【導(dǎo)讀】所謂的信號(hào)畸變現(xiàn)象，通常叫做失真。信號(hào)的失真分為三種:頻率失真，相位失真和波形失真。通過(guò)非線性失真測(cè)試可以考察傳輸網(wǎng)絡(luò)的失真性質(zhì)，有利于改進(jìn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。息產(chǎn)生，傳遞，接受過(guò)程中，必須認(rèn)真分析處理好失真問(wèn)題。各種非線性失真測(cè)試儀在電力、電。子、通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。常用的失真度檢測(cè)儀器按測(cè)量原理大致可分為二大類(lèi):基波剔除。一般模擬式的測(cè)量?jī)x采用基波剔除法，其缺點(diǎn)是需要提供未失真的基波信號(hào)而。且其低頻測(cè)量精度低。頻譜分析法是用頻率分析儀測(cè)量各次諧波的方法計(jì)算出波形失真度，但采。用此種方法的儀器價(jià)格較昂貴。論文首先介紹國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)失真度分析儀的測(cè)量方法及應(yīng)用

　　

【正文】 T和快速傅立葉反變換（ IFFT）算法合并在同一個(gè)程序中。 一般簡(jiǎn)單的 FFT 實(shí)現(xiàn)框圖如下： 利用 FFT 進(jìn)行頻譜分析 若信號(hào)本身是有限長(zhǎng)的序列，計(jì)算序列的頻譜就是直接對(duì)序列進(jìn)行 FFT 運(yùn)算求得)(kX ， )(kX 就代表了序列在 ? ??2,0 之間的頻譜值。 幅度譜 ： )()()( 22 kXkXkX IR ?? 第 22 頁(yè) 相位譜 ： )()(a rc ta n)( kX kXkRI?? 若信號(hào)是模擬信號(hào)，用 FFT 進(jìn)行譜分析時(shí)，首先必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，使之變成離散信號(hào)，然后就可按照前面的方法用 FFT 來(lái)對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行譜分析。按采樣定理，采樣頻率 sf 應(yīng)大于 2 倍信號(hào)的最高頻率，為了滿足采樣定理，一般在采樣之前 要設(shè)置一個(gè)抗混疊低通濾波器。用 FFT 對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行譜分析的方框圖如下所示。 FIFO 存儲(chǔ)單元在 FFT 算法中的應(yīng)用 FFT 算法的處理過(guò)程開(kāi)始于數(shù)據(jù)輸入過(guò)程，此過(guò)程中，采樣數(shù)據(jù)被讀入并保存在存儲(chǔ)器中；接下來(lái)用存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)作 FFT 計(jì)算并輸出結(jié)果。 存儲(chǔ)單元 RAM 是用來(lái)存儲(chǔ)輸入數(shù)據(jù)和中間運(yùn)算結(jié)果的單元，每次蝶形運(yùn)算都要經(jīng)由 RAM 讀寫(xiě)輸入輸出數(shù)據(jù)，在進(jìn)行下一級(jí)變換的同時(shí)，首先應(yīng)將結(jié)果回寫(xiě)到讀出數(shù)據(jù)的 RAM 存貯器中，為加快 FFT 運(yùn)算速度，構(gòu)造了雙端口 FIFO RAM 來(lái)加大數(shù)據(jù)的吞吐量，其輸入輸出共用一個(gè)時(shí)鐘，在時(shí)鐘的下降沿寫(xiě)入數(shù)據(jù)，上升沿讀出數(shù)據(jù)。雙端口FIFO RAM 可配置在片內(nèi)或片外。內(nèi)置 RAM是 FPGA 的一種新增資源。將 RAM 設(shè)置在 FPAG內(nèi)部不存在驅(qū)動(dòng)和 pad 延時(shí)問(wèn)題，速度快且控制簡(jiǎn)單，可提高系統(tǒng)的可靠性。為此，本設(shè)計(jì)應(yīng)用 Atera FPGA 的內(nèi)置 RAM 資源設(shè)計(jì)內(nèi)置 RAM，提高系統(tǒng)總體速度和可靠性。