波形信号分析

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1、波形分析系统的设计摘要木设计根据耍求制作一个波形分析系统。此系统是能够提取方波的高次谐波，并进行测量的装置。系统主要采用89S52单片机产生频率为1KHz的方波，通过破件实现带通滤波器分别滤出1、3、5次谐波分量，再通过峰值检波电路测量齐分量的最大值，最后测量其有效值并与理论值进行课差观测与分析。其主要由信号源，显示部分和滤波部分组成.信号源部分由89S52通过软件产生lKHz的单极性的方波，显示部分出实验板的LCD部分组成，滤波部分由针对1、3、5次谐波所设计的带通滤波器组成。本装置能够实现对lKHz的方波进行峰值和平均值的检测，

2、并分别对其1、3、5次谐波部分测量其振幅的有效值，并进行误差分析.本装置电路复杂程度低，成木较低，实用性好，性能优越，效率高。关键词：波形分析单极性方波谐波分量误差分析目录一.方案论证与比较（一）总体方案论证（-）各模块方案论证二.理论分析和计算三.电路设计（一）滤波器电路设计4（二）峰值检波器电路设计5四.仿真测试6五.测试方法与仪器7一、方案论证与比较（一）总体方案论证木系统以89S52单片机作控制器，由FPGA开发板产生lKHz的方波信号经过带通滤波器后，可以分别滤出该方波信号的1、3、5次谐波分量，再通过峰值检波器测出各谐波

3、分量的最大值，通过显示部分來比较其有效值与峰峰值和实际方波信号傅氏级数理论值进行误差比校。根据我们的设计思路，可得如图1所示的总体设计框图：图1总体方案设计框图FPGA产生lKHz方波信号（二）各模块方案论证1、lKHz的方波发生模块方案一：采用555芯片产生。曲555芯片组成占空比为50%的多谐振荡器电路，该波形的频率可以通过调节555定时器电路的放点电阻来进行调节。但波形输出不稳定，容易失真。方案二：采用FPGA开发板产生。曲软件编程來控制开发板上的品振直接产生lKHz的方波，此方案更简单，产生的波形稳定。通过以上比较分析，我们

4、选用方案二。2、带通滤波器部分方案一：无源带通滤波器实现。可以直接利用RLC谐振原理来形成无源带通滤波器电路。其电路简单易实现，但滤出的波形不稳定，对于要求较精确的测量电路屮不适宜应用。方案二：有源带通滤波器实现。利用LM324带有差动输入的四运放放人器加上合适的阻容原件來形成二阶有源带通滤波器。该屯路可控性良好，适用于较精确测量屯路屮，而冃可以通过改进电路的阶数來改进对高次谐波的测量准确度。通过以上比较分析，我们选用方案二。3.峰值检波器部分方案一：二极管峰值检波器实现。二极管峰值检波器由二极管和阻容原件构成。需要输入信号电压幅度

5、大于0.5V,检波器输出、输入Z间是线性关系，电路组成较简单，但是测量范I韦I有限且稳定性不好。方案二：单运放峰值检波器实现。单运放峰值检波器由运放、二极管和阻容元件构成。该电路可测范阖较宽，电路稳定性好。通过以上比较分析，我们选用方案二。理论分析与计算任何电信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波叠加而成的。对周期信号由他的傅里叶级数展开式可知，各次谐波为基波频率的整数倍。对于方波信号的分解，可以采用性能较佳的有源带通滤波器作为选频网络，若方波信号的频率为Wo,电压幅值为E则按照傅里叶级数展开式如下所示：4E「111=——sin

6、+—sin(+—sin(+•••+—sin(/7fyof)+…7t[_35n可知，方波的1、3、5次谐波的幅度比应为1：丄：丄，且相位与基波相同。35又公式可知，根据设定值则测出的1、3、5次谐波的峰峰值和平均值应分别为：表1理论设计值被测量方波信号[次谐波3次谐波5次谐波中心频率lKHzlKHz3KHz5KHz峰峰值IV1.273V0.425V0.254V平均值(有效值)0.5V0.900V0.300V0.180V三.电路设计(一)滤波器电路设计1・1次谐波带通滤波器2.3次谐波带通滤波器3.5次谐波带通滤波器（二）峰值检波器电路

7、设计VCC三.仿真测试1>一次谐波频谱及波形仿真石]984.777Hz]—.015dB2、三次谐波频谱及波形仿真图3、五次谐波频谱及波形仿真♦5.099kHz0462dB「“一4、峰值检波器波形仿真图五、测试方法与仪器K测试使用的仪器设备测试使用的仪器设备如表2所示:表2测试使用的仪器设备序号名称数量型号1直流稳压电源1YB1733A2数字示波器1DS1102CD3函数信号发生器1XJ16314数字万用表1CDM82455电子综合设计实践平台1ESA52、测试方法（1）将设计的方波发生程序下载到电子综合设计实践平台上，并接入数字示波

8、器测量其峰峰值和平均值，与LCD显示屏显示的数据进行比较分析，考察输入方波的周期准确度和幅度范围。（2）将方波信号作为输入，分别接到一、三、五次谐波滤波器上，再通过峰值检波器电路，并在液品屏上读取数据，用示波器观察波形有无失真，数据是