基于NIOSⅡ的数字失真度分析仪设计

    引言

    失真度的概念是人们常常在广播或音响等电声设备领域接触到的一个技术指标。同样, 在信号处理、无线电测量和电测量领域中, 也存在许多需要精确测量失真度的问题。当信号通过一个非线性系统后, 其输出信号中不仅含有原信号的各种频率成分, 而且还会产生新的频率分量, 由此造成的失真称为非线性失真, 这一类失真则较难消除, 实际影响更大。失真度分析仪可以测量信号源的失真度和噪声电平以及放大器和传输网络的失真度。

    1 系统设计的原理

    非线性谐波失真系数( 简称失真度) 的定义为全部谐波能量与基波能量之比的平方根值, 或全部谐波电压或电流( 对纯阻负载系统) 的有效值与基波电压的有效值之比的百分数, 用符号 K( %) 表示, 数值越小表示失真度越小。根据失真度系数的定义, 其计算公式如下:

    其中 P 为信号的总能量; 为信号的基波能量; 为信号第 n 次谐波的能量; 为信号基波电压的有效值; 为信号第n 次谐波电压的有效值。这正好与其傅立叶展开式相对应:

    经频率合成后, 可写成如下形式:

    其中第一项 是常数项, 它是周期信号中所包含的直流分量; 式中第二项 为基波, 它的角频率与原周1 期信号相同, 是基波振幅, 是基波初相角; 式中第二项为二次谐波, 它的频率是基波频率的二倍, 是二次谐波振幅, 是其初相角。后面的项依此类推。

    由于本题目核心在于使用傅立叶变换的分析方法计算失真度。高效率的实现离散傅立叶变换的方法便是库利和图基提出的快速傅立叶变换算法( FFT) 。下图是用 ALTERA 公司提供的 FFT IP 核来实现失真度测试的方法:

    从框图可知, 信号从 A/D 采样电路进入, 由 Nios ii 来控制采样频率, 转换之后的数据进入 FFT 运算电路, 经 FFT 运算完成后的数据储存在 RAM中。其中所有的控制都由 Nios ii 核心来完成, Nios ii 处理器将 RAM 中的数据逐一读取并做一些运算后显示在 LCD 上。

    2 系统各模块原理及其设计

    2.1 信号采样模块

    在高精度、高速率采样设备或者仪器中, A/D 芯片选用的恰当与否对系统整体性能的表现好坏非常关键, 为了便于设计过程数据的处理, 可选用 8 bit 的 A/D 芯片用作信号采样转换; 但是由于设计题目本身是要对信号作频谱上的分析, 则要求 A/D芯片的采样速率要高, 以适应对频率较高的信号进行高速采样变换, 因此, 选用了 Analog Devices 公司的 8 bit 的 A/D 转换芯片 AD9059,其转换速率达到 60 MSPS 。

    2.2 数据存储模块

    数据存储模块采用了在 FPGA 中内建存储器的设计方案,可以内建随机存储器 RAM和先进先出存储器 FIFO 两种。由于FIFO 的时序操作相对并不复杂, 同时还可以省掉一组地址总线, 于是在设计中采用 FIFO 作为存储器模块。使用 QuartusII 软件中所固有的参数化模块 LPM, 在 Quartus II 环境中, 首先将模块进行编译, 之后便可以对其进行时序仿真。