第21卷第4期2006年12月安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报
JournalofAnhuiUniversityofTechnologyandScienceVol.21.No.4Dec.,2006
文章编号:1672-2477(2006)04-0039-04
失真度测量方案设计及实施
李炳荣
(安徽工程科技学院安徽省电气传动与控制重点实验室,安徽芜湖 241000)
摘要:为了探求快速、精确和低价位地直接测出非正弦波的失真度,通过对失真度定义式的傅立叶级数分析和演算,设计出一种直接测量失真度的系统,讨论了该系统的实施及其关键技术.测试信号电平范围为?5V,基波频率上限100kHz,精度可达失真度的2.5%。试验结果表明系统性能符合设计要求,可广泛应用于音频和超声领域失真度的直接测量.
关 键 词:波形;失真度;数据采集;接口中图分类号:TM930.12 文献标识码:A
从传统的电磁式电动仪表到具有模拟计算功能的电子仪表,对交流电压有效值的测量,已有较长的历史.如基于上述仪表逐次测量波形及其总谐波分量的有效值再行处理,必然费时而且面临基波分量和谐波分量需要高精度的分离的难题.迄今为止,各种可供选择的滤波选频网络,均有其固有的传输误差.而且对各种选频网络的元件参数如何实施同步调节以适应被测波形的不同频率,已成为这类测量方案的主要缺陷.尽管在第三代选用了专用计算机的自动测试系统或频谱分析仪中,充分发挥了前向通道和计算机的逻辑、运算、存储和控制等各项功能,可对被测信号进行采样,A/D变换和FFT分析从而得到信号的各频谱分量,并对信号的特性做出全面的评价,其中也包括失真度分析,但这类专用装置较为昂贵,操作繁琐.本文在方案分析和数学推演的基础上,探讨出一种不用有效值电压表而直接测量失真度的新方法.其硬件、软件和接口模块,选用方便,价位低廉,易于调试和标定.
1 基于有效值和带阻滤波的测量方法
失真度的定义和实际测量方法.非正弦波形的失真度D,可按(1)式定义
D=Eh/E1 ,
[1]
:
(1)
式中E1为基波有效值,Eh为波形中所有谐波的有效值.按(1)式分别测量其分子和分母有困难,实际上是采用对基波带阻滤波后的近似测量法,即将(1)中的分母E1用波形的总有效值E代替.
E=
当Eh较大时,将带来明显的方法误差.
E1+Eh ,
22(2)
2 失真度的离散算法
按(1)式和(2)式,(1)式可以改写为
D=
式中E为被测信号e(H)的总有效值
E=
(1/2P)
(E2/E21)-1 ,
(3)
Q
0
2Pe(H)dH ,
2
(4)
将e(H)按Fourier级数展开,其基波振幅系数的正交分量分别为
A=(1/P)
1
B1=
收稿日期:2006-08-22
作者简介:李炳荣(1962)),女,安徽宣城人,讲师.
Qe(H)sinHdH .(1/P)e(H
Q)cosHdH .
02P0
2P
(5)(6)
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安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报2006年
总的基波幅值系数将为
Em1=
将(4)~(7)式代入(3)可得:
D=
((1/P)
A1+B1 .
22(7)
Q0
2Pe(H)dH/(((1/P)
2
Q0
2Pe(H)AsinHdH)+((1/P)
2
Q0
2Pe(H)cosHdH)2))-1
(8)
令dH=$H=(P/k)为积分步长,(8)式中的积分可离散化为:
D=
2k-1i=0
(k
Ee)/((Eesini$H)
2
i
i
2
+(
)Eecosi$H
i
2
)-1(9)
n
式中2和i的取值范围为E.设定值k取决于波形中最高谐波分量的次数和计算精度,可取为:k=2,n=3,4,5,,,一般令k=16,相应的步长为$H(P/16)或$H=11.25b,精度已足够[2].
在(9)式中,sini$H和cosi$H是两组数列,可按$H的取值顺序预置,可见失真度D值只与波形的离散采样值ei唯一对应.于是只要通过对波形一个周期内的2k个离散采样,即可得到失真度D.
3 系统的组成及其接口
3.1 系统框图
能实现(9)式测量功能的系统框图如图1所示.其中上行框图为常规的采样保持,A/D转换,单片机及显示器.下行k框为周期脉冲整形,32倍频和启动A/D转换的脉冲发生器.本系统中,启动脉冲的宽度是固定的,约为1Ls.但采样周期严格地随输入信号的频率而定(参见3.3),使采样步长与输入信号的频率同步,以保证实现(9)式时的精度.
图1 测量系统框图图2 AD5783Ls时序图
3.2 芯片选择及其接口
各主要芯片及其间的接口如图3所示.AD578是具有内部时钟,基准电源和比较器的高速12位逐次逼近A/D转换芯片,其最大的线性误差仅为?0.02%,最大转换时间约为3Ls,可以提供?5V、?10V的模拟输入范围,从启动转换到数据有效约3Ls转换时序如图2所示,采样保持芯片AD582的控制电压为低电平时,电路处于跟踪取样状态,当控制电压为高电平时,电路处于保持状态,以满足转换精度的要求.该控制逻辑正好与AD578的转换状态标志EOC信号相同,电路中可将AD582的12脚与AD578的20脚直接相连.
