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1、合肥学院第七届大学生电子设计竞赛设计总结报告题 目正弦波失真度仪（E）组 员：2011年4 月 23 日题目名称：正弦波失真度仪（E题）摘要：本系统用模拟的方法实现对信号的失真度的测量。由陷波电路，检波电路， 单片机系统与显示部分等组成。陷波采用文氏桥有源陷波电路，使陷波深度大， 结构简单，调试方便；检波电路采用专用集成电路，误差小，实现简单；单片机 控制使测试过程简单方便，体现智能化；液晶显示屏显示界面具有直观，友好等 优点。本设计较好地实现了对信号失真度测量的功能。关键词：文氏陷波 检波电路 信号放大 液晶屏显示一、题目要求与分析设计内容是设计一个正弦信号失真度仪。1.1 基本要求（1）被
2、测输入正弦信号的频率范围为 10Hz100Hz；（2）输入信号的峰峰值范围为 0.5v2.5v；（3）测量失真度范围为 0.1%99.9%，分辨率为 0.1%；（4）测量输入正弦信号的频率，范围为10.0Hz100Hz,分辨率为0.1Hzo1.2发挥部分（1）扩大测量失真度的频率范围：1Hz100KHz；（ 2）与计算机连接，信号波形和测试结果可以在计算机上显示；（3）同时接收两路信号，并将其定义某一负载的电压信号和电流信号，测试出平均功率和功率因数；（ 4）其它。1.3 题目分析：非线性失真程度可用非线性失真系数来表示，简称失真度。其定义为：r是谐波总功率与基波功率之比的平方根，即 r11X
3、 100%P 是信号总功率， P1 是基波功率， Pi 为第 i 次谐波功率。为测量方便，实际测量ui2中常用式测量。式中，分子表示谐波电压的总有效值，分母表示被测信号基波电压的有效值。二、方案论证2.1 系统总体方案方案一：采用模拟方法实现。即用手动调节的方法，来搜索基频，通过滤波 电路滤除基波成分，利用有效值检波电路测出电压有效值（全部谐波成分的有效 值），再根据失真度公式计算出失真度大小，再用液晶显示屏来显示。该方法采 用模拟电路知识，实现起来虽有较大的困难，但是此方案对经济和单片机的要求 不高，算法也较容易实现。方案二：采用模拟和数字相结合的方法实现。采用有源文氏电桥组成三阶带 阻滤波
4、器用以滤除被测信号的基波成分，采用专门的有效值检波集成芯片得到被 测信号的有效值和全部谐波分量的有效值。由公式计算出失真度，控制和数据处 理部分用全集成混合信号在片系统单片机。显示部分用液晶显示模块，显示内容 有：失真度、信号频率、电压有效值、信号波形。但是此方案对单片机要求较高， 算法麻烦，芯片价格昂贵。综上所述，我们采用方案一。总体框架图如下：图 1 总体框架图信号输入后，分成三路，一路通过波形转换，进行频率测量。另外两路通过两个途径输入到单片机，这中间通过开关按钮控制继电器来实现切换，当继电器 处于常闭状态时，信号先输入到陷波电路，通过陷波后的信号由于很小，需要通 过信号调整，然后经过有
5、效值检波电路检测出有效值送入单片机，当继电器被切 换到常开状态时，信号直接送到有效值检波电路，继而送入到单片机中进行处理， 得到失真度。2.2各模块方案比较与选择2.2.1方波转换模块方案一：采用过零比较器进行波形变换，可以将正弦波信号转化成同频的 方波信号，然后经过施密特触发器进行整形，比较器采用高精度集成运算放大器 NE5534，它具有高精度，低噪声，高阻抗，高速，频带宽等优良特性。方案二：由于输入信号较小，直接进行比较有些困难，于是可以先加一个放 大电路，再通过施密特比较器输出幅度为 3V 的方波，紧接着可再接一衰减电路 将电压调整到所需电压。由于本题只要求测出频率即可，对方波转换的波形