以下是在 DSP Builder 里面設(shè)計(jì)的 FIFO 控制模塊： 圖 FFT 輸入控制信號(hào) DSP Builder 生成的 FFT 模塊 如下圖所示： 抗混疊低通濾波器 采樣 T=1/fs N 點(diǎn) FFT 第 23 頁(yè) 圖 FFT 模塊的輸入控制信號(hào)時(shí)序圖： 圖 輸入控制信號(hào)時(shí)序圖 FFT 輸入控制信號(hào)模塊如下圖所示： 圖 輸入信號(hào)控制模塊 第 24 頁(yè) FFT 輸入控制信號(hào)： 圖 輸入控制信號(hào) 峰峰值檢測(cè) FFT 輸出波形 （ 1）實(shí)部 圖 （ 2）虛部 圖 第 25 頁(yè) （ 3）實(shí)部和虛部的模 圖 峰峰值檢測(cè)電路 圖 峰峰值檢測(cè)仿真輸出波形： 圖 第 26 頁(yè) 基波幅值參數(shù)和各次 諧波幅值參數(shù)的提取 在 DSP Builder中提取基波幅值參數(shù)和歌詞諧波幅值參數(shù)的模塊如圖 ： 圖 幅值提取仿真波形 第 27 頁(yè) LCD 顯示電路設(shè)計(jì) HB240128M1A顯示器的特色 本設(shè)計(jì)所用的 LCD 顯示器是 HB9188 系列的中文液晶顯示器，型號(hào)為：HB240128M1A，該 LCD 顯示器具有以下特色： 電源操作范圍： 點(diǎn)陣顯示范圍： 12832320X320 提供八位并行及標(biāo)準(zhǔn) UART 接口 自動(dòng)復(fù)位和指令復(fù)位 圖片顯示及動(dòng)畫(huà)功能 繪圖 及文字畫(huà)面混合顯示功能 軟件控制背光開(kāi)啟及閉合 低功耗省電設(shè)計(jì)（微安級(jí)別） 模組自帶自檢功能便于生產(chǎn) 體 WATCH DOG 功能 1 自帶 16 個(gè)鍵盤(pán)口 1 同時(shí)內(nèi)置 16*16 和 12*12 點(diǎn)陣 1 可直接受控于 RS232 口，用于遠(yuǎn)端顯示 1 自動(dòng)溫控功能保證在極低溫度下正常工作 1 集成度高，降低生產(chǎn)成本，性價(jià)比優(yōu)越 HB240128M1A 顯示器硬件接口 并行接口 第 28 頁(yè) 圖 并口數(shù)據(jù)連接示意圖 接口協(xié)議為請(qǐng)求 /應(yīng)答握手方式。應(yīng)答 BUSY 高電平，表示 HB240128M1A 忙于內(nèi)部處理，不能接收用戶命令； BUSY 低電平，表示 HB240128M1A 空閑，等待接收用戶命令。發(fā)送命令到 HB240128M1A，可在 BUSY＝０后的任意時(shí)刻開(kāi)始，先把用戶命令的當(dāng)前字節(jié)放到數(shù)據(jù)線上，接著發(fā)低電平 REQ 通知 HB240128M1A，請(qǐng)求處理當(dāng)前數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)或命令，同時(shí)將應(yīng)答線 BUSY 變?yōu)楦唠娖?，表明模塊已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)并正在忙于對(duì)此數(shù)據(jù)的內(nèi)部處理，此時(shí)，用戶對(duì)模塊的寫(xiě)操作已經(jīng)順利完成，用戶可以撤銷(xiāo)數(shù)據(jù)線上的信號(hào)并可作模塊顯示以外的其它工作。具體的時(shí)序?qū)?yīng)時(shí)間參數(shù)如下： 圖 串行接口 第 29 頁(yè) 圖 串口連接示 意圖 本設(shè)計(jì)采用并行接口方式。 整體電路板設(shè)計(jì) 整體電路板的設(shè)計(jì)包括電源電路、 A/D 采樣電路輸出與 FPGA 模塊接口及液晶顯示模塊與 FPGA 輸出接口電路的設(shè)計(jì)。電源電路為 A/D 轉(zhuǎn)換器和 FPGA 模塊提供電壓，電源部分提供了 。 １、 電源電路 第 30 頁(yè) 圖 ２、接口電路設(shè)計(jì) 圖 ３、接口電路及電源電路的 PCB 圖 圖 第 31 頁(yè) 本章小結(jié) 本章主要介紹了 軟 硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程，這里的硬件設(shè)計(jì)包括 電源 電路 、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、接口電路以及 LCD 顯示電路。 第 32 頁(yè) 第 4 章 實(shí)物完成情況 A／ D 板完成情況 A/D 板完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)接口電路送到 FPGA 模塊。 A/D 板實(shí)物圖如下： 圖 FPGA 完成情況 FPGA 完成主要程序模塊的設(shè)計(jì)和下載，實(shí)物圖如下 圖 整體電路完成情況 將上述各模塊連接起來(lái)，得到總體電路： 第 33 頁(yè) 圖 第 34 頁(yè) 第 5 章 失真度測(cè)量誤差的分析 A/D 測(cè)量誤差 在此對(duì) 模擬信號(hào)的處理先是將模擬量經(jīng)過(guò)抽樣及 AD/變換后變成有限長(zhǎng)的數(shù)字信號(hào)，這種處理是有限精度的，因而相對(duì)于理論設(shè)計(jì)就產(chǎn)生了誤差。