摘 要： 針對模擬控制正弦信號失真度測試儀體積大、測試精度低和使用不方便的缺點，設計了數字控制正弦信號失真度測試儀。該系統以單片機和FPGA相結合為控制核心，運用快速傅里葉變換（FFT）為主要分析工具，對信號輸入電路進行程控衰減、放大與預濾波處理，實現了量程自動轉換和數據采樣，并且成功避免了頻率混疊現象。最后，系統完成了軟硬件電路設計后，經過測試，該系統能夠對輸入信號進行總功率和譜功率的測量和分析，并能正確地判斷未知信號的周期性并測量出周期信號的周期，也能正確測量規定頻率范圍內正弦信號的失真度，在高校實驗室有廣泛的應用價值。
關鍵詞： 失真度；數字控制；頻譜；頻率混疊
0 引言
波形失真又稱非線性失真，它是由放大電路的非線性引起的。非線性失真又包括諧波失真和互調失真，本文研究的失真均為諧波失真。在無線電計量測試中，許多參數的準確度都涉及失真度測量問題，尤其在信息產生、傳遞和接收過程中，必須準確分析和處理好失真問題。失真度測試儀就是一種用于測量信號失真度的儀器，在電子產品的生產和檢測中有著廣泛的應用[1-2]。目前市面上的失真度測試系統仍以模擬測試為主，而數字化測試系統很少而且價格昂貴，因此開發性價比高的數字化失真度測試系統有著重要意義。本文研發了一款基于FPGA與單片機結合的數字失真度測量系統，該系統能夠實現精確失真度測試，具有高性能、高可靠性、低成本和易操作等特點，具有較高的應用價值。
1 失真度測試原理及系統方案實現
1.1 失真度測試原理
一個失真的正弦周期振蕩信號電壓，除有基波電壓分量外，還有各次諧波分量存在，把周期失真的正弦信號展開成傅里葉級數，如式（1）所示[3]：
式（1）中f（t）為含有諧波失真的正弦波，A0/2為正弦波中的直流分量，An為第n次諧波的振幅，n為失真正弦波中所含最高諧波次數，
為標準正弦波的角頻率，
n為第n次諧波相對于基波的初相角。
一般地，正弦波的失真用失真度表示，即用所有諧波有效值之和與基波有效值之比的平方根來表示，而基于FFT的失真度儀采用頻域分析方法，通過計算傅里葉系數C1，C2，…，C3，最后得到失真度大小。因此，失真度可以由式（2）定義：
根據式（2）可知：如果要求含最高諧振波次數為n次的失真度，只要求出各次諧波的幅值，就可計算出信號的失真度。
1.2 系統方案實現
模擬失真度測試儀主要采用模擬器件實現，造成了體積大，調試和維護不方便。基于以上原因，本文設計了數字失真度測試儀，考慮到成本和設計方面的原因，本系統采用FPGA與單片機相結合的方案。輸入信號先經過衰減/放大與濾波處理后，再進行A/D采樣等數字化處理，然后由FPGA完成A/D數據存取、FFT算法及頻率測量，單片機完成系統的控制、周期性判斷、信號功率譜和失真度的計算等。此方案大大降低了單片機的負荷，提高了整個系統的處理速度與測量精度，其系統總體結構框圖如圖1所示。
2 數字失真度測試儀硬件電路設計
2.1 輸入程控電路設計
為了使輸入信號的電壓范圍擴寬，設計了一個具有8擋量程的程控放大器，實現量程自動轉換，保證A/D轉換器輸入電壓保持在0.5 V～2 V。此電路由運放、模擬開關和電阻網絡組成，具體電路如圖2所示[4-6]。
2.2 輸入總功率測量電路設計
由真有效值測量芯片AD637直接接入單片機，單片機內部的12位A/D實現A/D轉換，然后由單片機完成功率計算。具體電路如圖3所示。
2.3 預濾波電路設計
為了使輸入信號的頻率成分限定在20 Hz～10 kHz范圍內，并防止采樣頻率出現混疊現象，在進行AD采樣前要進行預濾波處理。因此，采用開關電容濾波器MAX297進行預濾波電路設計，具體電路如圖4所示，其中fc=11 kHz。
2.4 信號整形電路設計
在測量正弦信號的失真度時，需對被測信號進行整形與測頻，然后使用DDS產生該頻率128倍頻A/D采樣時鐘。因此整形電路如圖5所示。
3 數字失真度測試儀軟件程序設計
3.1 FPGA程序設計
本系統中FPGA負責數據存取、FFT運算及頻率測量等功能，基本框圖如圖6所示。FPGA的內部結構包括4個部分，通信由FPGA內部總線實現，與外部的通信通過C51系列MCU的標準總線實現，各部分之間通過總線轉換模塊控制通信。通過設立控制寄存器來控制及反映FPGA內部各模塊的工作狀態。根據FPGA的程序開發功能，采取“由頂向下”的設計方法，使用VHDL語言設計出數據存取、頻率測量和控制模塊；然后使用VHDL語言并結合Altera公司提供的IP核（FFT 2.2.1）實現FFT算法[7-8]。
3.2 單片機C851F020程序設計
本系統中單片機采用C8051F020，它主要是實現控制和數據處理中心的作用，實現對程控放大、FPGA、人機接口及DDS電路的控制，同時負責計算信號的總功率和各頻率成分的功率、正弦信號失真度，還要負責信號的周期性判斷等。
3.3 周期性判斷方法
程序設計中將輸入信號分為兩個頻段，一個頻段的頻率范圍為20 Hz～500 Hz，另外一個頻段的頻率范圍為500 Hz～10 kHz。將頻率分段后再進行功率譜分析，以判斷是否有周期性信號存在。信號周期性判斷方案參數具體設置如表1所示。
4 實驗結果及分析
4.1 技術指標
技術指標：輸入電壓信號的范圍為5 mV～19.99 V，頻率范圍為20 Hz～10 kHz，各頻率分量功率測量的相對誤差絕對值≤10%，要求能準確計算出信號的功率譜及失真度，要能準確判斷信號的周期。
4.2 測量結果及分析
在開機狀態下，用4位半萬用表進行測量，輸入信號電壓范圍及量程自動轉換測試結果如表2所示。從表2可以看出，譜功率相對誤差最大為5%，完全滿足系統設計要求，而且得到了失真度精確測試數據。
輸入信號頻率范圍、頻率分辨率、頻率分量功率測量相對誤差和失真度測量具體結果如表3所示。
總功率和譜功率的具體測試結果如表4所示。其中，計算標準功率時的電壓以儀器輸出值為準。從表4可以看出，總功率的相對誤差絕對值小于10%，達到了設計的要求。
5 結論
本文設計了基于FPGA與單片機相結合的數字控制正弦信號失真度測量儀，該系統相對傳統的模擬控制正弦信號失真度測量儀具有以下優勢：（1）采用數字化設計后，電路的結構大大簡化，可靠性增強，生產容易以及調試方便；（2）數字失真度測試儀只用一套電路便可測量2～5次諧波，并可單獨顯示各次諧波的失真以及總失真，而且可以根據需要，只需增加取樣頻率即可測量更高次的諧波，并具有擴展性；（3）具有較高的精度及良好的人機界面。
參考文獻
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