1、失真度测试仪作者：郑冰环 赵 晨 陈 兵辅导教师：汪济洲 摘 要本系统由输入衰减电路，陷波器，检波电路，单片机系统与 LCD 等组成，实现对信号的失真度的测量。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；LCD 与 LED 显示界面直观，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。关键字：失真度 .陷波器 检波器 单片机一、引言要求设计一个失真度测试仪，测试频率范围:20H20kHz，失真度测量范围：30%0.01%。二、方案设计1.设计思路非线性失真的程度可用非线性失真系数来表示
2、，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 ，P 是信号总功率，P12110%iPr是基波功率，Pi 为第 i 次谐波功率。为测量方便，实际测量中常接下式测量。式中，分子表示谐波电压的总有效值，分母表示被测信号电压总210%iiUr的有效值。基波抑制法测失真度原理如下图 1 所示：图 1 基波抑制法测失真度原理框图失真度仪常采用基波抑制法测量失真大小，原理框图如图 1。开关接 S1 时，即信号未经抑制，测量出被测电压的有效值作为基准，称为“校准” ，然后将开关接至 S2，滤去基波后再经过测量，将两次测量结果经过计算，可得出信号的失真度。2.方案论证与选择（1）系统方案系
3、统方案框图如下图 2 所示：图 2 整机框图输入信号经过衰减，一路信号直接进行有效值检波，另一路由文氏电桥对其基波进行吸收后，检波器对文氏桥输出的残余谐波信号检出直流号，单片机对检波后的两路信号进行 AD 转换和失真度的相应运算，得出失真度值和频率测试范围并在 LCD，LED上显示。（2）输入衰减器方案一、使用电阻网络。电阻网络衰减器应用广泛，但其衰减过手动机械式实现，不具备先进性，故不采用。方案二、采用 AGC 电路。AGC 通过反馈来调节增益，使输出幅度保持一定，这种闭环控制电路有很好的效果，但其电路复杂，且电路本身会产生一定的噪声，使信号产生的失真，故不采用。方案三.数字电位器体积小，使
4、电路结构简单，便于实现单片机控制，但价格过高，使整机性价比降低。综合比较，采用方案三。（3）陷波器方案一、双 T 陷波滤波器 结构简单，可运用一个运算放大器来实现一个陷波器。但调谐中心频率包括了对 3个相同阻值电阻器的同时调整，电阻器不匹配会使陷波器陷波深度不够，调谐需采用高精度的组件，双 T 结构难以在单电源下工作且不能用全差动放大器来实施，故不采用。方案二、文氏电桥有源陷波器文氏桥陷波电路的失真度设计中最常用的器件，其基波衰减深度一般可达 80dB 以上，且结构简单，易于装配和调试。基于电路的易实现和方便调整性，我们选择文氏电桥作为陷波器。（4）检波器方案一、专用检波集成电路专用集成检波电
5、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，选用专用集成电路检波。3.系统硬件电路设计(1)电压跟随器在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器
6、来从中进行缓冲，起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，并且电压跟随器的输出电压与输入电压相等。原理图如图 3 所示。(2)文氏桥陷波器文氏桥电路具有良好的选频特性，可用于振荡器。我们将其用作陷波器，其中心频率由 R1R4 和 C1C2 确定，当电阻，电容满足 ， ， 时，电桥的抑制频12R34R12C率为 。因为 ，对任一频率信号，0fC12由计算可知：当输入信号频率 时，/,ADiU0f，则 。此时电桥处于平衡状态，输出为 0。当输入信号频率 偏离3Bi0AB f时，电桥失去平衡，则有电压输出。为使陷波达到更好的效果，采用如
7、下图 5 所示电0f路。图 5 文氏桥有源陷波电路为使电容可变，采用分档调节。如图所示，抑制频率为 F0=1/2PiRC，其中RW1+R10=RW2+R11=R。 U1，U2、U3 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特性，对选频电路的谐振频率无影响，U2 输出的部分电压反馈至 U3 的同相端，并经 U3 输出到电桥桥臂。改变 RW1、RW2 的值可调反馈量，从而改变 Q 值以达到锐通带选频作用。在 U2 的反馈回路中加电阻器 R12 是为抵消输入偏流以减小直流漂移。(3)有效值检波电路有效值也称均方根值，设一信号 U(t),周期为 T,有效值为 U，则有效值表达式为
