電子綜合實驗報告數(shù)字化失真度測量儀的設(shè)計(有完整程序)

1、南 京 理 工 大 學(xué)電類綜合實驗報告 數(shù)字化失真度測量儀的設(shè)計作 者:學(xué) 號：學(xué)院(系):電光學(xué)院劉光祖老師 指導(dǎo)老師： 實驗日期： 20150510-20150515 摘要：3一、實驗?zāi)康?二、實驗內(nèi)容31、AD采樣42、信號加窗43、加窗后的信號做FFT44、FFT求模55、尋找最大模值對應(yīng)的索引56、計算基波功率和總功率57、計算失真度58、顯示失真度59、數(shù)字化失真度測量儀的測試步驟5三、設(shè)計要求6四、方案論證6五、功能模塊設(shè)計81、AD采樣82、信號加窗83、加窗后的信號做FFT84、FFT求模85、尋找最大模值對應(yīng)的索引96、計算基波功率和總功率107、計算失真度108、顯示失真

2、度11六、仿真與調(diào)試14七、實測結(jié)果15八、思考題16九、收獲與感想16參考文獻(xiàn)17217摘要：失真度表征一個信號偏離純正弦信號的程度，是無線電信號的一個重要參數(shù)。在無線電計量測試中,許多參數(shù)的準(zhǔn)確測量都涉及失真度測量問題。例如：在檢定電壓表、功率表和交流數(shù)字式電壓表時，為了減小不同檢波式儀表的波形誤差、提高檢定的準(zhǔn)確度，就必須減小信號源的失真?；贔PGA開發(fā)板（DE2-115）和AD/DA板（THDB-ADA），采用加三角窗的FFT法，在QUARTUS ii 環(huán)境下實現(xiàn)了數(shù)字化失真度測量儀的設(shè)計和仿真工作。對正弦信號、方波信號、三角波信號的實測結(jié)果具有較高的精度，并能在LCD上顯示失真度。

3、一、實驗?zāi)康?.熟練掌握一種硬件描述語言，能用硬件描述語言實現(xiàn)較為復(fù)雜的時序邏輯電路；2.掌握失真度測量的原理，了解模擬法和數(shù)字化方法的優(yōu)缺點，基于FPGA設(shè)計數(shù)字化失真度測量儀；3.掌握EDA電路設(shè)計軟化和電路仿真軟件的使用，能夠熟練運用FPGA的IP核來設(shè)計電路，增強時序電路的穩(wěn)定性，提高設(shè)計效率。二、實驗內(nèi)容本實驗基于FPGA開發(fā)板（DE2-115）和AD/DA板（THDB-ADA）設(shè)計數(shù)字化失真度測量儀，實現(xiàn)方法上采用加窗的FFT法，其基本信號處理流程如圖1所示。圖1 數(shù)字化失真度測量儀的流程圖1、AD采樣 DE2-115提供三個50MHz時鐘，利用任意一個時鐘，通過PLL可以產(chǎn)生任意

4、頻率時鐘提供給ADC作為采樣時鐘，AD采樣得到14位偏移碼，將高位取反即可得到信號的補碼形式。2、信號加窗選用漢寧窗或三角窗對AD采樣信號做加權(quán)處理。3、加窗后的信號做FFTAltera提供FFT的核，該核為串行輸入串行輸出，設(shè)置輸入輸出為自然數(shù)順序。以做1024點FFT為例，首先需要設(shè)置控制信號sink_valid,sink_sop,sink_eop，sink_valid為高1024個時鐘，sink_sop第一個時鐘為1其他為0，sink_eop第1024個時鐘為1其余為0，可以設(shè)計一個計數(shù)器來實現(xiàn)。通過改變著sink_valid有效的頻率，可以控制出結(jié)果的頻率，例如1s測試一次，計數(shù)器記到

