基于单片机的电量频谱分析设计开题报告

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1. 研究目的与意义

频率是电力系统的一个重要参数，准确地测量电力系统实际频率对保证电力系统稳定运行有重要意义。信号频谱分析是将时域信号变换至频域加以分析，目的是把复杂的时间历程波形，经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以获得信号的频率结构以及各谐波和相位信息。对信号进行频谱分析可以获得更多有用信息，如求得动态信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。

2. 国内外研究现状分析

上世纪70年代，频谱分析仪快速的发展，出现了百花齐放的局面。如HP公司的HP8553B、8554B、8554A/8562R/141T系列等，Tek公司的7L14，日本TR公司的TR4110/4113系列等，到了80年代后，随着计算机、微处理器的发展和医用，频谱仪向智能化、自动化方向发展。如：HP8568A、8566D，Tek496P、494P等。从上世纪末到本世纪初，频谱分析仪的发展速度更加迅猛，在技术、工艺等方面达到了很高的水平，如HP8562A/B、70000系列的分析仪都有上百个功能。HP8562集小型化与高性能为一体，使其具有更快、更精确的测量能力。而且70000系列是模块化的频谱仪，它还可以随时增加或替换模块，以此实现频段扩展或指标的提升等，而国内由于在这方面起步比较晚，因此与国外相比还有一定的差距，不过随着国内学习国外技术步伐的加快，国内已经有一些企业或研究所做出了不得的成绩，如中电41所、前锋电器等。NI(National Instrument)美国国家仪器公司，它是虚拟仪器行业的领军企业，它也是虚拟仪器的制造者和倡导者。NI创造了基于革新性的测试测量技术，为客户提供了测量与自动化的最佳方案。NI的虚拟频谱分析仪通过数据采集卡并配合专门用于虚拟仪器设计的软件-LabVIEW设计出相应的频谱分析仪，NI公司的虚拟频谱分析仪在很多方面都具有领先地位。另外荷兰TiePieEngineering区公司的HS801型虚拟仪器是五合一(任童波形发生器、数字存储示波器、瞬态波形记录仪、频谱分析仪、数字表）虚拟综合测试仪，美国Link公司推出DSO-2902、DS02904和DSO-25216三款DSO系列混合信号数字存储示波器（三合一，存储示波器 逻辑分析仪 FFT频谱分析仪)，处于世界领先水平。在虚拟频谱分析仪领域中，国内近年的发展也相当的迅速，虽然与国际的先进水乎还有一定的差距，正是这样才更加表明了我国的产品发展的空间还很大，还有潜力，需要我们更进一步的开发和利用。国内从90年代起一些大学就相继的开展了频谱仪的研究工作，如电子科技大学、哈尔滨工业大学、重庆大学、中国科技大学等。在研制虚拟仪器的厂商有北京炜煌科技公司、北京普源科技公司等，但是我们国家在这方面的研究仍然是属于起步阶段。

3. 研究的基本内容与计划

整个程序的设计可分为三个模块，它们分别是采集模块、数据处理模块，频谱分析模块。每个模块中都包含了具体的底层驱动程序和具体的数据处理方法，模块具体如下所示:

1、数据采集模块（通过软件的控制和硬件实验平台的配合进行数据的采集）这部分主要是通过软件对采集参数模块进行相应的设置，其中有垂直灵敏度、秒格、耦合方式(直流或交流)，波形在显示器上的位置以及采集过程控制等，这些参数都需要通过epp口读耳数据来控制它的采集开始与停止等，采集参数设置后就开始采集数据、在这里主要对耦合方式、直流偏置、垂直分辨率以及采样频率等分别做出相应的设置，以便执行采集。

2、数据处理模块(采集到的数据送到数据处理模块，通过软件操作来控制数据处理)这一部分主要是数据处理，而在编程过程中将处理的整个流程作为采集的一个通道，方便我们修改与查阅。数据处理部分主要是通过电压峰一峰值、有效值等的基本算法来对采集到的电压计算其峰-峰值、有效值，并通过计数方式来计算频率，最后对采集的致据进行平滑、滤波等处理，以此获得好的波形，减小结果的误差值。

4. 研究创新点

本设计不仅对基于单片机的频谱分析进行了研究，运用了本次论文所需要的信号分析算法，同时介绍了设计中各部分的工作原理及相应功能。将通过快速傅立叶变换对信号进行采样与分析，能准确区分基波与谐波。很大程度上满足了对电能质量分析的要求。