波形信號(hào)分析

1、波形分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)根據(jù)要求制作一個(gè)波形分析系統(tǒng)。此系統(tǒng)是能夠提取方波的高次諧波，并進(jìn)行測(cè)量的裝置。系統(tǒng)主要采用89S52單片機(jī)產(chǎn)生頻率為1KHz的方波，通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)帶通濾波器分別濾出1、3、5次諧波分量，再通過(guò)峰值檢波電路測(cè)量各分量的最大值，最后測(cè)量其有效值并與理論值進(jìn)行誤差觀測(cè)與分析。其主要由信號(hào)源,顯示部分和濾波部分組成.信號(hào)源部分由89S52通過(guò)軟件產(chǎn)生1KHz的單極性的方波，顯示部分由實(shí)驗(yàn)板的LCD部分組成，濾波部分由針對(duì)1、3、5次諧波所設(shè)計(jì)的帶通濾波器組成。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)1KHz的方波進(jìn)行峰值和平均值的檢測(cè)，并分別對(duì)其1、3、5次諧波部分測(cè)量其振幅的有效值，并進(jìn)行誤差分

2、析.本裝置電路復(fù)雜程度低，成本較低，實(shí)用性好，性能優(yōu)越，效率高。關(guān)鍵詞：波形分析 單極性方波 諧波分量 誤差分析目錄一方案論證與比較3（一） 總體方案論證3（二） 各模塊方案論證3 二. 理論分析和計(jì)算 4 三. 電路設(shè)計(jì) 4（一）濾波器電路設(shè)計(jì)4（二）峰值檢波器電路設(shè)計(jì)5 四. 仿真測(cè)試 6 五. 測(cè)試方法與儀器 7 一、 方案論證與比較(一) 總體方案論證 本系統(tǒng)以89S52單片機(jī)作控制器，由FPGA開(kāi)發(fā)板產(chǎn)生1KHz的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器后，可以分別濾出該方波信號(hào)的1、3、5次諧波分量，再通過(guò)峰值檢波器測(cè)出各諧波分量的最大值，通過(guò)顯示部分來(lái)比較其有效值與峰峰值和實(shí)際方波信號(hào)傅氏級(jí)數(shù)理論

3、值進(jìn)行誤差比較。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)思路，可得如圖1所示的總體設(shè)計(jì)框圖：LCD顯示屏峰值檢波器基波濾波器FPGA產(chǎn)生1KHz方波信號(hào)LCD顯示屏峰值檢波器三次諧波濾波器vLCD顯示屏峰值檢波器五次諧波濾波器vv 圖1 總體方案設(shè)計(jì)框圖（二）各模塊方案論證1、1KHz的方波發(fā)生模塊方案一：采用555芯片產(chǎn)生。由555芯片組成占空比為50%的多諧振蕩器電路，該波形的頻率可以通過(guò)調(diào)節(jié)555定時(shí)器電路的放點(diǎn)電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。但波形輸出不穩(wěn)定，容易失真。方案二：采用FPGA開(kāi)發(fā)板產(chǎn)生。由軟件編程來(lái)控制開(kāi)發(fā)板上的晶振直接產(chǎn)生1KHz的方波，此方案更簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的波形穩(wěn)定。通過(guò)以上比較分析，我們選用方案二。2、帶通濾

4、波器部分方案一：無(wú)源帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。可以直接利用RLC諧振原理來(lái)形成無(wú)源帶通濾波器電路。其電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但濾出的波形不穩(wěn)定，對(duì)于要求較精確的測(cè)量電路中不適宜應(yīng)用。方案二：有源帶通濾波器實(shí)現(xiàn)。利用LM324帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)放放大器加上合適的阻容原件來(lái)形成二階有源帶通濾波器。該電路可控性良好，適用于較精確測(cè)量電路中，而且可以通過(guò)改進(jìn)電路的階數(shù)來(lái)改進(jìn)對(duì)高次諧波的測(cè)量準(zhǔn)確度。通過(guò)以上比較分析，我們選用方案二。 3、峰值檢波器部分方案一：二極管峰值檢波器實(shí)現(xiàn)。二極管峰值檢波器由二極管和阻容原件構(gòu)成。需要輸入信號(hào)電壓幅度大于0.5V，檢波器輸出、輸入之間是線性關(guān)系，電路組成較簡(jiǎn)單，但是測(cè)量范圍有限且穩(wěn)