8、。201()TUtdAD536 是单片精密有效值 AC/DC 转换器，具有精度高，转换速度快等优点。测量电路如图 4。图 6 有效值检波电路4.软件系统系统软件主要控制继电器选择电容，显示频率，红外遥控，计算显示失真度和控制A/D 采样等。系统程序流程图如下图 7 所示：三、系统调试系统主要需要调试陷波电路，陷波完全，失真度测量越精确，陷波电路是整个系统的关键。调整电位器，分别得出不同的频率信号陷波程度，使之陷波效果达到最好。四、系统测试1测试条件和测试仪器设备系统容易受到温度的干扰，测试时必须在室温下进行，并要确保供电电源的稳定性，测试仪器设备如下表 1 所示：表 1 测试使用的仪器设备序号
9、 名称、型号、规格 数量 备注 出厂编号1 Tektronix 示波器 1 Tektronix C0390702 函数信号发生器 EE16428 1 南京新联电子设备有限公司 0013983 数字万用表 UT58E 1 UNI-T 30500306334 自动失真度测量仪 1 GAD-201D EF8313635 频率计 12测试方法和测试结果（1）失真度测试首先测量函数信号发生器的失真度记为 r1，在相同信号下，输入系统，测量系统输出显示失真度记为 r2，并计算误差。数据记录下表 2 中：表 2 失真度测试数据记录表项目 r1 r2 误差数值% 1.3% 11.2% 10.1%由上表数据可知
10、，系统存在很大误差，这种误差是避免不了的，因为陷波电路中的电位器是手动调节的，手动调节误差难以避免。（2）频率显示测试分别输入不同频率信号，观察显示效果，记录如下表 3 所示：表 3 频率显示结果输入频率 200.221Hz 1200.332Hz 100.003KHz显示频率 200.22 Hz 1200.33Hz 100.00KHz结果表明，频率显示非常准确。（3）真有效值测试附表 3 理论值与实测值及相对误差Vin 输入( 正弦波) Uo 理论值(mV) Uo 测量值(mV) 相对误差10mVpp 3.536 3.50 2.83e-2%1Vpp 352.9 353 -0.55%2Vpp 7
11、07.213 703.3 -1.0%五、结论综合测试表明，我们的设计基本满足了设计要求，较好地实现了对信号失真度测量的功能。该失真度测试仪可以自动调节，误差在0.01 内。可绘制失真度曲线，采用LCD320*240 大屏显示，突显人性效果。另外失真度，采用 LCD12864 显示。该设计具有良好的实用性，基本能够满足所用需求。六、参考文献【1】郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用（第二版）.西安. 西安电子科技大学出版社.2004【2】康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.北京.高等教育出版社.2005【3】洪志刚.传感器原理及应用.北京.高等教育出版社.2007【4】张洪润,张亚凡单
12、片机原理及应用北京清华大学出版社2005【5】赵亮，侯国锐. 单片机 C 语言编程与实例,北京人民邮电出版社2003附录附件 1 ：AD536 测试数据在输入正弦波 Vpp=300mV，电源+Vs=+5v Vs=-5v，频率特性测试结果如下表输入信号频率 输出电压(mv)4HZ 94.335 HZ 97.8010 HZ 103.8115 HZ 105.16100 HZ 106.35500 HZ 106.492KHZ 106.495 KHZ 106.4910 KHZ 106.5320 KHZ 106.8040 KHZ 108.0460 KHZ 110.4380 KHZ 114.28100 KHZ 119.36120 KHZ 127.25150 KHZ 151.46155 KHZ 155.91160 KHZ 152.71170 KHZ 140.90180 KHZ 128.30附表 1 AD736 频率特性测试附图 1 频率特性（相对值）附件 2 ：系统总图
