合肥学院第七届大学生电子设计竞赛设计总结报告题目：正弦波失真度仪（E）组员：2011年4月23日题目名称：正弦波失真度仪(E题)摘要：本系统用模拟的方法实现对信号的失真度的测量。

由陷波电路，检波电路，单片机系统与显示部分等组成。

陷波采用文氏桥有源陷波电路，使陷波深度大，结构简单，调试方便；检波电路采用专用集成电路，误差小，实现简单；单片机控制使测试过程简单方便，体现智能化；液晶显示屏显示界面具有直观，友好等优点。

本设计较好地实现了对信号失真度测量的功能。

关键词：文氏陷波检波电路信号放大液晶屏显示一、题目要求与分析设计内容是设计一个正弦信号失真度仪。

1.1基本要求（1）被测输入正弦信号的频率范围为 10Hz~100Hz；（2）输入信号的峰峰值范围为0.5v~2.5v；（3）测量失真度范围为0.1%~99.9%，分辨率为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。

1.2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；（4）其它。

1.3题目分析：非线性失真程度可用非线性失真系数来表示，简称失真度。

其定义为：r是谐波总功率与基波功率之比的平方根，即100%r==，P是信号总功率，P1是基波功率，Pi为第i次谐波功率。

为测量方便，实际测量中常用式测量。

式中，分子表示谐波电压的总有效值，分母表示被测信号基波电压的有效值。

二、方案论证2.1系统总体方案方案一：采用模拟方法实现。

即用手动调节的方法，来搜索基频，通过滤波电路滤除基波成分，利用有效值检波电路测出电压有效值（全部谐波成分的有效值），再根据失真度公式计算出失真度大小，再用液晶显示屏来显示。

该方法采用模拟电路知识，实现起来虽有较大的困难，但是此方案对经济和单片机的要求不高，算法也较容易实现。

方案二：采用模拟和数字相结合的方法实现。

采用有源文氏电桥组成三阶带阻滤波器用以滤除被测信号的基波成分，采用专门的有效值检波集成芯片得到被测信号的有效值和全部谐波分量的有效值。

由公式计算出失真度，控制和数据处理部分用全集成混合信号在片系统单片机。

显示部分用液晶显示模块，显示内容有：失真度、信号频率、电压有效值、信号波形。

但是此方案对单片机要求较高，算法麻烦，芯片价格昂贵。

综上所述，我们采用方案一。

总体框架图如下：图1 总体框架图信号输入后，分成三路，一路通过波形转换，进行频率测量。

另外两路通过两个途径输入到单片机，这中间通过开关按钮控制继电器来实现切换，当继电器处于常闭状态时，信号先输入到陷波电路，通过陷波后的信号由于很小，需要通过信号调整，然后经过有效值检波电路检测出有效值送入单片机，当继电器被切换到常开状态时，信号直接送到有效值检波电路，继而送入到单片机中进行处理，得到失真度。

2.2各模块方案比较与选择2.2.1方波转换模块方案一：采用过零比较器进行波形变换，可以将正弦波信号转化成同频的方波信号，然后经过施密特触发器进行整形，比较器采用高精度集成运算放大器NE5534，它具有高精度，低噪声，高阻抗，高速，频带宽等优良特性。

方案二：由于输入信号较小，直接进行比较有些困难，于是可以先加一个放大电路，再通过施密特比较器输出幅度为3V的方波，紧接着可再接一衰减电路将电压调整到所需电压。

由于本题只要求测出频率即可，对方波转换的波形要求并不是太高，方案二虽然方波幅度及占空比可调，波形失真度小，但电路繁琐，而方案一虽然电路简单，但足以达到测量频率的要求。

故我们选择方案一。

2.2.2陷波电路方案一：采用数字滤波器构成系统的陷波电路部分。

在DSP芯片中，利用脉冲不变法FIR设计一个二阶带阻滤波器。

该方案采用数字技术,能得到很好的滤波效果。

但由于使用到了DSP芯片，使硬件电路变的更复杂，并且也给软件设计增加了一定的难度。

方案二：采用模拟电路技术，利用双Ｔ形有源滤波器构成陷波电路。

双T形电路由3个电阻、3个电容组成，基本上是对称的，在衰减极点处谐振，谐振频=1／2πRC 。

其基本电路原理图如图2所示。

率f图2 双Ｔ形有源滤波器构成的陷波电路图中运算放大器A1，A2均起缓冲作用，双T形电桥的纵桥臂不接地，而是接到放大器A2的输出端，放大器A1的部分输出信号通过A3反馈到电桥的纵臂。

由于正反馈的作用，使得频带变窄，Q值提高。

A1，A2都是分压跟随器组态，反馈量由RA ，RB 的分压值确定。

反馈系数1()/()A P A B F R R R R R =+++根据反馈系数F 可以求得有源滤波器的Q 值Q=1／4（1–F ） （0<F<1）只要通过改变R0，C0的值，便可以滤掉不同频率的基波，达到陷波的目的。

方案三：采用模拟电路技术，利用RC 文氏电桥组成陷波器。

此方案也是系统设计所采用的方案。

由文氏电桥组成的基波抑制电路（陷波器）如图3所示图3 文氏电桥基波抑制电路图 图4 文氏电桥有源陷波电路元件的相关参数在图中已给出，此时，电桥的抑制频率0f =1/2RC π因为221R R =，对任一频率的信号12/3AD u u =，由计算可知：当输入信号频率f = f 0时，12/3BD u u =，则0AB u =。

