《CDIO三级项目实训》教学大纲

1、 PAGE 9CDIO三级项目实训 课程教学大纲一、课程的基本信息适应对象：电子信息工程实验班课程代码：22E12207学时分配：1周( 授课)+5周（实践）赋予学分：5学分先修课程：CDIO二级项目实训后续课程：毕业设计课程性质与任务CDIO三级项目实训是电子信息工程专业实验班学生的一门专业实践课程。通过由学习硬件方向的学生和学习软件方向的学生组成2-4人团队，给合历年全国大学生电子竞赛项目，在仪器仪表类、自动控制类、电源类和通信类选定一个方向，完成该方向1-3个项目，研制电子工程样机。旨在培养大学生的团队合作精神、工程实践能力、综合应用能力和创新能力。教学目的与要求教学目的：培养大学生的团

2、队合作精神、工程实践能力、综合应用能力和创新能力。要求：在仪器仪表类、自动控制类、电源类和通信类项目中任选一个方向，并完成该方向1-3个项目。教学内容与安排4.1仪器仪表类参考项目：音频信号分析仪1、任务设计、制作一个可分析音频信号频率成分，并可测量正弦信号失真度的仪器。2、要求1）基本要求（1）输入阻抗：50（2）输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV5V（3）输入信号包含的频率成分范围：200Hz10kHz（4）频率分辨力：100Hz（可正确测量被测信号中，频差不小于100Hz的频率分量的功率值。）（5）检测输入信号的总功率和各频率分量的频率和功率，检测出的各频率分量的功率之和不小于总功

3、率值的95%；各频率分量功率测量的相对误差的绝对值小于10%，总功率测量的相对误差的绝对值小于5%。（6）分析时间：5秒。应以5秒周期刷新分析数据，信号各频率分量应按功率大小依次存储并可回放显示，同时实时显示信号总功率和至少前两个频率分量的频率值和功率值，并设暂停键保持显示的数据。 2）发挥部分（1）扩大输入信号动态范围，提高灵敏度。（2）输入信号包含的频率成分范围：20Hz10kHz。（3）增加频率分辨力20Hz档。（4）判断输入信号的周期性，并测量其周期。（5）测量被测正弦信号的失真度。（6）其他。3、说明（1）电源可用成品，必须自备，亦可自制。（2）设计报告正文中应包括系统总体框图、核心

4、电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序、和完整的测试结果用附件给出。 4、评分标准设计报告项 目主要内容分数系统方案比较与选择方案描述5理论分析与计算放大器设计功率谱测量方法周期性判断方法15电路与程序设计电路设计程序设计10测试方案与测试结果测试方案及测试条件测试结果完整性测试结果分析12设计报告结构及规范性摘要设计报告正文的结构图表的规范性8总分50基本要求实际制作完成情况50发挥部分完成第（1）项10完成第（2）项10完成第（3）项10完成第（4）项10完成第（5）项5其他5总分504.2 参考论文：音频信号分析仪摘 要本系统根据频谱分析的原理、周期性信号

5、的概念与频谱特征以及正弦信号谐波失真度的定义等理论；以单片机和FPGA相结合为核心，以快速傅里叶变换（FFT）为主要分析工具；对信号输入电路进行程控衰减、放大与预滤波处理，成功实现了量程自动转换和数据采样，避免了频率混叠现象；FPGA和单片机相结合，圆满完成了输入信号总功率的测量和功率谱分析，并能正确地判断未知信号的周期性、测量出周期信号的周期，也能正确测量规定频率范围内正弦信号的失真度。较全面地达到了题目规定的各项技术指标或要求。本课题较好地体现了“模拟的系统概念与数字化的处理技术相结合”的电子技术发展趋势。一、系统方案论证本设计要求实现音频信号功率谱分析、判断信号的周期性与测量周期以及测量

6、正弦信号失真度等功能。因此，运用快速傅里叶变换（FFT）来实现这些功能是比较合理的选择。方案一：如图1所示。用单片机定时控制A/D采样速率，并采用FFT算法计算谱功率、周期性判断及失真度测量。但此方案对单片机的处理速度和系统存储容量要求较高，分析速度慢。图1 方案一系统总体方框图方案二：如图2所示。采用FPGA和单片机相结合的方案。输入信号先经过衰减/放大与滤波处理后，即进行A/D采样等数字化处理，FPGA完成A/D数据存取、FFT算法及频率测量，单片机完成系统的控制、周期性判断、信号功率谱和失真度的计算等。此方案大大降低了单片机的负荷，提高了整个系统的处理速度与测量精度。因此，本设计采用方案

7、二。二、理论分析与计算1. 输入程控放大电路的设计频率范围FMNfsTPmin100Hz10kHz100Hz9920020KHz0.01s20Hz10kHz20Hz500100020KHz0.05s根据题目扩展输入信号电压范围、提高灵敏度的要求，将信号电压的范围扩展到图2 方案二系统总体方框图5mV19.99V，为此，要划分输入信号量程，并将放大器设计为包括程控衰减、放大与量程自动转换的放大器。另外，为了避免频率混叠，应设计相应滤波器。具体设计参数见表1。表1 放大器量程划分档位电压放大倍数输出电压15mV10mV1000.52V210mV25mV40325mV80mV16480mV0.2V7

8、50.2V0.5V360.5V1.25V1.2571.25V5V0.485V-19.99V0.12.功率谱测量方法（1）最大可分辨频点数、采样频率、采样点数、采样时间设频率分辨率为F，输入信号频率成分范围为，则最大可分辨频点数： （1）最低采样频率： （2）最小采样点数： （3）最小采样时间： （4）根据以上各式，对于基本要求和发挥部分的有关数据计算如表2所示。表2 计算表为了提高精度，减少误差，可以增加采样时间和点数。故本设计实际确定采样时间如表2所示，但采样点数提高到N=2048，基本部分fS1=204.8KHz，发挥部分fS2=40.96KHz，采样频率由单片机控制DDS提供。发挥部分由