5、50e6（50MHz時鐘）清零。4、FFT求模復(fù)數(shù)乘法器(real+j*imag)*(real-j*imag)，注意乘法器有延遲。5、尋找最大模值對應(yīng)的索引例如用寄存器count_max記錄出現(xiàn)最大值的索引，從復(fù)數(shù)乘法器輸出有效信號開始，后一個數(shù)與前一個數(shù)比較，若大于前者，將此最大值的索引賦給count_max，經(jīng)過1024個時鐘后比較結(jié)束，得到最終的count_max。6、計算基波功率和總功率基波功率是窗函數(shù)主瓣寬度內(nèi)所有頻率分量的總功率，因此，將最大模值鄰近的N點累加作為基波功率，其中，N的值取決于主瓣寬度。總功率是所有譜線的幅度累加。7、計算失真度按照式（1）計算失真度。 （1）8、顯示

6、失真度在LCD屏上顯示失真度，或者將失真度通過串口上傳至PC機顯示。9、數(shù)字化失真度測量儀的測試步驟9.1.設(shè)置函數(shù)/任意波形發(fā)生器，使其輸出頻率為1MHz，直流電平為0V，峰峰值為1V的正弦波，用數(shù)字示波器測量該信號，確認(rèn)信號的個參數(shù)與設(shè)定值相同后，將函數(shù)/任意波形發(fā)生器的輸出信號接入HTDB-ADA板的某一個ADC通道；9.2.連續(xù)記錄10次數(shù)字化失真度測量儀的測量結(jié)果，統(tǒng)計測量結(jié)果的平均值和方差；9.3.設(shè)置函數(shù)/任意波形發(fā)生器，使其輸出頻率為1MHz，直流電平為0V，峰峰值為1V的方波，用數(shù)字示波器測量該信號，確認(rèn)信號的個參數(shù)與設(shè)定值相同后，將函數(shù)/任意波形發(fā)生器的輸出信號接入HTDB

7、-ADA板的某一個ADC通道；9.4.連續(xù)記錄10次數(shù)字化失真度測量儀的測量結(jié)果，統(tǒng)計測量結(jié)果的平均值和方差；9.5.設(shè)置函數(shù)/任意波形發(fā)生器，使其輸出頻率為1MHz，直流電平為0V，峰峰值為1V的三角波，用數(shù)字示波器測量該信號，確認(rèn)信號的個參數(shù)與設(shè)定值相同后，將函數(shù)/任意波形發(fā)生器的輸出信號接入HTDB-ADA板的某一個ADC通道；9.6.連續(xù)記錄10次數(shù)字化失真度測量儀的測量結(jié)果，統(tǒng)計測量結(jié)果的平均值和方差；三、設(shè)計要求設(shè)計要求包括基本要求和提高要求兩部分，基本要求如下：1.AD采樣頻率為50MHz，輸入信號頻率大于1MHz，輸入信號幅度1Vp-p；2.失真度測量范圍050%；3.測量精度

8、優(yōu)于5%；4.在LCD上顯示失真度。提高要求如下：1.能夠測量并顯示被測信號頻率；2.失真度測量精度優(yōu)于1%；3.將失真度測量結(jié)果上傳至PC機顯示；4.其他設(shè)計創(chuàng)意。四、方案論證1、失真度的定義與測量方法論證失真度表征一個信號偏離純（正弦）信號的程度，是無線電信號的一個重要參數(shù)。失真度的技術(shù)術(shù)語為總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），其定義為信號中全部諧波分量的功率與基波功率之比的平方根值，即 （1）式中，為失真度，為信號總功率，為基波信號的功率，為第n次諧波的功率。如果負(fù)載與信號頻率無關(guān)，則信號的失真度也可以定義為全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比

9、并以百分?jǐn)?shù)表示，即 （2）式中，為失真度，為信號總功率，為基波信號的功率，為基波電壓的有效值，為諧波電壓有效值。由式（2）可見，失真度僅與信號中所含的基波及各次諧波的電壓有效值相關(guān)，而與他們之間的相位無關(guān)。失真度是一個無量綱的比例系數(shù)，常用百分?jǐn)?shù)或者分貝數(shù)表示。2、FFT法的論證數(shù)字化方法是指首先通過數(shù)據(jù)采集卡將被測信號量化,再對測量數(shù)據(jù)處理，最后計算出失真度的測量方法，如圖2所示。根據(jù)失真度的計算方法可分為曲線擬合法和FFT法。在本實驗中，我們采用的是FFT法。圖2 數(shù)字化失真度測試儀的原理框圖采用FFT對量化后的被測信號處理，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計算出失真度。由于在實際的數(shù)據(jù)采集

