高精度数字失真度测量仪的设计.doc

1、高 精 度 数 字 失 真 度 测 量 仪 的 设 计http:/ 2008 年 05 月 07 日 14:14:29 电 子 工 程 师 作 者 ： 戴 振 华 ， 徐 运 涛 ， 陆 锋引 言通 信 系 统 中 采 用 的 许 多 算 法 和 技 术 都 是 在 线 性 系 统 的 前 提 下 研 究 和 设 计 的 ， 一 定 频 率 的信 号 通 过 这 些 网 络 后 ， 往 往 会 产 生 新 的 频 率 分 量 ， 称 之 为 该 网 络 的 线 性 失 真 。 失 真 度 分 析采 取 的 常 用 方 法 有 基 波 抑 制 法 和 谐 波 分 析 法 两 种 。基 波 抑 制

2、 法 通 常 用 在 模 拟 失 真 度 测 量 仪 中 ， 原 理 是 采 用 具 有 频 率 选 择 性 的 无 源 网 络(如 谐 振 电 桥 、 双 T 陷 波 网 络 等 )抑 制 基 波 ， 由 信 号 总 功 率 和 抑 制 基 波 后 的 信 号 功 率 计 算 出失 真 度 。 理 想 的 基 波 抑 制 器 应 完 全 滤 除 基 波 ， 又 不 衰 减 任 何 其 他 频 率 。 但 实 际 上 ， 基 波 抑制 器 对 基 波 衰 减 抑 制 只 能 达 到 -60 dB -80 dB， 对 谐 波 却 损 耗 0.5 dB 1.0 dB。 这 种方 式 的 失 真 度

3、 仪 的 性 能 主 要 依 赖 于 硬 件 设 计 ， 调 试 和 校 准 工 作 烦 琐 ， 一 般 只 能 实 现 固 定 1个 或 几 个 频 率 的 失 真 度 测 量 ， 其 测 量 误 差 随 着 失 真 度 降 低 而 加 大 ， 并 且 随 着 器 件 老 化 ， 电路 的 稳 定 性 和 可 靠 性 降 低 。谐 波 分 析 法 类 似 于 频 谱 分 析 ， 通 常 是 借 助 数 字 方 式 的 以 FFF(快 速 傅 里 叶 变 换 )为 基 础的 算 法 ， 或 者 采 用 模 拟 方 式 的 选 频 测 量 方 法 ， 从 而 获 得 基 波 和 各 次 谐 波

4、的 功 率 ， 计 算 出 失真 度 。 模 拟 选 频 方 式 的 失 真 度 分 析 仪 性 能 高 ， 但 硬 件 电 路 复 杂 。 数 字 方 式 的 失 真 度 分 析 对硬 件 的 设 计 要 求 降 低 ， 其 性 能 主 要 决 定 于 A D 转 换 的 精 度 和 数 字 信 号 处 理 算 法 。 仅 仅采 用 FFT 来 分 析 失 真 度 是 远 远 不 够 的 ， 因 为 测 量 精 度 与 其 运 算 量 、 存 储 空 间 的 大 小 和 测 量速 度 存 在 明 显 的 矛 盾 。 针 对 以 上 失 真 度 测 量 方 法 的 不 足 ， 本 文 以 数

5、字 谐 波 分 析 法 为 基 础 ，提 出 了 基 于 DFT(离 散 傅 里 叶 变 换 )和 过 零 检 测 法 的 失 真 度 分 析 算 法 ， 不 仅 可 满 足 高 精 度和 任 意 频 率 的 测 试 需 求 ， 还 可 降 低 硬 件 设 计 复 杂 度 。1 失 真 度 算 法 研 究1.1 算 法 分 析失 真 度 定 义 为 ：式 中 ： u1， u2， ， uM 分 别 为 被 测 频 率 的 基 频 、 二 次 谐 波 、 、 M 次 谐 波 分 量 的 幅度 有 效 值 ； E1， E2， ， EM 为 基 频 和 谐 波 分 量 的 能 量 ， 一 般 M=5

6、或 7。 从 失 真 度 定 义 来 分 析 ， 要 测 量 信 号 的 失 真 度 ， 只 须 设 法 将 被 测 信 号 的 基 波 与 谐 波 分 离 ，分 别 测 出 它 们 各 自 的 功 率 或 电 压 有 效 值 ， 代 入 式 (1)即 可 。DFT 在 DSP 中 通 常 用 于 对 平 稳 信 号 的 频 谱 估 计 ， 在 应 用 中 ， 将 输 入 信 号 截 短 ， 得 到 的行 向 量 X=x(n)与 一 个 相 同 长 度 的 正 弦 信 号 W=w(n)相 乘 积 分 ， 可 得 到 向 量 X 中 含 有 正弦 信 号 W 的 分 量 。 所 以 ， 如 果