分辨率是 A/D轉(zhuǎn)換器區(qū)分兩個(gè)輸入信號(hào)數(shù)值的能力。從理論上講模擬信號(hào)具有無(wú)限的分辨能力，而數(shù)字信號(hào)是不連續(xù)的，不管取的位數(shù)怎么多也只能接近實(shí)際值，因而 AD/轉(zhuǎn)換器的分辨能力是有限的。在 A/D 轉(zhuǎn)換的量化過(guò)程中，必須將采樣保持的電壓化成 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠區(qū)分的最小單位的整數(shù)倍。由于模擬信號(hào)是連續(xù)的，那么它就不一定能被整除，因此量化過(guò)程不可避免的引入誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化誤差實(shí)際是 A/D轉(zhuǎn)換器始終存在的碼距誤差，也是一個(gè)理論誤差。 運(yùn)算過(guò)程中的有限字長(zhǎng)效應(yīng)造成的誤差 實(shí)際上無(wú)論是專用硬件還是用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)以及運(yùn)算過(guò)程中的結(jié)果，都是存儲(chǔ)在有限字長(zhǎng)單元，這樣一來(lái)就使得計(jì)算是有限精度的，也就導(dǎo)致了誤差的產(chǎn)生。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中運(yùn)算過(guò)程的有限字長(zhǎng)效應(yīng)所造成的誤差與運(yùn)算方式和字長(zhǎng)有關(guān)，在此數(shù)據(jù)處理過(guò)程中用到的定點(diǎn)乘法運(yùn)算會(huì)引入舍入或截尾誤差，這種誤差是相加性的。定點(diǎn)加法運(yùn)算不會(huì)引入任何誤差，但有動(dòng)態(tài)范圍問(wèn)題。若加法的結(jié)果超出了寄存器長(zhǎng)度，截尾或舍入都無(wú)濟(jì)于事， 也就是說(shuō)，它超過(guò)了表述的動(dòng)態(tài)誤差，發(fā)生了溢出。 混迭效應(yīng)和頻譜泄漏引入的誤差 當(dāng)連續(xù)信號(hào)抽樣時(shí)，如果其頻率是帶限的，由抽樣定理可知采樣頻率最小為信號(hào)最高頻率分量的兩倍，否則抽樣后信號(hào)頻譜產(chǎn)生混迭誤差，在工程應(yīng)用中為確保避免頻域混迭，一般把采樣頻率取得更高些，但也不宜過(guò)高，因?yàn)楦叩牟蓸宇l率意味著采樣點(diǎn)數(shù)多，內(nèi)存消耗大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)。 在 FFT 具體分析中，如采樣頻率越高，則頻率分辨率越粗；如數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則頻率分辨率越高，但計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng)。實(shí)際信號(hào)的持續(xù)時(shí)間都是有限的，因而從理論上說(shuō)起頻譜寬度是無(wú)限的， 無(wú)論多高的采樣頻率也不能滿足采樣定理，但超過(guò)一定范圍的高頻率分量對(duì)信號(hào)己無(wú)大影響。在信號(hào)的失真度測(cè)量中，一般分析到 1020次的諧波即可，在此取抽樣頻率等于信號(hào)基波的 64 倍，即 32 次諧波滿足抽樣頻率等于或大于信號(hào)頻率的奈奎斯特頻率，則信號(hào)的更高次諧波在頻率中引起的混迭現(xiàn)象可以被忽略。泄漏效應(yīng)是由取樣采集截?cái)嘁鸬?。在?shí)際過(guò)程中遇到的序列是無(wú)限長(zhǎng)的，用 FTF 對(duì)其進(jìn)行頻譜分析時(shí)需要將其截短為 N 的有限長(zhǎng)序列，這里取有限個(gè)數(shù)據(jù)就相當(dāng)于在時(shí)域乘一個(gè)矩形窗函數(shù)，則在頻域中相當(dāng)于參與相乘的兩個(gè)波形各自的頻譜的 第 35 頁(yè) 周期卷積的過(guò) 程，卷積的結(jié)果造成頻譜的失真即泄漏。泄漏是無(wú)法消除的，只能根據(jù)要求折中選擇有關(guān)參量。減小泄漏的方法是首先去更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，也就是窗寬加寬，當(dāng)然數(shù)據(jù)太長(zhǎng)，必然使運(yùn)算存儲(chǔ)量都增加，其次數(shù)據(jù)不要突然截?cái)啵醇痈鞣N緩變的窗。 