5、定性不好。 方案二：?jiǎn)芜\(yùn)放峰值檢波器實(shí)現(xiàn)。單運(yùn)放峰值檢波器由運(yùn)放、二極管和阻容元件構(gòu)成。該電路可測(cè)范圍較寬，電路穩(wěn)定性好。通過(guò)以上比較分析，我們選用方案二。二、理論分析與計(jì)算任何電信號(hào)都是由各種不同頻率、幅度和初相的正弦波疊加而成的。對(duì)周期信號(hào)由他的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式可知，各次諧波為基波頻率的整數(shù)倍。對(duì)于方波信號(hào)的分解，可以采用性能較佳的有源帶通濾波器作為選頻網(wǎng)絡(luò)，若方波信號(hào)的頻率為w。，電壓幅值為E則按照傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式如下所示： 可知，方波的1、3、5次諧波的幅度比應(yīng)為1：，且相位與基波相同。又公式可知，根據(jù)設(shè)定值則測(cè)出的1、3、5次諧波的峰峰值和平均值應(yīng)分別為:表1 理論設(shè)計(jì)值信

6、號(hào)類(lèi)型被測(cè)量方波信號(hào)1次諧波3次諧波5次諧波中心頻率1KHz1KHz3KHz5KHz峰 峰 值1V1.273V0.425V0.254V平均值（有效值）0.5V0.900V0.300V0.180V三、電路設(shè)計(jì)（一）濾波器電路設(shè)計(jì)11次諧波帶通濾波器23次諧波帶通濾波器35次諧波帶通濾波器（2） 峰值檢波器電路設(shè)計(jì)四、仿真測(cè)試1、一次諧波頻譜及波形仿真圖 2、 三次諧波頻譜及波形仿真圖 3、五次諧波頻譜及波形仿真圖 4、峰值檢波器波形仿真圖五、測(cè)試方法與儀器1、測(cè)試使用的儀器設(shè)備測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表2所示：表2 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱(chēng)數(shù)量型號(hào)1直流穩(wěn)壓電源1YB1733A 2數(shù)字示波器1DS

7、1102CD3函數(shù)信號(hào)發(fā)生器1XJ16314數(shù)字萬(wàn)用表1CDM82455電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)1ESD-52、測(cè)試方法（1）將設(shè)計(jì)的方波發(fā)生程序下載到電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐平臺(tái)上，并接入數(shù)字示波器測(cè)量其峰峰值和平均值，與LCD顯示屏顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，考察輸入方波的周期準(zhǔn)確度和幅度范圍。（2）將方波信號(hào)作為輸入，分別接到一、三、五次諧波濾波器上，再通過(guò)峰值檢波器電路，并在液晶屏上讀取數(shù)據(jù)，用示波器觀察波形有無(wú)失真，數(shù)據(jù)是否一致。（3） 改進(jìn)部分：將方波改成三角波和正弦波，步驟同上。3、測(cè)試數(shù)據(jù)（1） 方波測(cè)試?yán)碚撝底龅氖?kHZ，占空比為50%，幅度為1.5v的單極性方波表3 方波測(cè)試結(jié)果測(cè)量設(shè)備

8、平均值峰峰值示波器0.5v1.0v實(shí)驗(yàn)箱0.49v0.97v（2） 諧波測(cè)試 表4 諧波測(cè)試結(jié)果液晶顯示有效值理論有效值波形有無(wú)失真一次諧波1.38v1.35v無(wú)三次諧波0.41v0.45v無(wú)五次諧波0.23v0.27v無(wú)4、測(cè)試結(jié)果分析方波信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)FPGA的查表數(shù)據(jù)產(chǎn)生的，接上濾波電路和實(shí)驗(yàn)箱后負(fù)載發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致增益發(fā)生變化。進(jìn)而影響峰峰值，導(dǎo)致偏低。另外由于采樣頻率和個(gè)數(shù)有限，對(duì)于最大值和最小值不一定能夠完全采樣到，也會(huì)使得峰峰值和平均值的幅度偏小。對(duì)于一次諧波，三次諧波和五次諧波，由于采用的是二階濾波器和四階濾波器，對(duì)于一次諧波來(lái)說(shuō)，由于本身通過(guò)濾波器的增益是/3比較大,而三次諧波和五次諧波的幅值是基波的1/3和1/5,所以對(duì)一次諧波的影響較小，而四階濾波器設(shè)計(jì)不能完全的濾除基波和其他高次諧