7、向 量 W 的 频 率 等 于 失 真 度 测 量 的 各 个 频 率 分 量 和 它 们 的正 交 分 量 ， 则 可 以 计 算 出 输 入 信 号 中 包 含 第 m 次 谐 波 的 能 量 Em：将 式 (2)值 代 人 式 (1)就 可 得 到 失 真 度 值 。 在 工 程 测 量 中 ， 被 测 信 号 的 频 率 往 往 未 知 ， 而 DFT 计 算 时 是 确 定 的 频 率 ， 所 以 应 给W 提 供 准 确 的 频 率 ， 而 且 W 的 频 率 预 测 越 准 确 ， 能 量 计 算 也 越 精 确 。为 了 准 确 找 到 基 频 ， 对 采 样 信 号 采 用

8、过 零 检 测 法 来 测 量 频 率 ， 为 避 免 噪 声 干 扰 ， 设 置 零幅 度 带 ， 每 通 过 零 幅 度 带 即 为 过 零 一 次 。 被 测 信 号 频 率 由 fx=N T 得 到 ， T 为 时 间 基准 ， N 为 T 内 过 零 点 数 。 过 零 检 测 法 测 频 虽 准 确 度 较 高 ， 但 是 在 标 准 的 时 间 基 准 T 中如 10 ms、 0.1 s、 1 s 等 ， 由 于 被 测 信 号 与 门 控 信 号 不 可 能 同 步 锁 定 ， 所 以 存 在 固 有 的1 量 化 误 差 。 本 系 统 中 如 果 选 用 1 s 做 时 间

9、 基 准 的 话 ， 实 时 性 不 够 。 因 此 综 合 考 虑 实 时性 、 存 储 量 、 处 理 速 度 之 间 的 关 系 ， 选 择 T=0.1 s 作 为 时 间 基 准 。 这 时 1 误 差 被 扩 大10 倍 ， 为 10 Hz。 为 解 决 1 量 化 误 差 ， 使 用 以 过 零 测 频 为 中 心 ， 固 定 带 宽 (30 Hz)内最 大 值 能 量 搜 索 办 法 (二 分 法 )寻 找 基 频 能 量 最 大 值 ， 经 过 5 7 次 迭 代 可 得 到 准 确 的 基频 。 然 后 直 接 使 用 此 基 频 得 到 各 次 谐 波 的 准 确 频 率

10、， 并 将 基 频 和 谐 波 频 率 提 供 给 W，使 用 DFT 就 可 直 接 估 计 基 频 和 各 高 次 谐 波 能 量 ， 完 成 失 真 度 计 算 。1.2 仿 真 结 果 分 析使 用 MATLAB 对 上 述 算 法 进 行 仿 真 。 设 输 入 信 号 基 频 为 1 kHz， 并 在 30 Hz 范 围 内随 机 变 动 ， 信 噪 比 20 dB， 采 样 速 率 为 44103 次 采 样 s， 计 算 到 7 次 谐 波 能 量 ， 基频 能 量 二 分 法 搜 索 带 宽 为 30 Hz。 最 大 值 搜 索 时 ， 当 能 量 变 化 小 于 0.1 时

11、 终 止 ， 序 列运 算 长 度 1 024 个 采 样 点 ， 使 用 平 方 汉 宁 (Hanning)窗 减 少 频 谱 泄 漏 。 按 这 些 条 件 ， 对500 次 具 有 随 机 频 偏 和 失 真 特 性 的 输 入 信 号 进 行 算 法 仿 真 。 结 果 如 图 1 所 示 。仿 真 结 果 表 明 ， 采 用 上 述 条 件 时 ， 频 率 计 算 误 差 控 制 在 1 Hz 以 下 (见 图 1(a)； 失 真度 误 差 能 控 制 在 1 以 下 (见 图 1(b)。 如 果 终 止 条 件 更 严 格 ， 测 量 精 度 可 以 更 高 。 通 过 仿真 还

12、发 现 ， 当 基 频 搜 索 时 能 量 变 化 小 于 0.01 时 终 止 ， 失 真 度 测 量 误 差 可 小 于0.1 (见 图 1(d)。 为 使 失 真 度 算 法 更 有 效 率 ， 本 系 统 采 用 能 量 变 化 小 于 0.1 时 终 止 。2 数 字 失 真 度 测 量 仪 硬 件 结 构该 系 统 硬 件 结 构 如 图 2 所 示 。 测 量 仪 主 要 由 信 号 调 理 、 低 通 滤 波 、 数 据 采 集 系 统 、 主控 制 器 AVR 单 片 机 (Atmega64L)、 DSP(数 字 信 号 处 理 器 )等 模 块 组 成 。2.1 信 号 调