10、很難做到整周期采樣，由此導(dǎo)致FFT分析泄漏引入方法誤差。頻譜泄漏引入的誤差是影響FFT法失真度測量精度的主要因素。當(dāng)前，一般通過加窗方法減小頻率泄漏。頻譜泄漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，對于窗函數(shù)的選用總的原則是，要從保持最大信息和消除旁瓣的綜合效果出發(fā)來考慮問題，要使窗函數(shù)頻譜的主瓣寬度盡可能窄，以獲得較陡的過渡帶；使旁瓣衰減盡量大，以提高阻帶的衰減。通常，這兩個要求是相互矛盾的，不能同時得到滿足。信號的加窗處理，重要的問題是要根據(jù)被測信號的性質(zhì)和研究目的來選用窗函數(shù)。對于失真度測量儀來說，其輸入是窄帶信號，應(yīng)選用旁瓣幅度小的窗函數(shù)，如漢寧窗、三角窗等。在本實驗中，我們選擇三角窗。五、功能模

11、塊設(shè)計1、AD采樣 DE2-115提供三個50MHz時鐘，利用任意一個時鐘，通過PLL可以產(chǎn)生任意頻率時鐘提供給ADC作為采樣時鐘，AD采樣得到14位偏移碼，將高位取反即可得到信號的補碼形式。2、信號加窗選用三角窗對AD采樣信號做加權(quán)處理。 wire 22:0 q_window; windowing windowing_inst(.clk(clk) ,/ input clk_sig.sop(wrfull) ,/ input sop_sig.data_in(q) ,/ input 13:0 data_in_sig.data_out(q_window) / output 22:0 data_out

12、_sig);3、加窗后的信號做FFT做1024點的FFT。4、FFT求模復(fù)數(shù)乘法器(real+j*imag)*(real-j*imag)。wire sink_sop, sink_eop, sink_valid, sink_ready;wire source_error, source_sop, source_eop, source_valid, source_exp;wire 23:0 source_real, source_imag; FFT FFT_inst(.clk(clk) ,/ input clk_sig.reset_n(1'b1) ,/ input reset_n_sig.

13、inverse(1'b0) ,/ input inverse_sig.sink_valid(sink_valid) ,/ input sink_valid_sig.sink_sop(sink_sop) ,/ input sink_sop_sig.sink_eop(sink_eop) ,/ input sink_eop_sig.sink_real(q_window22,q_window) ,/ input 23:0 sink_real_sig.sink_imag(24'd0) ,/ input 23:0 sink_imag_sig.sink_error(2'b00) ,/

14、 input 1:0 sink_error_sig.source_ready(1'b1) ,/ input source_ready_sig.sink_ready(sink_ready) ,/ output sink_ready_sig.source_error(source_error) ,/ output 1:0 source_error_sig.source_sop(source_sop) ,/ output source_sop_sig.source_eop(source_eop) ,/ output source_eop_sig.source_valid(source_val

15、id) ,/ output source_valid_sig.source_exp(source_exp) ,/ output 5:0 source_exp_sig.source_real(source_real) ,/ output 23:0 source_real_sig.source_imag(source_imag) / output 23:0 source_imag_sig5、尋找最大模值對應(yīng)的索引用寄存器data_max記錄出現(xiàn)最大值的索引，從復(fù)數(shù)乘法器輸出有效信號開始，后一個數(shù)與前一個數(shù)比較，若大于前者，將此最大值的索引賦給data_max，經(jīng)過1024個時鐘后比較結(jié)束，得到最終

16、的data_max。 reg 2:0 con1;reg 44:0 data1,data2,data3,data4,data_max;always (posedge clk)begincase(con1)3'd0: begin data1 = q_out44:0; end3'd1: begin data2 = q_out44:0; end3'd2: begin data_max = q_out44:0; end3'd3: begin data3 = q_out44:0; end3'd4: begin data4 = q_out44:0; endendcas

