毕业设计182西华大学智能仪器课程失真度分析仪设计

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1、目录1 前言 12 总体方案设计 22.1失真度仪原理 22.2方案选择 32.2.1方案一 32.2.2 方案二 32.2.3方案三 42.3 方案论证选择 43软件设计53.1软件设计所用工具 53.1.1 Keil uVision2 仿真软件 63.1.2 Wave6000 仿真软件 63.2 软件程序结构 73.3软件设计模块设计 73.3.1初始化模块 73.3.2扫描键盘控制程序 83.3.3读数程序模块 114 系统调试和仿真 144.1 硬件系统的调试仿真 144.1.1前置放大电路的电路原理图及仿真波形 144.1.2高通滤波电路电路原理图及仿真波形 164.1.3有效值转换

2、电路电路原理图图及仿真波形 174.1.4选择开关模块电路原理图及仿真波形 184.2 软件系统的调试仿真 204.2.1软件调试工具介绍 204.2.2 调试过程 205. 总结 206. 参考文献 211 前言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。近几十 年来, 随着计量测试的需要和电子技术的发展 , 失真度的测量技术指标有了较大的提 高。20世纪60年代以前工作频段20 Hz20 kHz，测量范围为

3、10- 310- 1数量 级, 测量误差限在10% 左右。目前,失真度测量从原来的10-3量级, 向下延伸到10- 5, 乃至 10- 6 量级。测量误差限保持在 5% 30% ， 频率范围已扩展到 200 kHz， 国外有 的达到600 kHz （如美国HP公司的333A和334A ）,少数达到1 MHz。相对其它无线电 参数而言， 目前失真度测量的准确度较低， 一般仅可达 1% 10% 左右; 而对低失真度， 尚难达到这个水平. 失真度测量方法不同, 其特点和性能指标也不同, 如频率范围, 失 真度测量范围、测量精度等指标。由此,本文对失真度测量中的各种方案进行了比较和 分析, 结合自身的

4、知识状况，设计一款失真度分析仪。图 1 模拟方式实现图 2 数字方式实现西华大学智能仪器课程设计说明书2总体方案设计2.1 失真度仪原理失真度仪用来测量信号波形的畸变率，定义为各次谐波的能量与基波的能量比（或 者是各次谐波的电压有效值与基波的电压有效值比），当然在精度要求不是太高的情况 下我们通常采用各次谐波的能量（电压有效值）与原始信号的能量 （电压有效值）之比，可以用公式（1）表示为：此节+比+申（1）目前，测量失真度的仪器根据测量原理大致可分为二大类：基波剔除法（模拟实现） 和频谱分析法（数字实现）。一般模拟式的失真度测量仪都采用基波剔除，它是采用高 通滤波器剔除基波，得出谐波和原始信号

5、相除，这种仪器测量的误差较大；而频谱分析 法，则是利用频率分析仪测量各次谐波的含量并计算出波形失真度的方法。它可分析测 量出被测信号中的1io次谐波分量。采用该方法较好地解决了超低频率失真度的测量， 缺点是仪器结构复杂，设计难度大，价格较贵，操作繁琐。下面是分别用模拟方式和数字方式来实现失真度测量的方框图：2.2方案选择2.2.1 方案一图 3 方案一测量原理：用A/D转换器采样得到信号的离散值，然后用87C196kc单片机采用FFT 分析法计算出各次谐波分量，代入失真度计算公式可得失真度。系统流程为：输入信号 先进入低通滤波，由自动增益控制组成的信号调理电路，把信号加强放大去除干扰，然 后利

6、用倍频器进行信号采样保持，通过A/D转换把模拟信号变为数字信号，在把数字 信号输入单片机进行傅立叶变换求失真度值，通过I/O 口驱动LED显示.方案特点： 该方案采用数字方式实现失真度的测量，较好地解决了超低频率失真度的测量设计过 程中有两大难点，一是倍频器的设计： FFT 分析过程是将截取周期信号若干个整数周期 进行分析。如果截取周期信号不是其周期的整数倍，那么周期拓展后出现不连续点，与截取 前信号不同，使得精度大大降低；二是此次方案把频谱分析的任务交个了单片机来完成，理论上单 片机可以实现傅立叶的复杂运算，但实际以单片机的频率还不敢保证.2.2.2 方案二图4 方案二该方案跟方案一相似，输

7、入信号先经过放大使信号加强，然后进入采保电路采样， 通过A/D转换电路把模拟信号变成数字信号，最后把数字信号输入DSP芯片进行复 杂的傅立叶变换，求出失真度输出显示，该方案的采样频率由DSP发出采样脉冲得到.方案特点：该方案也是采用数字方式实现失真度的测量，不过这次的采样脉冲不是 由倍频器说得，而是直接由DSP发出使控制更简单只能话，而且解决了因为运算量大 使单片机无法运行的缺陷，采用专门的数字信号处理芯片进行复杂的傅立叶变换进行频 谱分析，最后求的失真度通过LED显示2.2.3 方案三图 5 方案三该方案是采用模拟方式测量失真度，方案原理是利用剔除基波的方法实.首先输入 信号跟前面相似先经过

8、前置放大，然后分两路进入选择开关，一路经过高通滤波器剔除 基波得到各次谐波分量，进入选择开关，另一路直接进入选择开关，然后由选择开关出 来进入有效值转换电路把信号的有效值得出，经过A/D转换电路把模拟信号变成数字 信号经I/O 口进入单片机，利用单片机把两个有效值相除得到失真度通过LCD显 示，并且实现键盘控制.方案特点：该方案采用模拟方式实现失真度的测量，在实现方面比数字方式要简单， 容易实现！并且用键盘实现控制，使系统更加智能灵活.缺点是精度不高.2.3 方案论证选择方案一和方案二采用数字方式实现失真度的测量，需要对信号采样保持，然后进行西华大学智能仪器课程设计说明书傅立叶变换进行频谱分析

