基于DDFS的程控音频仪器测试信号源设计
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基于DDFS的程控音频仪器测试信号源设计
　　文中介绍一种基于(直接频率合成)技术的可编程音频仪器测试设计。该系统采用单片机作为控制器，以FPGA(现场可编程门阵列)作为的主要平台，利用技术产生一个按指数衰减的频率可调正弦衰减信号。测试结果表明，该系统产生的信号其幅度可以按指数规律衰减;其频率可以在1～4 KHz频率范围内按1 Hz步长步进。可以方便的用于测试音频仪器设备的放大和滤波性能。本文引用地址：
　　在各种音频仪器设备的设计和维护中，广泛利用音频测试这些设备的工作状态和性能指标。放大器和滤波器是音频设备中两个基本功能模块，所以测试设备的放大性能和滤波性能必不可少。因此，需要有一套能为放大、滤波性能测试提供标准测试源的音频测试信号源。设计和制作一套供音频设备测试用(放大器和滤波器)的高性能音频信号源有重要的工程意义和实用价值。
　　通常放大器的测试源用的是单频的不同幅度的正弦信号作为激励源&&小幅度信号用于测试放大器的灵敏度，大信号用于测试放大器对大信号的承受能力，大的动态范围用于表征放大器具有很强的对信号大小的适应能力;滤波性能的测试通常是采用不同频率的等幅正弦波作为激励源，以用于测试电路对不同频率信号的加权能力&&频率响应。综上所述，对音频仪器设备的测试源的设计和选择有幅度可变、频率可调两个基本要求。通常的激励源只能做到单一的幅度可调(而频率不变)或者频率可调(而幅度不变)，没有二者皆同时可调，这样就导致了测试效率极低。为了提高测试效率，可以采用以正弦为载波包络按指数衰减的信号作为测试源。
　　1原理及仿真
　　1.1设计原理
　　如图1所示，该信号为按指数衰减的正弦信号，即其包络为单边衰减的指数信号，包络内是按正弦载波振荡的。这样指数衰减的包络能反映出信号由大到小的变换规律，能满足放大性能动态范围的测试;而频率可调可以方便频率响应的测试。根据实际需要，文中所讨论的音频信号源需要具备如下参数：正弦波频率1～4 kHz可调：调整步长1 Hz;初始相位为零;幅度按指数规律衰减;手动触发一次发出一个衰减正弦波;衰减到初始幅度的10%需延续时间100～1 000 ms。
　　1.2理论计算与仿真
　　按指数包络衰变的正弦振荡信号，在数学上实际就是单边指数衰减信号和正弦信号在时域上相乘。即
　　为了验证分析的正确性和技术能在FPGA内实现，需要对上述基带和已调信号进行matlab仿真和计算。图2为指数衰减信号与已调信号时域matlab仿真图，该图由上下两张子图组成。上面的子图给出的是幅度为1，衰减系数a为20的指数信号;下面的子图为上述指数信号和频率为1 kHz、抽样频率为4 kHz的正弦序列相乘后的已调信号的时域波形，即为所要得到的结果。从仿真结果来看，这符合设计要求。
　　图3为指数衰减信号与已调信号频谱matlab仿真图，与图2的时域子图子图相对应。需要说明的是该幅度谱利用的是512点的FFT对基带指数信号和已调信号进行分析得到。所以其频率分辨率为4 000/512=7.812 5 Hz，因此频率为1 000 Hz的正弦载波及频谱搬迁后的指数信号频谱的中心频率应该出现在1 000/7.812 5 Hz=128处。从仿真结果证明可以看出这个结果完全正确。
　　2系统设计及工作原理
　　为得到满足测试要求的可编程音频仪器测试信号源，需要根据上述仿真的原理在具体的器件平台上实现。图4给出了基于DDFS技术的可编程音频仪器测试信号源的系统设计框图。从该图上可以看出，系统以51系列单片机为控制中心，接收键盘置入的正弦载波频率，经过计算后产生FPGA内部DDS模块所需要的频率字，DDS模块根据这一频率字利用FPGA内部的逻辑产生符合设计要求的按指数规律衰减的正弦振荡信号，然后经过DA转变为模拟信号，最后通过低通平滑滤波器产生最终的输出信号。
　　3硬件设计
　　从图4可以看出，系统的硬件组成模块较多，但控制器、人机接口、FPGA平台的硬件不是本文的重点，故不作阐述。只对其中的数模转换器和低通滤波器LPF做简单说明。