13、 理 和 低 通 滤 波 模 块信 号 调 理 和 低 通 滤 波 的 功 能 是 对 信 号 的 幅 度 进 行 调 理 和 滤 波 。 信 号 的 输 入 范 围 是 不 定 的 ，小 信 号 信 噪 比 较 低 ， 大 信 号 会 引 起 A D 转 换 器 对 信 号 进 行 限 幅 而 失 真 ， 所 以 采 用 数 控可 变 增 益 放 大 器 对 信 号 输 出 电 压 范 围 进 行 调 整 ， 将 信 号 的 幅 度 控 制 在 A D 转 换 器 的 满幅 度 附 近 。 保 证 A D 转 换 器 采 集 到 的 波 形 数 据 最 大 值 仅 占 A D 转 换 器 不

14、 失 真 输 入 范围 的 80 。 低 通 滤 波 为 20 kHz 低 通 滤 波 器 ， 其 0.1 dB 带 宽 为 18 kHz， 能 有 效 滤 除 高频 信 号 ， 同 时 保 证 较 好 的 带 内 平 坦 度 。2.2 数 据 采 集 模 块作 为 测 量 仪 器 要 得 到 高 精 度 的 测 量 结 果 ， 要 求 A D 转 换 器 的 精 度 必 须 足 够 高 。 系 统采 用 了 TI 公 司 的 24 bit 工 业 A D 转 换 器 ADS1271， 它 可 以 得 到 低 的 漂 移 、 极 低 的 量化 噪 声 。 经 ADS1271 采 样 后 的 数

15、 据 由 DOUT 引 脚 串 行 输 出 ， 与 TMS320C6713 的 多通 道 缓 冲 串 口 McBSP 直 接 相 连 。 McBSP 可 支 持 字 长 为 24 bit 的 数 据 ， 可 直 接 接 收A D 转 换 器 输 出 的 24 bit 串 行 数 据 ， 并 自 动 将 接 收 数 据 中 的 数 据 位 调 整 为 DSP 需 要的 格 式 。 A D 转 换 器 采 样 速 率 为 44103 次 采 样 s。 A D 转 换 器 的 采 样 脉 冲 信 号 由DSP 的 定 时 器 提 供 。2.3 数 据 处 理 模 块DSP 模 块 以 TMS320C

16、6713 芯 片 为 核 心 。 该 芯 片 是 TI 公 司 推 出 的 一 款 高 性 能 浮 点DSP， 内 核 包 含 了 8 个 功 能 单 元 ， 采 用 先 进 的 VLIW(甚 长 指 令 字 )结 构 ， 使 得 DSP 在单 周 期 内 能 够 执 行 多 条 指 令 。 在 225 MHz 的 时 钟 频 率 下 ， 其 最 高 执 行 速 度 可 以 达 到1350106 次 浮 点 运 算 s。 它 还 集 成 了 丰 富 的 片 内 外 设 单 元 ， 本 系 统 主 要 用 到 的 有HPI、 EDMA 和 定 时 器 。主 机 接 口 为 HPI， 外 部 主

17、机 可 以 直 接 访 问 内 部 的 存 储 器 和 存 储 器 映 像 存 储 器 ，TMS320C6713 的 HPI 通 过 EDMA 控 制 器 实 现 对 DSP 存 储 空 间 的 访 问 ， 本 系 统 中Atmega64L 是 主 机 ， 可 以 直 接 配 置 TMS320C6713 的 EDMA 定 时 器 ， 节 省TMS320C6713 的 查 询 周 期 。 ED-MA(增 强 型 直 接 存 储 器 访 问 )是C621x C671x C64x 系 列 DSP 特 有 的 访 问 方 式 ， 其 启 动 可 以 由 内 部 或 外 部 事 件 触 发 ，本 系 统

18、 采 用 外 部 触 发 。2.4 外 围 设 备失 真 度 测 试 系 统 的 控 制 和 结 果 显 示 通 过 标 准 RS-232 接 口 完 成 。 因 此 该 数 字 失 真 度 测量 仪 可 以 作 为 一 个 独 立 测 量 模 块 集 合 在 其 他 综 合 测 试 仪 中 。2.5 控 制 模 块主 控 制 器 使 用 Atmega64L 单 片 机 ， 完 成 系 统 的 控 制 。 DSP 的 处 理 结 果 由 主 控 制 器 通过 HPI 接 口 获 得 ， 并 缓 存 在 内 存 中 ； 当 外 部 命 令 读 取 测 试 结 果 时 ， 再 通 过 RS-232

