一、任务
设计制作信号失真度测量装置，对来自函数/任意波形发生器的周期信号（以下简称为输入信号）进行采集分析，测得输入信号的总谐波失真 THD（以下简称为失真度），并可在手机上显示测量信息。测量装置系统组成示意图如图 1 所示。
二、要求
1.基本要求
（1）输入信号的峰峰值电压范围：300mV~600mV。
（2）输入信号基频：1kHz。
（3）输入信号失真度范围：5% ~ 50%。
（5）显示失真度测量值THDx 。
（6）失真度测量与显示用时不超过 10 秒。
2. 发挥部分
（1）输入信号的峰峰值电压范围：30mV ~ 600mV。
（2）输入信号基频范围：1kHz ~100kHz。
（4）测量并显示输入信号的一个周期波形。
（5）显示输入信号基波与谐波的归一化幅值，只显示到 5 次谐波。
（6）在手机上显示测量装置测得并显示的输入信号THDx 值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。
（7）其他。
三、说明
（1）本题用于信号失真度测量的主控制器和数据采集器必须使用 TI 公司的MCU 及其片内 ADC，不得使用其他片外 ADC 和数据采集模块（卡）成品。
（2）关于 THD 的说明：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 THD（totalharmonic distortion）”定量分析放大器的非线性失真程度。
为本题失真度的标称值。
若失真度测量值为THDx ，则失真度测量误差的绝对值为
（3）基波与谐波的归一化幅值：当输入信号的基波幅值为Um1，各次谐波幅值分别为Um2 、Um3…，基波与谐波的归一化幅值为：1、( Um2/ Um1)、(Um3/ Um1) …。
（4）用函数/任意波形发生器（以下简称为发生器）输出的周期信号作为测量装置的输入信号。参赛队员必须熟练掌握发生器“谐波发生”功能的操作技能（包括但不限于设置信号谐波参数、存储与调用信号）。
（5）参赛队必须自带本队自用的发生器参加赛区作品测试，根据测试专家提出的有关要求自行设定、存储自带发生器的输出信号，作为测量装置输入信号。
（6）除输入信号外，不得再有任何其他信号引入测量装置。一键启动测量后，装置应在 10 秒钟内自动完成失真度测量与显示（期间不得有人工操作），超时扣分。一旦测量显示总用时超过 30 秒，停止作品测试。
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统概述
设计一个信号失真度测量装置，检测输入信号的总谐波失真度 (THD) 并将相关信息显示在手机终端。系统包括信号前端采集、ADC转换、THD计算、无线传输和数据展示五个主要模块。
二、硬件组成
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信号输入和调理电路
- 输入电压范围：300mV - 600mV
- 放大电路：调整输入信号的放大倍数，以适应ADC输入范围。选用低噪声、高带宽运放，如TI的OPA820。
- 滤波电路：采用LC滤波电路，滤除高频噪音和干扰。
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ADC转换模块
- 转换速率：要求支持的频率范围为1kHz - 100kHz，建议选用高精度高速ADC，如ADS1278，16位或以上分辨率。
- 供电与参考电压：确保ADC的输入参考电压稳定，避免因电源波动导致测量误差。
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微控制器 (MCU)
- 选型：建议使用具有高运算能力和丰富接口的MCU，如STM32系列。
- 功能：实现数据采集、THD计算和无线数据传输。
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无线通信模块
- 选型：使用蓝牙或Wi-Fi模块，比如ESP8266或HC-05，便于数据无线传输到手机。
- 配置：确保模块与MCU的接口连接及协议匹配。
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数据展示终端
- 软件：基于安卓或iOS平台开发APP，接收和显示MCU传输的THD数据。
- 功能：实时刷新显示总谐波失真度值及曲线图。
三、软件设计
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初始化
- 配置ADC、MCU、无线通信模块的工作参数。
- 初始化系统状态，确保各模块稳定工作。
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信号采集与转换
- 信号调理：通过前端电路对输入信号进行放大和滤波，确保信号质量。
- ADC采集：将调理后的模拟信号转换为数字信号，并存储于MCU内的缓冲区。
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THD计算
- 快速傅里叶变换 (FFT)：对采集的信号进行FFT运算，提取各谐波成分的幅值。
- THD公式计算：根据THD定义公式，计算总谐波失真度。 [ THD = \frac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + V_4^2 + ...}}{V_1} \times 100% ]
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数据传输
- 无线发送：将计算得到的THD数据通过蓝牙或Wi-Fi模块发送到数据展示终端。
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数据展示
- APP开发：实现实时接收并显示MCU发送的THD数据。
- 界面设计：美观、简洁的用户界面，显示每次测量的即时报告和历史记录。
四、校准与测试
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初次校准
- 校准ADC的输入和输出，确保采样精度。
- 校验信号调理电路的性能，确保输入信号的真实性和稳定性。
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功能测试
- 在1kHz - 100kHz范围内，模拟不同失真度的输入信号，确保系统能正确计算并显示THD值。
- 测试无线传输功能，确保数据的实时性和准确性。
五、系统优点与注意事项
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优点
- 高准确性：通过高频高精度ADC采集和精确的数字运算，确保THD测量结果的准确性。
- 便携性：通过无线通信模块实现数据的远程传输，便于用户在移动设备上实时查看。
- 灵活性：系统可对不同频率范围和输入幅度的信号进行测量，适应多种应用场景。
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注意事项
- 确保硬件组件的供电稳定，避免电源波动引入测量误差。
- 确保滤波和放大电路正确设计，以避免信号失真。
- 定期校准系统中的ADC和前端放大电路，维持测量精度。
通过该设计方案，系统可以实现对信号输入模块的总谐波失真度进行精确的测量和显示，满足项目要求。
该题目考察的知识点：
本题目考察的知识点包括信号处理及分析、电路设计及实现、数据采集与转换、无线通信及软件开发等。具体而言，要求理解和计算总谐波失真度 (THD)，掌握快速傅里叶变换 (FFT) 及其应用，通过设计和调试信号调理电路确保输入信号的准确性。还涉及选用合适的ADC和微控制器进行数据采集和处理，利用无线通信模块实现数据传输。同时，也需要软件开发能力，设计手机应用程序实时显示和分析数据。这些内容综合考察了硬件设计、信号分析和软件集成的综合能力。