　　3.1 DAC模块
　　如图5所示在FPGA内部实现的数字相乘(调制)需要通过DAC转变成为模拟信号，这里的DAC采用的是14位的高速DA，再经过运放OPA690将差分电流转为单端电压信号。
　　3.2低通平滑滤波器
　　如图6所示，经DA输出的信号经过两级由OPA690组成的低通滤波器后平滑输出。
　　4软件设计
　　本系统的软件包括两部分：一是单片机控制器的软件设计;另一部分是FPGA的逻辑设计部分。
　　4.1单片机控制程序
　　51单片机主要起到控制中心的作用，具体包括人机接口、参数计算、控制数据传送给FPGA.这部分的软件流程图如图7所示。
　　4.2 FPGA内部逻辑设计
　　这部分的软件(逻辑设计)是本系统的一个重点。主要包括指数衰减ROM1、正弦信号ROM2、数字乘法器等3个模块。图8为指数衰减信号产生模块;图9所示为正弦信号产生模块，采用的是DDS技术，这两部分其实都是通过matlab文件计算后生成的定点初始化文件存入到FPGA的片上RAM中;图10给出的是实现前两个模块相乘的14位数字乘法器，用于实现数字调制器。
　　图11给出了逻辑设计完后在Qualtus软件中通过嵌入式逻辑分析仪signalTab看到的输出波形。
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变压器绕组频率响应测试仪
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变压器绕组频率响应测试仪压器绕组变形测试仪的主要技术特色
不对进行吊罩、拆装的情况下就可以进行测试。 使用目前最为流行的扫频法进行测量 本仪器可以对6kV以上的变压器进行测量 采用分体式结构，测试主机与主控计算机之间采用USB连接，即插即用 现场接线简单、使用方便 运行视窗操作系统，已鼠标点击选择为主，部分信息可手动输入。 测量动态范围宽：－100dB～20dB 分析软件功能强大，软件、硬件指标满足国标DL/T911-2004
变压器绕组频率响应测试仪主要技术指标有
1. 测试主机与PC接口：USB接口。
2. 每相测试仅需要一分钟。
3. 信号源：仪器自带一个通道信号输出作为扫频的激励信号；信号输出为标准正弦波，信号输出幅度可以软件调节，最大幅度±10V，信号输出阻抗为50Ω。
4. 两个采集通道，一个采集激励信号，一个采集响应信号
5. 采集通道输入阻抗：1MΩ
6. 外接彩色打印机
8. 扫描方式：采用线形分布的扫频测量方式
9. 扫描频率精度：信号源输出正弦信号的频率精度不大于0.01%
10. 扫频测量频点：1k－2MHz，测量点数2000点
11. 测量范围：-100dB-20dB
12. 采用Vittal原装机箱
13. 符合国家电力行业标准：DL/T911-2004
14. 供电：AC220V±10%(50Hz)
15. 环境温度：-15℃~+50℃
16. 相对湿度：10%~90%【图文】第4章 测量用信号源_百度文库
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第4章 测量用信号源
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你可能喜欢执行标准：DL/T911-2004
&&& XGRB-II 绕组变形测试仪用于测试6kV及以上电压等级电力变压器及其它特殊用途的变压器，电力变压器在运行或者运输过程中不可避免地要遭受各种故障短路电流的冲击或者物理撞击，在短路电流产生的强大电动力作用下，变压器绕组可能失去稳定性，导致局部扭曲、鼓包或移位等永久变形现象，这样将严重影响变压器的安全运行。按国家电力行业标准DL/T911－2004采用频率响应分析法测量变压器的绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的变化程度，判断变压器绕组可能发生的变形情况。
&&& XGRB-II 变压器绕组变形测试仪由测量部分及分析软件部分组成，测量部分是由信号生成及信号测量组成的黑匣子，分析部分由笔记本电脑完成，测量部分通过USB与笔记本电脑连接。