17、eend6、計算基波功率和總功率基波功率是窗函數(shù)主瓣寬度內(nèi)所有頻率分量的總功率，因此，將最大模值鄰近的N點累加作為基波功率，其中，N的值取決于主瓣寬度?？偣β适撬凶V線的幅度累加。assign power_funda = (data2 > data3) ? data1 + data2 +data_max + data3 : data2+data_max+data3 + data4;assign power_harmo = power - power_funda;7、計算失真度CONVERT1CONVERT1_power_harmo (.clock ( clk ),.dataa ( pow

18、er_funda ),.result ( result_power_funda );DIVIDE_ALTFPDIVIDE_ALTFP_inst (.clock ( clk ),.dataa ( result_power_harmo ),.datab ( result_power_funda ),.result ( result_divide );SQRT_ATLFPSQRT_ATLFP_inst (.clock ( clk ),.data ( result_divide ),.result ( result_sqrt );MULT_ALTFPMULT_ALTFP_inst (.clock (

19、clk ),.dataa ( result_sqrt ),.datab ( 64'h408f400000000000 ), / multiply 1000.result ( result_mult );CONVERT2CONVERT2_inst (.clock ( clk ),.dataa ( result_mult ),.result ( result_final ); reg result_final_valid;always (posedge clk)begin if (con3 > 10'd582)begin result_final_valid <= 1&

20、#39;b1;endelsebegin result_final_valid <= 1'b0;endend8、顯示失真度在LCD屏上顯示失真度output7:0LCD_DATA; output LCD_RW,LCD_EN,LCD_RS; output LCD_BLON,LCD_ON;reg rst_first;always (posedge clk)begin if (!ena)begin rst_first <= 1'b0;endif (con3 = 10'd800)begin rst_first <= 1'b1;endendreg 9:0

21、result_display;always (posedge result_final_valid)begin if (!rst_first)begin result_display <= result_final9:0;endend / just display first resultwire 3:0 n1,n2,n3;wire 9:0 q1,q2,q3;wire 3:0 d1,d2,d3,d4;wire 13:0 p1,p2,p3,p4;DIVIDE_TENDIVIDE_TEN_inst (.denom ( 4'd10 ),.numer ( result_display),

22、.quotient ( q1 ),.remain ( n1 );DIVIDE_TENDIVIDE_TEN_inst1 (.denom ( 4'd10 ),.numer ( q1 ),.quotient ( q2 ),.remain ( n2 );DIVIDE_TENDIVIDE_TEN_inst2 (.denom ( 4'd10 ),.numer ( q2 ),.quotient ( q3 ),.remain ( n3 );DIVIDE_TEN_14DIVIDE_TEN_inst3 (.denom ( 4'd10 ),.numer ( frequency ),.quot

23、ient ( p1 ),.remain ( d1 );DIVIDE_TEN_14DIVIDE_TEN_inst4 (.denom ( 4'd10 ),.numer ( p1 ),.quotient ( p2 ),.remain ( d2 );DIVIDE_TEN_14DIVIDE_TEN_inst5 (.denom ( 4'd10 ),.numer ( p2 ),.quotient ( p3 ),.remain ( d3 );DIVIDE_TEN_14DIVIDE_TEN_inst6 (.denom ( 4'd10 ),.numer ( p3 ),.quotient (

24、 p4 ),.remain ( d4 );lcd_main lcd_main_inst(.CLOCK_50(clk) ,/ input CLOCK_50_sig.RST_N(ena) ,/ input RST_N_sig.LCD_BLON(LCD_BLON) ,/ output LCD_BLON_sig.LCD_DATA(LCD_DATA) ,/ output 7:0 LCD_DATA_sig.LCD_RW(LCD_RW) ,/ output LCD_RW_sig.LCD_EN(LCD_EN) ,/ output LCD_EN_sig.LCD_RS(LCD_RS) ,/ output LCD_RS_sig.LCD_ON(LCD_ON) ,/ output LCD_ON_sig.n3(n3) ,/ input 3:0 n3_sig.n2(n2) ,/ input 3:0 n2_sig.n1(n1) ,/ input 3:0 n1_sig.d4(d4) ,/ input 3:0 d4_sig.d3(d3) ,/ input 3:0 d3_sig.d2(d2) ,/ input 3:0 d2_sig.d1(d1) / input 3:0 d1_sig);六、仿真與調(diào)