9、于频率分辨率提高，采样点数会增加，系统数字处理量会超过负荷，故降低了采样频率。（2）信号功率测量设输入信号为，以F为基波对进行傅里叶变换可得到其频谱分布。根据傅里叶变换时域和频域能量守恒的性质，频域各分量的功率之和即为输入信号的功率： （5）式中为基波及各次谐波系数（振幅），根据傅里叶变换的对称性，则功率为 （6）式中，为直流分量功率，为谐波功率。所以，各频率分量功率为 （7） 将按序排出，即得信号的功率谱（频率功率）。将所有谱功率求和，即得信号总功率： （8）在求取前端实际输入信号谱功率时，需考虑前期处理增益（包括衰减/放大、A/D增益等），因此，在（6）、（7）、（8）各式中还应乘上一个系

10、数K： （9） （10）考虑误差要求时，n将只取适当数。系数K可以由理论计算加实验修正取得。 （3）周期性判断方法利用FFT计算方法，判断一个信号是否为周期信号，理论上讲也有多种方法，例如，加倍截取采样时间比较法3等。但这些方法采样数据量大，分析时间长，故本设计未采用。本设计将输入信号分为两频段，进行功率谱分析，以判断是否有周期性信号存在。具体设置见表3。表3 信号周期性判断方案参数设置表频率区间采样时钟频率采样时间最少采样周期数最高频率采样点数采样点数20Hz-500Hz2.048KHz1s2042048500Hz-10KHz40.96K0.05S254根据表3参数进行的测试，在题目规定的频

11、率范围内的周期信号，至少被采样8个周期以上，若有周期性信号存在，必有相应的功率谱分量存在，重复测量2次，结果相近，即可判断为周期性信号；否则，为非周期信号。三、电路与程序设计1.硬件电路设计（1）输入程控放大电路为了使输入信号的电压范围扩宽，设计了一个具有8档量程的程控放大器，实现量程自动转换，保证A/D转换器输入电压保持在0.5V2V，此电路由运放、模拟开关和电阻网络组成，具体电路如图3所示。图3 程控放大电路原理图 （2）输入总功率测量由真有效值测量芯片AD637直接接入单片机，单片机内部的12位A/D实现A/D转换，由单片机完成功率计算。具体电路如图4所示。图4 总功率测量电路原理图 （

12、3）预滤波电路为了使输入信号的频率成分限定在20Hz10KHz范围内，并防止采样频率混叠现象,在AD采样前要进行预滤波处理。采用开关电容滤波器MAX297的具体电路如图5所示（fc=11KHz）。 图5 预滤波电路原理图 （4）模/数转换根据总功率和谱功率求和计算方法的不同，输入信号经真有效值芯片AD637测量后送单片机中的A/D采样，计算总功率；输入信号直接送AD876芯片采样，由FPGA进行FFT运算，送单片机计算谱功率。 （5）信号整形电路在测量正弦信号的失真度时，需对被测信号进行整形与测频，然后使用DDS产生该频率128倍频A/D采样时钟。设计的整形电路如图6所示。图6 信号整形电路原

13、理 2.程序设计 （1）FPGA程序分析与设计本系统中FPGA负责数据存取、FFT运算及频率测量等功能，基本框图如图7所示。FPGA的内部结构包括四个部分，通信由FPGA内部总线实现，与外部的通信是通过C51系列MCU的标准总线实现，之间通过总线转换模块控制通信。通过设立控制寄存器来控制及反映FPGA内部各模块的工作状态。将FPGA开发出上述功能的程序设计,采取“由顶向下”的设计方法，使用VHDL语言，设计出数据存取、频率测量及控制模块；使用VHDL语言并结合Altera公司提供的IP核（FFT 2.2.1）,实现FFT算法。具体的顶层程序设计原理框图见附录C图1。图7 FPGA内部框图 （2

14、）单片机程序分析与设计本系统中单片机（C8051F020）起到了控制和数据处理中心的作用，实现对程控放大、FPGA、人机接口及DDS电路的控制，同时要负责计算信号的总功率和各频率成分的功率、正弦信号失真度，还要负责信号的周期性判断等。主程序流程见附录C图2。四、测试方案与测试结果 1.测试仪器Tektronix AFG3022任意波形发生器；TDS3032B数字示波器；4位半数字万用表。 2.测试方案如图8所示。箭头表示测试点及测量仪器。图8 测试方案示意方框图 3.测试数据（1）输入阻抗：在开机状态下，用4位半万用表测量：Ri=50.05。（2）输入信号电压范围及量程自动转换测试结果，见附录

15、A表1。（3）输入信号频率范围、频率分辩率及频率分量功率测量相对误差、失真度测量结果，见附录A表2。实测数据表明，各频率分量功率测量的相对误差绝对值 5%,满足题目10%的要求。其中标准功率由4位半表测得信号的电压后计算得到。（4）总功率和功率谱测量测试结果见附录A表3。其中，计算标准功率时的电压，以仪器输出值为准。（5）周期性判断与周期测量测试结果见附录A表4，其中被测信号2次为非周期信号（噪声信号）和2次周期性信号（未知频率正弦波）。（6）其它：分析时间：小于1秒；数据刷新时间：5秒；谱功率排序存储、回放显示：有；实时显示各项，已如上各表所见；暂停显示：有；失真度测量：数据记录见附录A表2，失真度按谐波失真度定义计算： （11）式（11）中，V1为正弦波电压基波振幅值，Vn为谐波电压振幅值。 4.测试结果分析本设计测试的工作量很大，但所有测量