变压器绕组变形测试仪-功能特点
●& 不对变压器进行吊罩、拆装的情况下就可以进行测试。
●& 使用目前最为流行的扫频法进行测量
●& 本仪器可以对6kV以上的变压器进行测量
●& 采用分体式结构，测试主机与主控计算机之间采用USB连接，即插即用
●& 现场接线简单、使用方便
●& 运行视窗操作系统，已鼠标点击选择为主，部分信息可手动输入。
●& 测量动态范围宽：－100dB～20dB
●& 分析软件功能强大，软件、硬件指标满足国标DL/T911-2004&&&&
变压器绕组变形测试仪-技术参数&&
●& 测试主机与PC接口：USB接口。
●& 每相测试仅需要一分钟。
●& 信号源：仪器自带一个通道信号输出作为扫频的激励信号；信号输出为标准正弦波，信号输出幅
&&& 度可以软件调节，最大幅度&10V，信号输出阻抗为50&O。
●& 两个采集通道，一个采集激励信号，一个采集响应信号
●& 采集通道输入阻抗：1M&O
●& 外接彩色打印机
●& 扫频测量范围：1k－2MHz
●& 扫描方式：采用线形分布的扫频测量方式
●& 扫描频率精度：信号源输出正弦信号的频率精度不大于0.01%
●& 扫频测量频点：1k－2MHz，测量点数2000点
●& 测量范围：-100dB-20dB
●& 采用Vittal原装机箱
●& 符合国家电力行业标准：DL/T911-2004
●& 供电：AC220V&10%(50Hz)
●& 环境温度：-15℃~+50℃
●& 相对湿度：10%~90%
变压器绕组变形测试仪- 检测原理
&&&& &在较高频率的电压作用下，变压器的每个绕组均可视为一个由线性电阻、电感（互感）、电容等分布参数构成的无源线性双口网络，其内部特性可通过传递函数 H(j&)描述，如图1所示。若绕组发生变形，绕组内部的分布电感、电容等参数必然改变，导致其等效网络传递函数H(j&)的零点和极点发生变化，使网络的频率响应特性发生变化。
&&&&& 用频率响应分析法检测变压器绕组变形，是通过检测变压器各个绕组的幅频响应特性，并对检测结果进行纵向或横向比较，根据幅频响应特性的差异，判断变压器可能发生的绕组变形。
&&&&& 变压器绕组的幅频响应特性采用图1所示的频率扫描方式获得。连续改变外施正弦波激励源VS的频率f(角频率&=2&f)，测量在不同频率下的响应端电压V2和激励端电压V1的信号幅值之比，获得指定激励端和响应端情况下绕组的幅频响应曲线。图中：L、K及C分别代表绕组单位长度的分布电感、分布电容及对地分布电容，V1、V2分别为等效网络的激励端电压和响应端电压，VS为正弦波激励信号源电压，RS为信号源输出阻抗，R为匹配电阻。
&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&图1& 频率响应分析法的基本检测回路
测得的幅频响应曲线常用对数形式表示，即对电压幅值之比进行如下处理：
H（f）=20Log[V2(f )/V1(f )]
式中：H（f）为频率f时传递函数的模│H(j&)│；V2(f )和V1(f )为频率为 f 时响应端和激励端电压的峰值或有效值│V2(j&)│和│V1(j&)│。
仪器使用方便、现场接线简单。
&& 测试仪器现场接线非常简易，其现场测试示意图如下
变压器绕组变形测试仪-软件特色
●& 软件采用windows平台，兼容win9X/windows2000/winXP.
●& 可以同时加载6条曲线，各条曲线相关参数自动计算，自动诊断绕组的变形情况，给出诊断的参
&&& 考结论。&
●& 软件管理功能强大，充分考虑现场使用的需要，自动保存环境条件参数，以便作变压器绕组变形
&&& 诊断时提供依据。测量数据自动存盘、具有彩色打印功能，方便用户出测试报告。&
●& 软件人性化特点明显，测量的各种条件多为选择项，不用在现场作很多的输入，使用人员更加的
&&& 方便。&
●& 软件智能化程度高，在输入、输出信号连接好之后，只需要按一个键就可以完成所有的测量工
●& 软件界面如图，界面简洁直观。