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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 正弦波信號(hào)失真度數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)正弦信號(hào)諧波失真度及頻譜分析的理論,設(shè)計(jì)了以單片機(jī)和FPGA為核心，以快速傅里葉變換（FFT）為主要分析工具的失真度測(cè)量系統(tǒng)。完成了對(duì)輸入正弦信號(hào)總功率的測(cè)量和功率譜分析，最終在液晶顯示器顯示失真度測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)分為三大部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)輸出，控制部分和數(shù)據(jù)處理部分由高性能單片機(jī)F020和高速邏輯器件FPGA共同承擔(dān)完成。
- 詳細(xì)介紹：
- 本測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)正弦信號(hào)諧波失真度及頻譜分析的理論,設(shè)計(jì)了以單片機(jī)和FPGA為核心，以快速傅里葉變換（FFT）為主要分析工具的失真度測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集后的全數(shù)字化處理，完成了對(duì)輸入正弦信號(hào)總功率的測(cè)量和功率譜分析，被測(cè)信號(hào)的電壓、頻率、失真全部由LCD自動(dòng)顯示；采用真有效值檢波，可在5mV至30V電壓測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量帶寬可達(dá)20kHz，失真度測(cè)量范圍為90%～0.05%；在失真度測(cè)量方式時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬范圍校準(zhǔn)；為了提高測(cè)量精度，采用頻率自動(dòng)跟蹤，不需要相位調(diào)節(jié)和平衡調(diào)節(jié)，設(shè)置了自動(dòng)清零功能，避免人工設(shè)置的麻煩。本測(cè)量系統(tǒng)高度數(shù)字化，具有可靠性強(qiáng)、精度高、易調(diào)試、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。可應(yīng)用于電子電路系統(tǒng)的質(zhì)量、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，屬高端技術(shù)產(chǎn)品。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 在低頻和超低頻標(biāo)準(zhǔn)波形的測(cè)試和計(jì)量中、以及電力系統(tǒng)和其它要求檢測(cè)信號(hào)波形純正性時(shí)，均需要測(cè)量波形的失真度。失真度測(cè)試儀就是一種用于測(cè)量信號(hào)失真度的儀器,在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有的失真度測(cè)試系統(tǒng)仍以模擬測(cè)試為主，數(shù)字化測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格昂貴。開(kāi)發(fā)性價(jià)比高的數(shù)字化失真度測(cè)試系統(tǒng)有著重要意義和市場(chǎng)前景。 本系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)高精度失真度測(cè)試，具有高性能、高可靠性、低成本、易操作等特點(diǎn)；技術(shù)關(guān)鍵在于完全數(shù)字化的測(cè)量體系；主要的技術(shù)指標(biāo)為測(cè)試精度、信號(hào)帶寬、信號(hào)幅度范圍、智能化程度等。被測(cè)信號(hào)的電壓、頻率、失真全部由LCD自動(dòng)顯示，采用真有效值檢波，可在5mV至30V電壓測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量帶寬可達(dá)20kHz，失真度測(cè)量范圍為90%～0.05%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、具有較高的精度。利用基于FFT失真度分析程序測(cè)量失真度具有較高的精度，完全滿足一般實(shí)驗(yàn)中波形失真度的測(cè)量要求。 2、程序采用了FFT分析算法，液晶顯示后并可在PC機(jī)上顯示結(jié)果，人機(jī)界面良好。 3、方便數(shù)據(jù)的保存和便于與計(jì)算機(jī)互聯(lián)。數(shù)字失真儀的中間數(shù)據(jù)及最后結(jié)果均已數(shù)字化,易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)的保存。 4、電路擴(kuò)展性良好。利用模擬技術(shù)生產(chǎn)的失真儀只能測(cè)量信號(hào)的總失真,無(wú)法單獨(dú)測(cè)量2 次、3次、4 次以及5 次諧波的失真,而數(shù)字失真儀只用一套電路便可測(cè)量2~5次諧波,并可單獨(dú)顯示各次諧波的失真以及總失真。