由于AD578片内无三态锁存器,它与87C51单片机之间需用2片总线驱动总片244相连,相应的读数中断服务程序如下:
ORG 0003H
LJMPINT0ORG0300H;主程序SETBIE0置允许外部中断0SETBIE7开中断
INT0PUSHDPL
PUSHDPHPUSHACCPUSHPSW断点保护CLRIE7关中断DEC20H记中断次数MOVR0,20H置数据存储单元首址
MOV
MOVXMOVDECMOVMOVMOVANLMOVDECRETI
DPTR,#7F00HA,@DPTR@R0,AR0
DPTR,#CF00HA,@DPTR21H,#FOHA,21H@R0,A20H
P2.7=0,P2.6=1读高字节
P2.7=1,P2.6=0读低字节
屏蔽低位字节低4位
3.3 控制A/D转换的启动信号
设T0为被测信号的基波周期,按(11)式离散采样时,采样间隔应为$t0=(T0/2k)=(T0/32).设被第4期李炳荣:失真度测量方案设计及实施
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图3 数据采集模板接口电路
测信号基波频率f0=10kHz,则$t0=(1/32@10)=3.125Ls,若单片机时钟的外接晶振为6MHz,则其机器周期为1Ls而指令周期约为1~4Ls.显然此时不能期望用CPU来控制A/D转换,为此可采用隔周采样法来扩展被测频率的量程,即令采样间隔:
$t=$t0+T0=$t0(2k+1)=33$t0
(12)
图3所示的数字电路可以准确地实现上式所要求的功能.图中比较器LM311芯片可把输入信号转换成周期为T0的脉冲,为了把T0脉冲变为$t0脉冲,需要32倍频.图中AD650为U/F或F/U芯片,AD650的输出电压可以跟踪输入信号频率去控制AD650的32倍的自然频率,而该倍频信号经40405级分频后又与原输入频率经4086异或、滤波后让输出信号锁定为周期为$t0的脉冲信号,信号的后续转换由3块7473双D触发器来完成对$t0的33次的串行计数,最终实现(10)式的功能,4098单稳则将启动信号的脉宽限定为1Ls左右以适配AD578的时序.
4
4 模块调试和系统标定
4.1 调试模块
系统中的硬件和软件均采用模块化的细化设计,现介绍启动信号发生器的专用数据采集模块的调试方法.所用的仪器:VC2002型函数发生器,上海敏测电子有限公司.YB4320A20MHz双踪示波器,江苏绿杨公司.调试的主要项目、步骤和方法参见表1.
表1 数据采集模块调试
项目1Ls脉宽异步计数33输入转换F/U转换U/F转换F/U-N/F联调
主要芯片4098244,3@4013LM311AD650AD650AD650
方法
入口仪器(1)送进Cp仪器(1)送进Cp仪器(1)送正弦波9端送正弦波直流稳压电源送电压仪器(1)送正弦信号
调节内容调节RC时间常数244门控逻辑LM311反馈电阻按手册调外围阻容参数调节外围阻容参数在频率量程内调节RC参数
出口仪器(2)观察脉宽观察Q6端波形观察7端波形万用表测输出电压仪器(2)测频率AD650检查32倍频及其跟踪能力
4.2 系统标定方案
测量装置经过硬软件联调通过后,便可进行标定试验,标定方案如图4所示.该方案可按不同频率输入3种标准波形信号,试验结果如表2所示.
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表2 标定试验结果比较
2006年
输入波形正弦波三角形波矩形波
基波频率1kHz1kHz50kHz1kHz50kHz
D的理论值
0P4-1=0.121096P2
-1=0.48348
D的读数
00.12280.12370.49080.4915
误差/%
/1.52.21.51.8
ZN4116读数误差/%
1010201020
表2数据表明,在超声领域,相对误差略大,但误差范围均能符合设计要求.作为参照,也列出了[ZN4116]商品失真度测量仪对同一种被测波形的测量结果,显见其精度较差,其操作程序和所费时间未予列出以供对比.
图4 测量装置的标定
5 结 论
基于失真度定义的离散算法,为测量方案的实施确定了理论基础,其量程和精度是可控制的,在对硬件、软件模块化的细化设计中,无论是芯片选型和电路结构还是硬、软件接口与时序匹配,都为装置的实施与调试提供了方便的平台,标定试验结果达到了预定目标.本文的成果尚是初步的,在量程中向更高和更快的领域扩展以及运行中可能出现的各种问题都有待进一步探讨.
参考文献:
[1] 林占江.电子测量技术[M].北京:电子工业出版社,2005.[2] 于轮元.电气测量技术[M].西安:西安交通大学出版社,1988.
[3] 王希东,宋剑波,任伟.失真信号采样技术研究[J].电子测量与技术学报,2006,20(1):8588.
[4] 杨宇,叶宇风,王洪.基于DSP的实时信号频谱分析模块设计[J].电子测量技术,2006,29(2):124125.
Designandimplementationof
measurementschemefordistortioncoefficient
LIBing-rong
(AnhuiProvincialKeyLaboratoryofElectricandControl,AnhuiUniversityofTechnologyandScience,Wuhu241000,China)
Abstract:Thepaperaimstosearchanewmeasureschemewhichgetsdistortioncoefficientofwaved-irectlyandaccurately.OnthebasisofFourierseries,adirectmeasuresystemwithbettervalueratiowasdesigned.Somekeyissuesofimplementationwerediscussed.Thelevelrangeofinputsignalis?5volts.
Thehighestfrequencyofbasicwaveislessthan100kHz.Theaccuracyofsystemapproaches2.5%.Theexperimentofscaleshowsthatthefunctionindexesofsystemareacceptable.Thesystemfindswideap-plicationsindirectmeasurementofdistortioncoefficientataudioandultrasounddomain.Keywords:wave;distortioncoefficient;dataacquisition;interface