9、，用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。谐波分析法的优点是能获得各 次谐波的含量，对信号的频谱能够直观地显示出来。它可以解决频率范围从几Hz到几 GHz、失真度为1X10- 5100%的测量，其测量准确度为（10%30% ）左右。针对 复杂的傅立叶变换；由于在实际的数据采集很难做到整周期采样，由此导致FFT分析泄 漏引入方法误差。总之，频谱泄漏引入的误差是影响FFT法失真度测量精度的主要因 素。当前， 通过一般加窗方法减小频率泄漏， 但效果并不理想， 尤其测量小失真时误差 较大。 FFT 法失真度测量存在“泄漏”、“栏栅效应

10、”和谐波阶次截断造成的误差。为 使得做到整周期采样，在采样频率的地方需要一定难度方案一采用单片机进行处理，试图用单片机编辑程序对采样信号进行傅立叶变换， 进而求出失真度，理论上是可以实现的，考虑到单片机的频率和运算速度，实现起来有 一定的难度，从软件编辑程序来看，进行频谱分析的编程也需要很高的软件基础；方案二频谱分析部分采用数字信号处理芯片DSP芯片处理，利用专用的数字处理 芯片DSP芯片进行傅立叶变换，可以解决单片机难以实现的处理运算，但考虑到设计 时间的限制，以及对DSP处理芯片的陌生，软件编程的难度，本次设计采用方案二也 有相当一定难度方案三从另外一个角度入手，选择用模拟方法设计失真度测

11、量仪原理是用滤波器 剔除基波剩下的谐波电压有效值除以原始波形电压的有效值近似的求出波形的失真度， 该方案采用的电路结构简单，难度较低，缺点是精度稍微有点低，不过通过键盘控制， 单片机进行数据简单计算，LCD显示，很好的体现了智能化！而且节约时间和经济成 本其实在方案参考的过程中我们也考虑到用FPGA设计该电路，不过最终从经济因 素，技术难度，以及实用性考虑，我们选择了方案三对本次设计进行设计3软件设计3.1软件设计所用工具本作品使用 Keil uVision2 仿真软件和 Wave6000 仿真软件作为编程器件，以及汇 编编辑器！它是以 WINDOWS 为设计平台，在使用时先在 Keil C

12、环境下编辑程序，然后 保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，最后调试和执行这样一步步来实现 仿真。3.1.1 Keil uVision2 仿真软件Keil uVision2 仿真软件提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功 能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发（uVision）将这些部 分组合在一起。虽然它的功能强大，但它的仿真调试没有Wave6000用起来方便直观。3.1.2 Wave6000 仿真软件WAVE6000 IDE环境，由于是国产软件所以用起比较好用，且它有配套的仿真器， 故调试非常方便。用户源程序的大小不再有任何限制。有丰富的窗口显示方

13、式，多方位， 动态地展示仿真的各种过程，使用极为便利。仿真器同时还可以直接工作于 Keil uVision调试环境下，适应不同的用户操作习惯。但都采用keil C5的编译器，keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容 单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护 性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，我的体会更加深 刻。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界 面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的 目标代码效率非常之高，

14、多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件 时更能体现高级语言的优势。在以前的学习中也涉及过keilc51软件，但都是用汇编语言进行编程，因此对C语 言还不熟悉，在刚开始编程的时候遇到了很多困难，虽然有 C 语言的基础，但 keilc51 中用的C语言和以前我们学的语言有很大区别。在keilc51中用C语言编程有很多优点： C 语言是一个通用的编程语言，它提供高效的代码，结构化的编程，和丰富的操作符 C 不是一种大语言，不是为任何特殊应用领域而设计。它一般来说限制较少，可以为各种 软件任务提供方便和有效的编程。许多应用用C比其他语言编程更方便和有效。优化的 Cx51 C编译器完整的

15、实现了 ANSI的C语言标准，对8051来说，Cx51不是一个通用的 C编译器，它首先的目标是生成针对8051的最快和最紧凑的代码，Cx51具有C编程的 弹性和高效的代码和汇编语言的速度。C语言不能执行的操作（如输入和输出）需要操 作系统的支持，这些操作作为标准库的一部分提供，因为这些函数和语言本身无关，所 以C特别适合对多平台提供代码。既然Cx51是一个交叉编译器，C语言的某些方面和 标准库就有了改变或增强，以适应一个嵌套的目标处理器的特性。3.2 软件程序结构上电开始后，先进行单片机的和芯片的初始化，然后进行键盘扫描，把A/D转换后 的数据经 74LS373 锁存器输入到单片机进行读数，然后把读的数据按照失真度公式进行 数据处理运算求得失真度值及失真度二谐波电压/输入电压；把失真度结果经过 74LS373锁存器通过LCD显示；对矩阵键盘按键进行控制编程，实现智能控制等由软件的整体流程图不 难发现，本次设计的软件部 分由五大模块组成，包括： 初始化模块，扫描键盘模块, 读数模块，失真度运算模块, 以及LCD显示模块组成。图 6 软件总体流程图及其结构介绍3.3软件设计模块设计3.3.1 初始化模块初始化模块，实现功能是在电路上电的过程中把89S52单片机上电初始化，以及给 其它芯片的片选信号，给予初始化脉冲。任