CN220188621U - 一种谐波测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种谐波测量装置，属于信号检测技术领域；包括依次电性连接的信号发生器、程控放大器、单片机及串口显示屏；其中：信号发生器，用以产生6次谐波的周期信号；程控放大器，用以对信号发生器产生的信号放大处理；单片机，用以计算经程控放大器处理后的信号幅值，通过程控使输出电压的峰值稳定在2V左右，通过快速傅里叶变换FFT计算得到基波和高次谐波的幅值，进行总谐波失真度THD和归一化幅值计算；串口显示屏，用以显示单片机的信号幅值计算结果。本实用新型能够对谐波失真度进行测量，实现对谐波分量的定量分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种谐波测量装置。
背景技术
放大器的非线性失真会在电路中引入额外的谐波分量，从而引起射频前端性能恶化。因此对系统中的谐波分量进行定量分析具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型旨在提供一种能够测量谐波失真度的谐波测量装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种谐波测量装置，包括依次电性连接的信号发生器、程控放大器、单片机及串口显示屏；其中：
信号发生器，用以产生6次谐波的周期信号；
程控放大器，用以对信号发生器产生的信号放大处理；
单片机，用以计算经程控放大器处理后的信号幅值，通过程控使输出电压的峰值稳定在2V左右，通过快速傅里叶变换FFT计算得到基波和高次谐波的幅值，进行总谐波失真度THD和归一化幅值计算；
串口显示屏，用以显示单片机的信号幅值计算结果。
优选的：所述程控放大器为AD603。
优选的：所述单片机为MSP432E401Y。
优选的：所述单片机包括ADC信号采集单元、DMA数据传输单元。
本实用新型利用信号发生器产生了具有6次谐波的周期信号，经过程控放大器AD603对信号幅值放大，使得周期信号可以被高速AD完全采样。通过快速傅里叶变换FFT计算得到基波和高次谐波的幅值，进行总谐波失真度THD和归一化幅值计算，并将计算结果在串口屏显示。即完成了谐波的失真度测量。
附图说明
图1为系统方案流程图；
图2为程控放大电路原理图；
图3为单片机主程序流程图。
具体实施方式
现结合具体实施例对本实用新型的结构和原理进行充分阐述，以使本领域普通技术人员能够充分理解和实施。
一种谐波测量装置，包括依次电性连接的信号发生器、程控放大器、单片机及串口显示屏；其中：
信号发生器，用以产生6次谐波的周期信号；
程控放大器，用以对信号发生器产生的信号放大处理；
单片机，用以计算经程控放大器处理后的信号幅值，通过程控使输出电压的峰值稳定在2V左右，通过快速傅里叶变换FFT计算得到基波和高次谐波的幅值，进行总谐波失真度THD和归一化幅值计算；
串口显示屏，用以显示单片机的信号幅值计算结果。
优选的：所述程控放大器为AD603。
优选的：所述单片机为MSP432E401Y。
优选的：所述单片机包括ADC信号采集单元、DMA数据传输单元。
如图1所示，本装置由信号发生器产生的信号作为输入，采样前先将信号输入AD603的调理放大电路，进行程控放大，然后接入单片机MSP432E401Y的ADC端口进行采样，之后主控会对采样结果进行快速傅里叶变换FFT分析处理并计算出谐波的归一化幅值和失真度THD。最后将得到的数据传输到串口显示屏显示。
基于本装置的理论分析及相关设计如下：
(1)快速傅里叶变换理论：
有序长序列X(n)的N点DFT为j
其中K＝0,1,2,...N-1,
旋转因子具有明显的周期性和对称性。其周期性表现为
对称性表现为
利用上述的周期性和对称性就可以减少DFT的预算量，实现DFT的快速算法，即FFT算法。本次采用MSP432中arm核自带DSP核的基二的FFT算法对1024点采集结果进行变换。从而得出信号的频谱。对频谱的峰值进行寻找和计算从而得出每次谐幅值。
(2)采样点数和采样频率的确定
频谱分辨率是利用FFT进行频谱分析的重要指标，频谱分辨率越高，则能对信号作更精确的分析。假设采样频率为FS，采样间隔为TS，采样点数为N,则频谱分辨率为：
可见采样点数越多，总采样时间越长，频谱分辨率越高；但采样点数越多，样本点存储和FFT运算会消耗更多的RAM空间，综合衡量之下，本设计采样点数为4096。
另外一个影响频谱分辨率的因素是采样频率。按照奈奎斯特采样定理，应满足：
Fs＝2·Fmax
(3)THD说明及计算公式
当放大器输入为正弦信号时，放大器的非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，即出现谐波失真，通常用“总谐波失真定量THD”分析放大器的非线性失真程度。
若放大器的输入交流电压为ui＝Uicosωt，出现谐波失真的放大器输出交流电压
则μ0的总谐波失真定义为：
本装置的失真度测量采用近似方式，即在测量和分析输入信号的谐波成分时，处理6次谐波，计算公式如下：
(4)程控放大电路
如图2所示，采样前先将信号放大到一个合适的范围，以此增加采样精度，输入信号峰值范围为±5mv～±500mv，放大器不仅要满足输入最低幅度的信号能够被准确采集，而且要满足在输入最高幅值时经过放大后不能失真，本电路选用程控放大电路AD603来实现。从信号发生器产生的信号经过程控放大器AD603，通过程控算法设计，在输入信号后可使增益变化是线性的。
(5)DAC电路
DAC电路的级联顺序为TLC5615、SGM8292，通过TLC5615与单片机之间的SPI协议，传输一个10位的控制字，随后通过TLC5615可以线性输出一个相同精度的电压，再经过SGM8292处理后，输出量程范围之内的直流电压，从而可实现对程控放大器的DA控制。
(6)单片机主程序设计
如图3所示，采用MSP432E401Y控制调理电路调节信号幅度，使其峰值相对稳定。在信号处理上，单片机内部首先进行一次FFT，计算输入信号的基频，然后通过自适应算法，找到比较适合信号的采样频率。改变采样频率并采集数据后，在数据集上叠加窗口函数，重新计算一次FFT，在变换后的数据集中搜索基波与谐波的幅值，计算归一化谐波以及THD，最后发送到手机和屏幕上显示。
(7)串口屏显示与存储设计
使用USART HMI软件绘制显示界面，包括显示总谐波失真THD[％]、信号基频[KHz]、基波(归一化)以及各次的谐波归一化幅值，并显示DA转换后的输出波形，再利用串口屏的存储功能储存测试数据。
上述实施例仅是本实用新型的优选实施例，并非对本实用新型做出的任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术原理及方案范围情况下，都可利用以上公开的方法对本实用新型的技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型的原理或方案，依据本实用新型的技术实质对本实用新型公开的技术特征做出的任何组合、修改或替换均应属于本实用新型技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种谐波测量装置，其特征在于，包括依次电性连接的信号发生器、程控放大器、单片机及串口显示屏；其中：
信号发生器，用以产生6次谐波的周期信号；
程控放大器，用以对信号发生器产生的信号放大处理；
单片机，用以计算经程控放大器处理后的信号幅值，通过快速傅里叶变换FFT计算得到基波和高次谐波的幅值，进行总谐波失真度THD和归一化幅值计算；
串口显示屏，用以显示单片机的信号幅值计算结果。
2.如权利要求1所述的一种谐波测量装置，其特征在于，所述程控放大器为AD603。
3.如权利要求2所述的一种谐波测量装置，其特征在于，所述单片机为MSP432E401Y。
4.如权利要求3所述的一种谐波测量装置，其特征在于，所述单片机包括ADC信号采集单元、DMA数据传输单元。
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