波形信号分析

波形分析系统的设计

摘要

本设计根据要求制作一个波形分析系统。此系统是能够提取方波的高次谐波，并进行测量的装置。系统主要采用89S52单片机产生频率为1KHz的方波，通过硬件实现带通滤波器分别滤出1、3、5次谐波分量，再通过峰值检波电路测量各分量的最大值，最后测量其有效值并与理论值进行误差观测与分析。其主要由信号源,显示部分和滤波部分组成.信号源部分由89S52通过软件产生1KHz的单极性的方波，显示部分由实验板的LCD部分组成，滤波部分由针对1、3、5次谐波所设计的带通滤波器组成。本装置能够实现对1KHz的方波进行峰值和平均值的检测，并分别对其1、3、5次谐波部分测量其振幅的有效值，并进行误差分析.本装置电路复杂程度低，成本较低，实用性好，性能优越，效率高。

关键词：波形分析单极性方波谐波分量误差分析

目录

一．方案论证与比较 (3)

（一）总体方案论证 (3)

（二）各模块方案论证 (3)

二. 理论分析和计算 (4)

三. 电路设计 (4)

（一）滤波器电路设计 (4)

（二）峰值检波器电路设计 (5)

四. 仿真测试 (6)

五. 测试方法与仪器 (7)

一、方案论证与比较

(一) 总体方案论证

本系统以89S52单片机作控制器，由FPGA开发板产生1KHz的方波信号经过带通滤波器后，可以分别滤出该方波信号的1、3、5次谐波分量，再通过峰值检波器测出各谐波分量的最大值，通过显示部分来比较其有效值与峰峰值和实际方波信号傅氏级数理论值进行误差比较。根据我们的设计思路，可得如图1所示的总体设计框图：

图1 总体方案设计框图

（二）各模块方案论证

1、1KHz的方波发生模块

方案一：采用555芯片产生。由555芯片组成占空比为50%

的多谐振荡器电路，该波形的频率可以通过调节555定时器电路的放点电阻来进行调节。

但波形输出不稳定，容易失真。

方案二：采用FPGA开发板产生。由软件编程来控制开发板上的晶振直接产生1KHz的方波，此方案更简单，产生的波形稳定。

通过以上比较分析，我们选用方案二。

2、带通滤波器部分

方案一：无源带通滤波器实现。可以直接利用RLC谐振原理来形成无源带通滤波器电路。其电路简单易实现，但滤出的波形不稳定，对于要求较精确的测量电路中不适宜应用。

方案二：有源带通滤波器实现。利用LM324带有差动输入的四运放放大器加上合适的阻容原件来形成二阶有源带通滤波器。该电路可控性良好，适用于较精确测量电路中，而且可以通过改进电路的阶数来改进对高次谐波的测量准确度。

通过以上比较分析，我们选用方案二。

3、峰值检波器部分

方案一：二极管峰值检波器实现。二极管峰值检波器由二极管和阻容原件构成。需要输入信号电压幅度大于0.5V，检波器输出、输入之间是线性关系，电路组成较简单，但是测量范围有限且稳定性不好。

方案二：单运放峰值检波器实现。单运放峰值检波器由运放、二极管和阻容元件构成。该电路可测范围较宽，电路稳定性好。

通过以上比较分析，我们选用方案二。

二、理论分析与计算

任何电信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波叠加而成的。对周期信号由他的傅里叶级数展开式可知，各次谐波为基波频率的整数倍。对于方波信号的分解，可以采用性能较佳的有源带通滤波器作为选频网络，若方波信号的频率为w 。，电压幅值为E 则按照傅里叶级数展开式如下所示：

⎥⎦

⎤⎢⎣⎡+++++=

)sin(1

)sin(51)3sin(31)sin(4)(0000t n n t t t E t f ωωωωπ 可知，方波的1、3、5次谐波的幅度比应为1：31：5

1

，且相位与基波相同。

又公式可知，根据设定值则测出的1、3、5次谐波的峰峰值和平均值应分别为:

三、电路设计

（一）滤波器电路设计

1．1次谐波带通滤波器

2．3次谐波带通滤波器

3．5次谐波带通滤波器

（二）峰值检波器电路设计

四、仿真测试

1、一次谐波频谱及波形仿真图

2、三次谐波频谱及波形仿真图

3、五次谐波频谱及波形仿真图

4、峰值检波器波形仿真图

五、测试方法与仪器

1、测试使用的仪器设备

测试使用的仪器设备如表2所示：

表2 测试使用的仪器设备

2、测试方法

（1）将设计的方波发生程序下载到电子综合设计实践平台上，并接入数字示波器测量其峰峰值和平均值，与LCD显示屏显示的数据进行比较分析，考察输入方波的周期准确度和幅度范围。

（2）将方波信号作为输入，分别接到一、三、五次谐波滤波器上，再通过峰值检波器电路，并在液晶屏上读取数据，用示波器观察波形有无失真，数据是否一致。

（3）改进部分：将方波改成三角波和正弦波，步骤同上。

3、测试数据

（1）方波测试

理论值做的是1kHZ，占空比为50%，幅度为1.5v的单极性方波

表3 方波测试结果

（2）谐波测试

表4 谐波测试结果

方波信号的产生是通过FPGA的查表数据产生的，接上滤波电路和实验箱后负载发生变化会导致增益发生变化。进而影响峰峰值，导致偏低。另外由于采样频率和个数有限，对于最大值和最小值不一定能够完全采样到，也会使得峰峰值和平均值的幅度偏小。

对于一次谐波，三次谐波和五次谐波，由于采用的是二阶滤波器和四阶滤波器，对于一次谐波来说，由于本身通过滤波器的增益是π/3比较大,而三次谐波和五次谐波的幅值是基波的1/3和1/5,所以对一次谐波的影响较小，而四阶滤波器设计不能完全的滤除基波和其他高次谐波的影响，会导致波形会有些许的失真，幅度影响会相对明显，因而三次和五次谐波的幅度会有影响。同时由于实验箱的方波产生不是特别稳定的波形，对于滤波的结果也有影响。综合起来，采样和影响比较大，而其余的影响相对来说较小，导致显示的幅值和示波器比较起来偏小。