并且可以根據(jù)需要,只需增加取樣頻率即可測(cè)量更高次的諧波，具有擴(kuò)展性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本項(xiàng)目為2008年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性計(jì)劃課題。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物樣品，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)接口，支持可視菜單操作。使用簡(jiǎn)便。 被測(cè)試信號(hào)在信號(hào)輸入端口輸入，輸入范圍5mV至30V，測(cè)試中液晶直接顯示出該信號(hào)的失真度，用戶無(wú)需繁瑣的儀器調(diào)節(jié)。 本測(cè)量系統(tǒng)高度數(shù)字化，具有可靠性強(qiáng)、高精度、易調(diào)試、人機(jī)界面良好等特點(diǎn)。應(yīng)用于電子電路系統(tǒng)的質(zhì)量、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，測(cè)量帶寬可達(dá)20kHz，屬高端技術(shù)產(chǎn)品。 在國(guó)內(nèi)，市面上已有數(shù)字化失真度測(cè)量?jī)x，如KH4116就是一臺(tái)數(shù)字化失真度測(cè)量?jī)x。雖然該儀器是數(shù)字化儀器，但從原理上講只能算得上半數(shù)字化儀器，其測(cè)量核心還是模擬的。全數(shù)字化測(cè)量方案需要依賴高精度A/D以及高速DSP處理芯片的支持，這是目前市面上全數(shù)字失真度測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格高昂的原因。本系統(tǒng)巧妙運(yùn)用FPGA，并結(jié)合F020模數(shù)混合單片機(jī)，使測(cè)試系統(tǒng)兼顧了高精度與低成本，（不到原來(lái)失真度測(cè)試儀器成本的一半），具有很好市場(chǎng)發(fā)展空間。
同類課題研究水平概述
- 目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量失真度的原理大致分為兩類：基波剔除法和頻譜分析法。一般模擬式失真度測(cè)量?jī)x采用基波剔除法，通過(guò)具有頻率選擇性的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)抑制基波，由總大電壓有效值和以致基波后的諧波電壓有效值計(jì)算出失真度；頻譜分析法通過(guò)測(cè)量各次諧波的方法計(jì)算出波形失真度。正弦信號(hào)失真度的測(cè)量方法可分為模擬法和數(shù)字化測(cè)量法。模擬法是指測(cè)量中直接應(yīng)用模擬電路對(duì)信號(hào)處理測(cè)量失真度的方法?；谀M法的失真度測(cè)量?jī)x由于前級(jí)電路有源器件的非線性，因此對(duì)小信號(hào)的測(cè)量不夠準(zhǔn)確。模擬法又可分為基波抑制法和諧波分析法?；ㄒ种品ǖ氖д娑葴y(cè)量?jī)x采用基波抑制原理，通過(guò)具有頻率選擇性的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)抑制基波，由總的電壓有效值和抑制基波后的諧波電壓有效值計(jì)算出失真度?；ㄒ种品?gòu)成的失真測(cè)量?jī)x可以解決的頻率的范圍為1Hz—1MHz，但測(cè)量準(zhǔn)確度為5%-30%，因此本實(shí)驗(yàn)中不采用該種方法；諧波分析法的失真度測(cè)量中，用了頻譜分析儀或波形分析儀檢測(cè)信號(hào)中的基波和各次諧波的電壓，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計(jì)算出失真度。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用模擬方法設(shè)計(jì)失真儀(特別是自動(dòng)失真儀) 的過(guò)程中存在以下問(wèn)題: (1)電路復(fù)雜,特別是為實(shí)現(xiàn)陷波器的自動(dòng)調(diào)諧所采用的輔助電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜; (2)調(diào)試復(fù)雜,有許多相關(guān)參數(shù)需要根據(jù)元器件的性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整; (3)測(cè)量誤差大、一致性差,特別是低頻段和高頻段部分特別明顯。 本系統(tǒng)采用的是數(shù)字傅立葉變換（FFT）法。測(cè)量信號(hào)采用FPGA和DDS改變頻率，采用D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7520，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字式可編程增益控制電路。FPGA完成對(duì)A/D芯片采集被測(cè)信號(hào)，然后對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換(FFT)，形成被測(cè)信號(hào)的二維幅度－頻率數(shù)組。然后送至單片機(jī)顯示出信號(hào)的幅度－頻率特性曲線，同時(shí)，對(duì)數(shù)組計(jì)算得到基波系數(shù)和各次諧波系數(shù)，最后，由基波和各次諧波系數(shù)計(jì)算出失真度。