6、要求并不是太高，方案二 虽然方波幅度及占空比可调，波形失真度小，但电路繁琐，而方案一虽然电路简 单，但足以达到测量频率的要求。故我们选择方案一。2.2.2 陷波电路方案一：采用数字滤波器构成系统的陷波电路部分。在DSP芯片中，利用脉 冲不变法 FIR 设计一个二阶带阻滤波器。该方案采用数字技术,能得到很好的滤 波效果。但由于使用到了 DSP芯片，使硬件电路变的更复杂，并且也给软件设计 增加了一定的难度。方案二：采用模拟电路技术，利用双T形有源滤波器构成陷波电路。双T形 电路由3个电阻、3个电容组成，基本上是对称的，在衰减极点处谐振，谐振频 率f0=l/2nRC。其基本电路原理图如图2所示。前佶
7、号辅人图2 双T形有源滤波器构成的陷波电路图中运算放大器Al, A2均起缓冲作用，双T形电桥的纵桥臂不接地，而是 接到放大器A2的输出端，放大器A1的部分输出信号通过A3反馈到电桥的纵臂。 由于正反馈的作用，使得频带变窄，Q值提高。A1，A2 都是分压跟随器组态，反馈量由 RA，RB 的分压值确定。反馈系数F = (R + R )/(R + R + R )A P A B 1根据反馈系数F可以求得有源滤波器的Q值Q=1 /4 (1 -F)(0F1)只要通过改变 R0，C0 的值，便可以滤掉不同频率的基波，达到陷波的目的。方案三：采用模拟电路技术，利用RC文氏电桥组成陷波器。此方案也是系图 4 文
8、氏电桥有源陷波电路统设计所采用的方案。由文氏电桥组成的基波抑制电路(陷波器)如图 3 所示图3电桥基波抑制电路图元件的相关参数在图中已给出，此时，电桥的抑制频率f =1/ 2兀 RC0因为R2 = 2R1，对任一频率的信号u = 2 / 3u，由计算可知：当输入信号频AD 1率f二f时，u = 2/3u，则u二0。此时电桥处于平衡状态，输出为0。当0 BD 1 AB输入信号频率 f 偏离 f 时，电桥失去平衡，则有电压输出。但文氏电桥无源滤波电路的选择性很差，考虑到任务书中的精度要求，为此 在实际设计时我们采用了由文氏电桥组成的有源陷波电路，如上图4所示。A3, A4都是电压跟随器组态，均有缓
9、冲隔离作用，具有高输入阻抗和低输 出阻抗的特性，它们的接入对选频电路的谐振频率没有影响， A4 输出的部分电 压，反馈到A3的同相端，并经A3输出到电桥桥臂。通过调节可变电阻R5,改 变反馈量，从而改变Q值，以达到锐通带选频作用。C2的作用是抑制尖峰脉冲。 当f = f时，A4的输出为0，f偏离f时，电桥失衡，有电压输出。因此该电 00路能抑制0基波，使谐波通过。02.2.3 后级信号放大方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。普通低温漂运算放大 器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫 伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此种方案不宜采用。方
10、案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放（如OPO7）做成一个差动放大器。 方案三：采用专用仪表放大器，如：AD620等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。但 价格昂贵，一个需 26 元左右。由于方案一噪声大，而方案三相对较贵，所以我们选用方案二，且方案二完 全能达到要求。2.2.4 检波电路方案一、专用检波集成电路。专用集成检波电路集成度高，外围电路少，电 结构路简单，工作稳定，误差小。方案二、分离器件检波。分离器件实现检波具有结构简单等优点，但由于失 真度测量输入信号本
