摘 要

众所周知，在输入信号经过放大器后应该与输出信号基本一致，除了幅值上有区别外。但实际上，或多或少与输入的波形有所偏差，这种情况就是所谓的失真。波形失真由于电子元器件和环境的因素，输出波形中会产生新的谐波成分。原波形的频谱当然也发生了改变，主要包括相位失真、频率失真和波形失真三种情况。针对正弦波信号失真的特点，本文将从理论和实验两方面来介绍有关于正弦波失真度测量的研究。研究正弦波失真度分析仪的系统结构组成和性能评估标准以及仪器的原理，并且能够设计出符合指标的仪器，从而提高测量的精度；研究正弦波的最优采集方法，采用最有效的一种方法进行数据的采集分析；研究正弦波的失真度分析，采用FFT算法对正弦波进行频域分析，提取基波以及各次谐波的幅值，有效的为失真度的计算提供有力的依据；研究在像STM32这样不能进行浮点计算的单片机中最有效的FFT变换的方法；对不同的FFT变换进行仿真分析和对比，给出一种最优的适合本设计的FFT变换。最后通过硬件与软件结合的方式实现低频正弦波失真度的测量，与仿真结果进行对比并改进。

关键词：FFT变换；正弦波；失真度测量；测试方法

Abstract

As we all know, after the input signal through the amplifier should be consistent with the output signal, in addition to the difference in amplitude. But in fact, more or less with the input waveform deviation, this situation is the so-called distortion. Waveform distortion due to electronic components and environmental factors, the output waveform will produce new harmonic components. The original waveform of the spectrum of course, also changed, including phase distortion, frequency distortion and amplitude distortion of the three cases. In view of the characteristics of sine wave signal distortion, this paper will introduce the research on sine wave distortion measurement from both theoretical and experimental aspects. This paper studies the system structure and performance evaluation standard of the sine wave distortion analyzer and the principle of the instrument, and can design the instrument to meet the index, so as to improve the accuracy of the measurement. The optimal acquisition method of the sine wave is studied by using the most effective one The frequency of the sine wave is analyzed by using the FFT algorithm, and the amplitude of the fundamental wave and the harmonic are extracted, which can effectively provide the basis for the calculation of the distortion. This paper studies the most effective FFT transform in the single chip microcomputer which can not be floating point calculation like STM32. The simulation and analysis of different FFT transformations are given, and an optimal FFT transform is proposed. Finally, the combination of hardware and software to achieve low-frequency sine wave distortion measurement, and simulation results are compared and improved.

Key words: FFT transform; sine wave; distortion measurement; test method

目录

第1章 绪论 3

1.1 研究背景与目的 3

1.2 国内外研究历史及现状 3

1.3 论文结构内容 4

第2章 工作原理 6

2.1 低频正弦波失真度分析仪工作原理 6

2.1.1 前端AD采集 6

2.1.2 失真度的测量原理 7

2.1.3 失真度的计算 7

2.2 信号频域分析 8

2.2.1 傅里叶变换 8

2.2.2 离散傅里叶变换（DFT） 9

2.2.3 快速傅里叶变换（FFT） 9

2.3 本章小结 11

第3章 测试平台硬件设计与实现 12

3.1 主要部分介绍 12

3.1.1 信号源 12

3.1.2 串口屏 13

3.1.3 主控制器 13

3.1.4 Flash 14

3.2 硬件方案论证与比较 15

3.2.1 电压跟随器电路 15

3.2.2 交流直流叠加电路 15

3.2.3 屏幕显示模块 15

3.3 硬件模块 16

3.3.1 电源模块 16

3.3.2 时钟产生模块 17

3.3.3 直流偏置模块 18

3.3.4 主控模块 18

3.3.5 USB转串口模块 19

3.3.6 JTAG模块 20

3.4 本章小结 21

第4章 失真度分析仪的软件实现 22

4.1 失真信号的仿真分析 22

4.1.1 失真信号的GUI设计 22

4.1.2 时域连续信号 23

4.1.3 多种FFT分析比较 25

4.2 分析仪总体软件分析 27

4.2.1 软件总体设计 28

4.2.2 ADC采样的软件实现 29

4.2.3 UART串口通信的软件实现 30

4.2.4 FFT分析处理的软件实现 30

4.3 串口屏的调试过程 31

4.3.1 软件设计平台介绍 31

4.3.2界面设计流程 33

4.4 本章小结 33

第5章 测试内容及结果分析 35

5.1 测试工具 35

5.2 验证FFT分析实验 35

5.3 失真度的测量 36

第6章 总结与展望 38

6.1 总结 38

6.2 展望 39

参考文献 40

附录A 41

附录A1 41

附录A2 42

致 谢 43

第1章 绪论

有一种与数学方面的正弦曲线很相似的信号，它就是正弦波。它的信号成分极为简单，只有一种频率。像方波信号这样的非正弦信号，可以由很多频率不同、幅值不等的正弦波信号组合而成。在平常生活应用中，正弦交流电随处可见，涉及范围非常广泛。正弦交流电包含电压和电流，它们是按照正弦波的方式进行变化的。

• 1. 研究背景与目的

在现在的电子信息工程领域中，失真的信号大致有三种情况：波形失真的信号、相位失真的信号和频率失真的信号。信号无论是在开环还是闭环的传输过程中，都会受到环境温湿度、器件特性等众多因素的影响，从而波形发生改变。这种现象就是所谓的失真，也被称为信号畸变现象^[1][2]。由电路引起的线性失真是可以通过软件进行弥补的，而非线性失真则是信号波形的失真，没有很好的办法去消除，只能尽量去减少。

只有通过测量失真度来判断并不断修正传输网络的参数，这样才可以保证信号传输的性质。实际应用中，失真度分析仪主要有两种，分别是按照不同的测量原理分类的。一种是采用基波剔除法的模拟测量仪器，其缺点是测量精度低，原因是由于电路中的模拟器件会引入非线性误差，还有会受到环境的影响，这种误差是没有办法消除的。模拟法的优点是制造成本比较低、基波抑制阻带比较宽。另外一种就是基于谐波分析法的数字仪器，其优点是测量精度比较高，但是这种仪器成本有些高。