially the DSP chip ，The paper advance a method of measure the disotrtion of sine singal，which is using the DSP chip to carry out the FFT to get the magnitude of all kinds of frequency then using the formula calculate the distortion
10、. The paper fisrt introduce the measure method of generally diostrtion meter of internal and overseas and the application of the meter and secondly compare several measure mehtods，then choose the best method and expound how to carry out this measure method in hardware and sotfware. Using matlab emul
11、ate the method and show the result. At the last give the erro analysis of hardware and software during the measurement and the summarize. Keywords: FFT ；FPGA； distortion. 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 III 页 目 录 摘 要IV ABSTRACT.V 第 1 章 绪 论.1 1.1 本论文的背景和意义1 1.2 失真度测试仪介绍1 1.3 失真度测试仪的发展状况1 1.4 技术指标1 第 2 章 软件工具介绍2 2
12、.1 FPGA 基本知识2 2.1.1 FPGA 的基本结构简介.2 2.1.1 FPGA 的设计流程2 2.2 QUARTUS II 基本知识2 2.2.1 Quaturs II 的优点功能简介.2 2.2.2 Quaturs II 设计流程.2 2.3现代 DSP 技术简介2 2.3.1现代 DSP 实现方案及设计流程概述.2 2.3.2 基于 FPGA 的 DSP 设计.2 2.4 PROTEL 简介2 第 3 章 方案设计2 3.1 提出方案.1 3.2 方案选择1 3.3 系统整体设计思路1 3.4 A/D 转换电路.1 3.4.1 FPGA 的基本结构简介.2 3.4.2 FPGA
13、 的设计流程.2 3.4.3 FPGA 的基本结构简介.2 3.5 FPGA 软件部分设计1 3.5.1 快速傅里叶变换（FFT）.2 3.5.2 利用 FFT 进行频谱分析.2 3.5.3 FIFO 存储单元在 FFT 算法中的应用.2 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 IV 页 3.5.4 FFT 输入控制信号.2 3.5.5 基波幅值参数和各次谐波复制参数的提取.2 3.5.6 失真度计算.2 3.6 LCD 显示电路设计.1 3.6.1 HB240128M1A 显示器的特色.2 3.6.2 HB240128M1A 显示器硬件接口.2 3.7 整体电路设计1 3.8 本章小结1 第
14、4 章 实物完成情况1 4.1 A/D 板完成情况1 4.2 LCD 完成情况.1 4.3 整体电路板完成情况.1 4.4 FPGA 完成情况1 4.5 本章小结1 第 5 章 失真度测量误差分析1 5.1 A/D 测量误差1 5.2 运算过程中有限字长效应造成的误差1 5.3 混迭效应和频谱泄漏造成的误差1 5.4 基波测量误差1 5.5 本章小结1 第 6 章 总结2 第 2 章 软件工具介绍2 结 论5 致 谢6 参考文献7 附 录 1 标题8 附 录 2 标题9 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 1 页 第 1 章 绪 论 1.1 课题意义 在电子工程的设计和应用中，信号无论在开路
15、传输或闭环传输过程中都会受到 环境、传输网络的工作状态和应用元件参数变化的影响，其或多或少的改变了原始 信号的性质，这种变化就是所谓的信号畸变现象，通常叫做失真。失真度是无线电 信号的一个重要参数。在无线电计量测试中，许多参数的准确测量都涉及失真度测 量问题。例如：在检定电压表、功率表和交流数字式电压表时，为了减小不同检波 式仪表的波形误差、提高检定的准确度，就必须减小信号源的失真。其次通过非线 性失真测试还可以考察传输网络的失真性质，有利于改进传输网络的性质。因此在 信息产生、传递、接受过程中，必须认真分析处理好失真问题，并且在低频和超低 频的标准波形的测试和计量中，在电力系统以及其他要求检
16、测信号波形纯正性时， 如振动信号、电力系统信号和工业控制中的激励信号和输出信号的波形纯正性的检 测中，均需要检测波形的失真度。因此认真分析并处理好失真度问题是非常重要的。 1.2 失真度测试仪介绍 失真度表征一个信号偏离纯正弦信号的程度.失真度定义为信号中全部谐波分量 的能量与基波能量之比的平方根值。“如果负载与信号频率无关“，则信号的失真度 也可以定义为全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比并以百分数表示“即 222 23 1 11 . 100% n UUUpp r pU 式中：r 为失真度；p 为信号总功率；P1 为基波信号功率；U1 为基波电压的有效值； U1Un 为谐波电压的有效值。 目前测量失真度的仪器根据测量原理大致可以分为两大类：基波剔除法和频谱分 析法。一般模拟式的失真度测试仪都采用基波剔除法，此类失真度测试仪所能测量 的最低频率为 2Hz。但是此类失真度测量仪一般需要提供基波信号或未失真的信号， 而且误差较大，尤其对低失真度的测量精度很低。