11、身就是不规则的失真信号，而分离元件组成的有效值检波电 路是在检测出信号的峰值后按照一定的关系计算得出有效值，一般只能用于检测 规则信号（诸如正弦波等信号），输出误差较大，不适用于失真度仪。通过以上分析，选用方案一的专用集成电路检波。三、各模块的实现3.1波形变换模块具体电路如下：此电路运用一个 NE5532 构成一个过零比较器，当信号为正方波转换电路波转换电路3.2 AD 转换模块检波电路检测到谐波或总的有效值后，传送到 AD0809 转换芯片，通过 AD 采 样转换传送至单片机中进行处理。其硬件连接图见附录。3.3 陷波电路模块陷波模块的具体电路如下：为了能更好的实现陷波效果，我们采用四对电
12、容 用来切换档位。具体的档位分配如下所示：电容值/uF频率范围/Hz2.210500.47511000.221015000.0475011K当电容分别打到相应的档位时，根据公式f0=l/2兀RC计算出电位器对应的 阻值，用万用表调节即可。例如：C=2.2uf, f=10Hz；可得阻值 R=7000Q C=0.47uf,f=75Hz；可得阻值 R=4500Q C=0.22uf, f=300Hz；可得阻值 R=2500Q C=0.047uf，f=700Hz；可得阻值 R=4900Q3.4后级放大电路该放大电路的特点是：差动输入，单端输出。电压增益可由一个电位器控制， 且增益连续可调。并有效的解决了
13、后级负载对地连接的问题， U1,U2 组成了同向 高输入阻抗的差动输入，差动输出，并承担了前级的放大任务。由于电路结构对 称，增益改变时，输入阻抗不变。反馈电阻由R7,R8构成，后级的放大倍数为一, 具有较咼的共模抑制比和抗干扰能力。U3的反向输入端接调零电路，可以队输3.5 有效值检波电路采用单片集成电路（AD536A）来实现信号有效值及全部谐波有效值的测量，使 电路得以简化。测量交流电流或电压时，若波形是正弦波，可用平均值检波、峰 值检波电路将其转换为平均值、峰值电压，将测量的示值换算成有效值。但对脉 冲波形或失真度较大的正弦波采用这种普通检波电路进行测量换算，误差较大。 必须设计出能获得
14、真有效值的运算电路，即由绝对值电路（或平方根）和积分电路 组成的电路。检波电路的设计如图7 （图中电阻单位为Q）：3.6 显示模块LC.D1HDG12864F-3 -液晶显示屏的R/W 口来控制液晶显示屏的P3.0, P3.100P3.0P3.1四、软件设计4.1失真度显示流程图继电器默认为常闭状态，即信号通过陷波后输入，此时检测到的是谐波有效 值，通过 ADC0809 传入单片机并保持，当继电器被切换到常开状态时，检测到的 是总的有效值，输入到单片机并保持。进而通过单片机按照公式计算得出失真度 并在液晶屏上显示。五、系统总体性能测试5.1 频率显示模块测试测试仪器：信号发生器，数字示波器测试
15、结果：调整信号发生器，分别使其产生不同频率的正弦信号，通过数字示波 器进行观察分别记录下各信号频率。在产生每个信号的同时用自制频率计观察信 号的频率并记录下来，与之前的相比较，结果如下：示波器测得频 率10.005Hz50.017Hz100.012Hz1000.036Hz频率计测得频 率Hz10.01Hz54.02Hz99.01Hz1002.02Hz由结果可以看出我们自制的频率计精度可达到 0.01，且准确度达到 99%以 上，而题目只要求精确到 0.1，足以满足题目要求。5.2 失真度模块测试测试仪器：信号发生器，数字示波器，万用表，失真度仪。测试结果：调整信号发生器，使其分别产生 10Hz、0.5V，10Hz、2.5V，50Hz、 0.5V，50Hz、2.5V，100Hz、0.5V，100Hz、2.5V，1kHz、0.5V，1kHz、2.5V 的 信号，分别用失真度仪与自制的失真度仪测量并进行比较，得到结果如下：频率10Hz50Hz100Hz1kHz电压0.5V2.5V0.
