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高精度失真度测试仪

摘要：设计并制作了一个高精度失真度测试仪，用于测量正弦波、方波以及三角

波等等信号波的失真度。该测试仪硬件系统基于AT89S52单片机，控制包括过零比较

整形电路，倍频锁相环，加法器，A/D信号采集和系统显示板五部分组成；软件基于

离散型傅立叶变换，应用准同步技术的失真度测量方法。由于锁相环的作用，使得

采样周期与信号周期严格同步，有效地克服了传统的基于DFT的失真度测量方法中非

整周期采样引起的频谱泄漏对测量结果的影响，实验结果表明，该方法的采用使失

真度测量的准确度提高了一个数量级，测量误差在百分之一以下。

关键字：倍频锁相环，A/D信号采集，离散型傅立叶变换

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目录

1.系统设计3

1.1设计要求3

1.1.1设计任务3

1.1.2技术要求3

1.2总体方案3

1.2.1总体设计思路3

1.2.2总体设计方案4

1.3单元电路设计4

1.3.1过零比较整形4

1.3.2加法器4

1.3.3锁相环5

1.3.4数据采集7

1.3.5结果显示7

2.数据处理7

2.1准同步采样原理7

2.2利用准同步技术实现失真度的高精度测量9

2.2.1失真度的定义9

2.2.2周期信号基波和谐波幅值的测量9

2.2.3基于准同步算法的失真度计算10

3.软件设计10

3.1开发软件及编程语言的简介10

3.2总体程序流程10

4系统测试12

4.1测试仪器与设备12

4.2指标测试12

参考文献12

附录：c51程序：13

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1.系统设计

1.1设计要求

1.1.1设计任务

设计并制作了一个高精度失真度测试仪，示意图如图一。

图1总体示意图

1.1.2技术要求

(1)能测量正弦波、方波以及三角波等等信号波的失真度：

(2)失真度测量结果的相对误差在百分之五以内。

1.2总体方案

1.2.1总体设计思路

根据设计要求中的整体示意图，可确定系统构造为：输入的待测信号f0经过零

比较电路整形，变成脉冲信号f1进入倍频锁相环，产生倍频脉冲信号f2；同时，

待测信号f0通过加法器，进行零下补偿，得到信号f3,使得其信号幅值大于或等于

零，便A/D转换器进行信号采集；脉冲信号f1和脉冲信号f2连入单片机外部中断

T0,T1中，通过脉冲信号f1的中断请求开通A/D转换器，通过脉冲信号f2的中请

求进行数据采集；采集得到的数据送入单片机进行数据处理，然后通过LCD输出测

量结果。

由于测量和数据处理中，数据量和计算量较大，故本系统在单片机外扩展了一

片外部RAM，以便数据的存放。

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1.2.2总体设计方案

根据总体设计思路，可画出总体方案方框图，如图2。

图2总体方案方框图

1.3单元电路设计

1.3.1过零比较整形

采用比较芯片LM311，f0反相输入信号，正相输入端接地，输出信号f1即为

脉冲信号。

1.3.2加法器

为方便数据采集，需将待测信号幅值变换到A/D转换器的采集范围内。

fo通过加法器把信号提到零上来，然后通过放大电路把最大幅值调整到+5V,

即为信号f3。

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图5两级运放电流/电压变换电路

1.3.3锁相环

集成锁相环芯片CD4046是由CMOS电路构成的多功能单片集成锁相环，具有

功耗低、输入阻抗高、电源电压范围宽等优点。在信号处理和数字系统中，CD4046

都得到了广泛的应用，常被用于频率调制、频率锁定、时钟同步和频率合成等方面。