亿利达杯电子设计竞赛

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1、“亿利达杯”电子设计竞赛设计与总结报告(一等奖作品3)摘要：本设计是基于FFT，采用虚拟仪器技术和单片机技术实现的以测量正弦信号失真度为目的的设计方案。通过单片机或数据采集卡来采集外部信号，再通过串口将采集到的信息送入计算机，经过计算机的处理，将结果显示在显示器上。而显示接口是采用NI公司开发的Labwindows/CVI这款优秀的虚拟仪器开发软件做的。所用的方案使硬件设计简单，软件使用方便，能实现测试自动化的特点。只要接入信号就能测量，无需过多的人为操作。关键词：失真度测量，FFT,虚拟仪器，Labw

2、indows/CVI目录1.系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求1.1.2发挥部分1.2总体设计方案1.2.1设计思路1.2.2方案论证与比较1.2.3系统组成1.3各单元电路组成即原理1.3.1直流偏置电路1.3.21.KHz低通滤波器1.3.3软件设计1.4系统测试1.5结论1.6心得体会1.7参考文献1系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求（1）被测输入正弦信号的频率范围为10Hz~100Hz.。（2）输入信号的峰缝值范围为0.5v~2.5v。（3）测量失真度范围为0.1%~99.9%，分辨

3、率为0.1%。（4）测量输入正弦信号的频率，范围为10.0Hz~100Hz,分辨率为0.1Hz.。1.1.2发挥部分（1）扩大测量失真度的频率范围：1Hz~100KHz。（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。1.2总体设计方案1.2.1设计思路根据采样定理，当采样频率大于输入信号最高频率的2倍时，信号的频率可以无失真被恢复出来。信号的失真度定义为杂波能量与谐波能量的总和比上基波能量的平方根，当信

4、号中的干扰远小于各次谐波的总能量时，失真度的计算机可以简化为如下式所示：公式1其中U号CVI显示计算机处理C8051F020低通滤波器,U,U为各次谐波的幅度值，U为基波的幅度值。所以只要对采集到的信号进行FFT，求出基波以及各次谐波的幅值，带入上面的公式，就可以计算出该信号的失真度。1.2.2方案论证与比较目前测量失真度的原理大致分为两类：基波剔除法和频谱分析法。一般模拟式的失真度测量仪都采用基波剔除法，通过具有频率选择性的无源网络（如：谐振电桥，文式电桥，双T陷波网络等）抑制基波，由总电压有效值和抑

5、制基波后的谐振电压有效值计算出失真度。第二类失真度测量采用频谱分析法，通过计算出各次谐波的大小来计算失真度。此类测量方法测量的最小频率是2Hz；测量方法可以分为模拟法和数字化方法。模拟法模拟法是只指测量中直接应用模拟电路对信号处理测量失真度的方法。基于模拟法的失真度测量仪由于前级电路有源器件的非线形，因此对小信号的测量不够准确。模拟法又可分为基波抑制法和谐波分析法。基波抑制法的失真度测量仪采用基波抑制原理，通过具有频率选择性的无源网络抑制基波，由总的电压有效值和抑制基波后的谐波电压有效值计算出失真度。基

6、波抑制法构成的失真测量仪可以解决的频率的范围为1Hz—1MHz，但测量准确度为5%-30%，因此本实验中不采用该种方法；谐波分析法的失真度测量中，用了频谱分析仪和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并带如公式1，从而计算出失真度。数字化方法数字化方法是指先通过将信号数字化并送入计算机，在由计算机计算出失真度的测量方法。根据失真度的计算方法可分为FFT法和曲线拟合法。数字化方法的局限性在与计算机和单片机本身就是一个干扰源，对于精度要求较高的场合尚不能运用这种方法，而且对于频

7、率较高的信号的测量精度受到单片机或数据采集卡的上限频率的限制；测量失真度误差中还包含量化误差，采样间隔的非均匀性误差，计算过程中的数据截断误差等。但是量化误差造成的失真可以通过数据采集系统的动态有效位数，量程，噪声功率等参数计算得出，并以修正量的形式从失真中扣除，从而得到被测信号的失真度。曲线拟合法曲线拟合法是一种很优良的方法，它有许多优点，例如：失真有效值更为准确，它包含了各次谐波，杂波和噪声的频率分量，能使测量的结果更准确，但是它的算法复杂，实现起来比较困难。FFT法通常用计算机处理的傅立叶变换方法

8、是快速傅立叶变换（FFT）。快速傅立叶变换比直接傅立叶变换（DFT）在计算量上要小的多。采用FFT对量化后的被测信号处理，获得基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度。它的思路比较简单，实现起来比较容易，而且通过一些补偿算法可以有效的减少误差，所以采用了FFT分析信号的频率，并求出对应的失真度。目前虚拟仪器软件领域有两款优秀的软件，分别是NI公司的CVI和LabViewLabVeiw采用模块化的设计形式，设计容易，面板逼真，但是它不能生成可执