此时电桥处于平衡状态，输出为0。

当输入信号频率f 偏离f 0时，电桥失去平衡，则有电压输出。

但文氏电桥无源滤波电路的选择性很差，考虑到任务书中的精度要求，为此在实际设计时我们采用了由文氏电桥组成的有源陷波电路，如上图4所示。

A3，A4都是电压跟随器组态，均有缓冲隔离作用，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特性，它们的接入对选频电路的谐振频率没有影响，A4输出的部分电压，反馈到A3的同相端，并经A3输出到电桥桥臂。

通过调节可变电阻R5，改变反馈量，从而改变Q 值，以达到锐通带选频作用。

C2的作用是抑制尖峰脉冲。

当f = f 0时，A4的输出为0，f 偏离f 0时，电桥失衡，有电压输出。

因此该电路能抑制基波，使谐波通过。

2.2.3后级信号放大方案一、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。

普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。

由于A/D 转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。

所以，此种方案不宜采用。

方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。

差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。

方案三：采用专用仪表放大器，如：AD620等。

此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。

但价格昂贵，一个需26元左右。

由于方案一噪声大，而方案三相对较贵，所以我们选用方案二，且方案二完全能达到要求。

2.2.4检波电路方案一、专用检波集成电路。

专用集成检波电路集成度高，外围电路少，电结构路简单，工作稳定，误差小。

方案二、分离器件检波。

分离器件实现检波具有结构简单等优点，但由于失真度测量输入信号本身就是不规则的失真信号，而分离元件组成的有效值检波电路是在检测出信号的峰值后按照一定的关系计算得出有效值，一般只能用于检测规则信号（诸如正弦波等信号），输出误差较大，不适用于失真度仪。

通过以上分析，选用方案一的专用集成电路检波。

三、各模块的实现3.1波形变换模块具体电路如下：此电路运用一个NE5532构成一个过零比较器，当信号为正时，输出高电平，信号为负时输出低电平。

3.2 AD 转换模块检波电路检测到谐波或总的有效值后，传送到AD0809转换芯片，通过AD 采样转换传送至单片机中进行处理。

其硬件连接图见附录。

3.3陷波电路模块陷波模块的具体电路如下：为了能更好的实现陷波效果，我们采用四对电容当电容分别打到相应的档位时，根据公式0f =1/2RC π计算出电位器对应的阻值，用万用表调节即可。

例如：C=2.2uf ，f=10Hz ；可得阻值R=7000Ω C=0.47uf,f=75Hz ；可得阻值R=4500Ω C=0.22uf ，f=300Hz ；可得阻值R=2500Ω C=0.047uf ，f=700Hz ；可得阻值R=4900Ω3.4后级放大电路该放大电路的特点是：差动输入，单端输出。

电压增益可由一个电位器控制，且增益连续可调。

并有效的解决了后级负载对地连接的问题，U1,U2组成了同向高输入阻抗的差动输入，差动输出，并承担了前级的放大任务。

由于电路结构对称，增益改变时，输入阻抗不变。

反馈电阻由R7,R8构成，后级的放大倍数为一，具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。

U3的反向输入端接调零电路，可以队输出端进行调零。

RV 23.5有效值检波电路采用单片集成电路(AD536A)来实现信号有效值及全部谐波有效值的测量，使电路得以简化。

测量交流电流或电压时，若波形是正弦波，可用平均值检波、峰值检波电路将其转换为平均值、峰值电压，将测量的示值换算成有效值。

但对脉冲波形或失真度较大的正弦波采用这种普通检波电路进行测量换算，误差较大。

必须设计出能获得真有效值的运算电路，即由绝对值电路(或平方根)和积分电路组成的电路。

检波电路的设计如图7（图中电阻单位为Ω）：1图7 检波电路3.6显示模块图8 显示模块连接图液晶显示屏的R/W，E脚分别连到单片机的P3.0，P3.1 口，通过P3.0，P3.1口来控制液晶显示屏的显示，如上图8。

四、软件设计4.1失真度显示流程图继电器默认为常闭状态，即信号通过陷波后输入，此时检测到的是谐波有效值，通过ADC0809传入单片机并保持，当继电器被切换到常开状态时，检测到的是总的有效值，输入到单片机并保持。

进而通过单片机按照公式计算得出失真度并在液晶屏上显示。

五、系统总体性能测试5.1频率显示模块测试测试仪器：信号发生器，数字示波器测试结果：调整信号发生器，分别使其产生不同频率的正弦信号，通过数字示波器进行观察分别记录下各信号频率。

在产生每个信号的同时用自制频率计观察信上，而题目只要求精确到0.1，足以满足题目要求。

5.2失真度模块测试测试仪器：信号发生器，数字示波器，万用表，失真度仪。

测试结果：调整信号发生器，使其分别产生10Hz、0.5V，10Hz、2.5V，50Hz、0.5V，50Hz、2.5V，100Hz、0.5V，100Hz、2.5V，1kHz、0.5V，1kHz、2.5V的也能达到要求。

5.3误差分析造成误差的原因有：（1）手动可调电阻的不精确性，测量的过程中是通过改变可调电阻阻止来达到陷波的频率的，在调动的过程中很难达到精确的值而造成误差。

（2）采样周期的量化误差，根据采样原理实际电气的采样周期T和采样过程中计算的周期Ts必须是整数倍的而实际测量系统中，微处理器的定时器和时钟周期精度受到限制，故所测信号与实际信号存在误差。