基波測(cè)量誤差 基波測(cè)量即被測(cè)信號(hào)的頻率測(cè)量，其測(cè)量精確度對(duì)以后的測(cè)量有著很大影響。本設(shè)計(jì)的信號(hào)頻率測(cè)量采用的方法是先將被測(cè)信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較整形成方波送到DSP 芯片的 BIO 端口，用軟件實(shí)現(xiàn)中斷，在中斷程序中用 DPS 的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器來(lái)完成頻率測(cè)量。首先，采用過(guò)零比較器要求在信號(hào)失真、噪聲、干擾比 較小的時(shí)候應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)信號(hào)的諧波及干擾成分比較多時(shí)會(huì)使得信號(hào)在過(guò)零點(diǎn)反復(fù)震蕩影響過(guò)量檢測(cè)法的正確性。再次，使用定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率時(shí)，將被測(cè)信號(hào)作為門(mén)控信號(hào)，在被測(cè)信號(hào)的上升沿控制計(jì)數(shù)器實(shí)行計(jì)數(shù)，也就是說(shuō)，計(jì)數(shù)過(guò)程可能在計(jì)數(shù)脈沖周期內(nèi)的任何時(shí)刻開(kāi)始，而計(jì)數(shù)器是通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖的上升沿觸發(fā)的。因此，對(duì)于時(shí)間長(zhǎng)度一定的計(jì)數(shù)過(guò)程，計(jì)數(shù)器所記得數(shù)值卻不一定相同，與實(shí)際值差， 1 個(gè)計(jì)數(shù)單位。由此可知，不管計(jì)數(shù)值為多少，其最大總誤差總是 *1 個(gè)計(jì)數(shù)單位，稱之為“計(jì)數(shù)誤差”。再次本設(shè)計(jì)測(cè)頻方法屬測(cè)周法，對(duì)于低頻信號(hào)來(lái)說(shuō)測(cè)量精度 高，然而高頻信號(hào)的測(cè)量精度卻稍低。 第 36 頁(yè) 結(jié) 論 信號(hào)失真度測(cè)試主要有兩種方法 :基波抑制法和頻譜分析法。 基波抑制法是抑制信號(hào)的基波分量后把各次諧波分量綜合地測(cè)出來(lái)，再與信號(hào)的總有效值相比以求出失真的大小。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便。但只適用于低頻失真小的場(chǎng)合，在實(shí)際失真度較大的情況下測(cè)量誤差較大。頻譜分析法是基于非正弦的周期振蕩信號(hào)可分解成直流、基波和各次諧波的原理來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、適合低頻、高頻和超高頻等頻段的信號(hào)。到目前為止廣泛應(yīng)用的 仍然是采用基波抑制法的非線性測(cè)試儀。 隨著微處理機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，采用數(shù)字式、智能化的失真度測(cè)試儀己成為失真度測(cè)試儀器研究的一大熱點(diǎn)。本設(shè)計(jì)介紹了基于 DPS 的正弦信號(hào)數(shù)字式失真測(cè)量方案利用以數(shù)字頻率合成技術(shù)的 DDS 芯片來(lái)產(chǎn)生精確的采樣信號(hào)來(lái)控制數(shù)據(jù)的采集，利用 FFT 對(duì)采集的數(shù)據(jù)做頻譜分析，結(jié)果用 LCD 顯示。按照本方案設(shè)計(jì)的數(shù)字失真度儀具有測(cè)量誤差小、操作簡(jiǎn)單、體積小成本低等特點(diǎn)。 綜上所述，本文的研究結(jié)果對(duì)失真度測(cè)試儀的發(fā)展和完善有較好的參考價(jià)值。但是本文的研究工作仍然有許多需要進(jìn)一步完善 的地方如可測(cè)量的被測(cè)信號(hào)幅度范圍窄，對(duì)于微弱信號(hào)的測(cè)量可以使用程控前置放大器來(lái)解決，增加打印接口等。為了提高儀表的性能價(jià)格比系統(tǒng)往往設(shè)計(jì)成多功能系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)及其支持電路即可完成電壓測(cè)量、頻率測(cè)量、頻譜分析、失真度測(cè)量等多種功能。 第 37 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 潘松，黃繼業(yè)，