19、 接口 发 送 出 去 。 控 制 模 块 还 完 成 系 统 的 低 功 耗 控 制 、 DSP 运 行 模 式 等 控 制 。3 软 件 实 现图 3 是 TMS320C6713 芯 片 的 软 件 流 程 图 。 该 芯 片 受 Atmega64L 控 制 。Atmega64L 根 据 RS-232 接 口 获 得 指 令 ， 然 后 根 据 指 令 参 数 来 控 制 仪 器 的 运 行 。TMS320C6713 可 执 行 两 种 操 作 ： 一 种 是 自 动 测 量 ， 首 先 对 采 集 数 据 使 用 过 零 法 粗 测 频 率 ，然 后 把 粗 测 频 率 作 为 参 数

20、传 递 给 失 真 度 测 量 程 序 ， 由 失 真 度 计 算 程 序 完 成 测 量 ； 另 一 种 是定 频 测 量 ， 把 Atmega64L 传 递 来 的 频 率 参 数 直 接 传 递 给 失 真 度 测 量 程 序 完 成 失 真 度 的 测量 ， 而 不 需 要 事 先 测 量 频 率 。失 真 度 测 量 程 序 设 有 一 个 入 口 参 数 fmiddle， 以 此 参 数 为 中 心 频 率 在 带 宽 30 Hz 内 使用 最 大 值 搜 索 法 找 寻 准 确 的 基 频 频 率 并 完 成 失 真 度 计 算 ， 返 回 值 是 实 际 测 量 的 基 频 频

21、 率 、信 号 电 平 、 失 真 度 。DSP 处 理 完 数 据 后 ， 把 测 试 结 果 缓 存 在 内 存 中 ， 单 片 机 根 据 指 令 通 过 HPI 接 口 读 取测 试 结 果 。4 性 能 分 析测 量 速 度 是 决 定 仪 器 实 用 性 的 重 要 因 素 。 每 计 算 一 次 失 真 度 ， 基 频 能 量 二 分 法 最 大 值 搜索 时 一 般 需 要 5 7 次 迭 代 ， 每 次 迭 代 含 3 次 向 量 乘 法 (2 次 乘 法 ， 2 次 加 法 )， 取 10 次迭 代 需 要 30 次 向 量 乘 累 加 操 作 、 生 成 30 个 W 向

22、 量 ； 剩 余 6 次 谐 波 计 算 需 要 6 个 W向 量 ， 合 计 36 个 W 向 量 。W 向 量 的 生 成 如 果 采 用 直 接 调 用 库 函 数 ， 运 送 量 太 大 ， 而 采 用 迭 代 方 法 实 现 的 效 率 更 高 。由 三 角 变 换 公 式 ：只 需 调 用 库 函 数 运 算 得 到 cos T， sin T 这 两 个 基 本 函 数 值 ， 就 可 得 到 整 个 W向 量 ， 每 个 点 生 成 需 4 次 乘 法 和 2 加 法 。 因 此 系 统 采 用 1024 点 完 成 失 真 度 计 算 一 次 共需 ： 1024436+1024

23、636=368 640 次 运 算 ， 对 于 1350106 条 指 令 s 的 DSP 来说 ， 耗 时 约 0.3 ms。 加 上 数 据 存 储 ， 小 运 算 量 消 耗 时 间 ， 除 去 操 作 控 制 时 间 ， 总 耗 时 控制 在 1 ms 内 ， 能 满 足 实 时 要 求 。实 验 结 果 表 明 ， 频 率 测 量 范 围 为 20 Hz 20 kHz， 频 率 误 差 1 Hz； 经 校 准 后 ， 电 平测 量 范 围 10mV 10 V， 误 差 0.4 dB； 失 真 度 在 频 率 100 Hz 3 kHz 区 间 ， 测 量 范 围-5 dB -45 dB

24、， 测 量 误 差 0.2 dB。5 结 束 语本 文 提 出 了 一 种 基 于 DFT 的 失 真 度 测 量 算 法 ， 并 通 过 TMS320C6713 实 现 了 数 字 失真 度 测 量 仪 。 该 失 真 度 测 量 仪 硬 件 设 计 简 单 ， 易 调 试 ， 测 量 结 果 准 确 ， 具 有 自 动 测 量 和 选频 测 量 特 性 ， 不 仅 可 作 为 单 一 失 真 度 测 量 仪 ， 还 可 作 为 失 真 度 分 析 模 块 与 其 他 性 能 分 析 模块 通 过 标 准 总 线 相 连 ， 组 成 综 合 测 试 仪 ， 可 避 免 重 复 设 计 ， 节 约 成 本 ， 应 用 前 景 广 泛 。