脈沖響應(yīng)辨識(shí)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

彭惠芹

摘? 要 脈沖響應(yīng)辨識(shí)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依據(jù)課程教學(xué)要求，設(shè)計(jì)的M序列信號(hào)發(fā)生器由脈沖源電路模塊、反饋移位寄存器電路模塊、整形電路模塊及衰減電路模塊構(gòu)成，二階系統(tǒng)模塊由運(yùn)算放大器和部分電阻電容構(gòu)成，配合STM32軟件編程和采用TFT液晶屏，構(gòu)建脈沖響應(yīng)辨識(shí)顯示系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用MATLAB仿真進(jìn)行M序列參數(shù)的估算，Protel做電路原理圖繪制，Multisim用作系統(tǒng)模塊電路的仿真。系統(tǒng)實(shí)測(cè)表明：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以覆蓋自動(dòng)控制、電子技術(shù)、單片機(jī)、電路仿真等特定的知識(shí)點(diǎn)，具有適應(yīng)學(xué)科知識(shí)交叉滲透的實(shí)用價(jià)值和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力的教學(xué)使用價(jià)值。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)20多項(xiàng)。

關(guān)鍵詞 脈沖響應(yīng)辨識(shí)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);MATLAB;M序列信號(hào)發(fā)生器;反饋移位寄存器電路;二階系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）24-0019-04

Development of Impulse Response Recognition Experimental Teaching System//PENG Huiqin

Abstract Impulse Response Recognition Experimental Teaching Sys-

tem consists of msequence generator， impulse generator block， feed-

back register shifting circuit block， wave-shaping circuit block and attenuation circuit block， according to the teaching requirements of the course. Two-order system block is constructed via operational amplifiers， resistors and capacities. By utilizing STM32 and TFT

screen， impulse responses recognition and display system is designed.

The experimental system realizes Estimation of M sequence para-meters on MATLAB platform， the circuit schema is designed on Pro-

tel， and the circuit simulation verifying is assigned to Multisim. The

system measurement indicates： the content of experiment can per-

fectly include automatic control， electronic technology， microcon-troller， circuit simulation and other specific knowledge fields， which has the practical values of adapting to the cross-penetration of sub-

ject knowledge and the teaching value of cultivating students’ prac-tical operation ability. According to statistics， this system can fulfill more than 20 experimental requirements.

Key words impulse response recognition experimental teaching sys-

tem; MATLAB; M sequence generator; feedback shifting register; second order system

0? 引言

脈沖響應(yīng)辨識(shí)綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需要且立足硬件資源，采用模塊化設(shè)計(jì)，不同模塊可進(jìn)行不同項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，各模塊可連接、可選擇、可升級(jí)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以覆蓋自動(dòng)控制、電子技術(shù)、單片機(jī)、電路仿真等特定的知識(shí)點(diǎn)，具有適應(yīng)學(xué)科知識(shí)交叉滲透的實(shí)用價(jià)值和培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力的教學(xué)使用價(jià)值，系統(tǒng)具有一定的先進(jìn)性和靈活性[1]。

1? 辨識(shí)電路原理分析

辨識(shí)輸入信號(hào)選擇合理是獲得好的辨識(shí)結(jié)果的關(guān)鍵之一[2]，式（1）列出M序列的自相關(guān)函數(shù)：

當(dāng)NP→∞時(shí)，近似于δ函數(shù)，可得M序列，可以用作辨識(shí)輸入信號(hào)，適當(dāng)選擇M序列的循環(huán)周期NP Δt及移位脈沖周期（時(shí)鐘節(jié)拍）Δt和幅度a，就能獲得比較理想的辨識(shí)結(jié)果[3]。

待辨識(shí)的二階系統(tǒng)其時(shí)間常數(shù)T1=2.0 ms，T2=1.0 ms，靜態(tài)增益K=5.0，其傳遞函數(shù)為：

將系數(shù)代入得：

再由公式T1 = R2 · C1 ，T2 = R4 · C2，以及K=K1·K2=

，選擇二階系統(tǒng)參數(shù)R1=10 kΩ，R2=20 kΩ，R3=2 kΩ，

R4=5 kΩ，以及C1=0.1 μF，C2=0.2 μF。

待辨識(shí)的二階系統(tǒng)為兩個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)的級(jí)聯(lián)，其原理圖如圖1所示。

1）過(guò)渡過(guò)程解析。借助MATLAB仿真對(duì)二階系統(tǒng)做分析，以便獲得所需參數(shù)。將式（2）傳遞函數(shù)變形：

在MATLAB中的命令窗口輸入命令：

>> num=[2500000];den=[1，1500，500000];

>> bode（num，den）;grid

獲得二階系統(tǒng)的Bode圖（圖2），在幅度下降了3 dB時(shí)可得角頻率412 rad/s，則截止頻率：

f=ω/2π=412/2π=65.61 Hz? ? ? ? ? （5）

由MATLAB可得二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（圖3），按照2%的誤差帶，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大約為9 ms。

2）M序列信號(hào)發(fā)生器電路原理。通過(guò)分析二階系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程特性，并估算用作對(duì)象輸入的M序列信號(hào)所需的頻率帶寬，以此確定M序列參數(shù)。

由二階系統(tǒng)截止頻率65.61 Hz和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間9 ms得：1/3Δt≥fmax，即1/3Δt≥65.61。可取Δt=1 ms。

由（Np-1）Δt≥（1.2～1.5）Ts，可取Np=16。

因此，確定M序列的各項(xiàng)參數(shù)：M序列的階次為四級(jí);移位脈沖（M序列節(jié)拍）的頻率為1 kHz;循環(huán)周期長(zhǎng)度為15;循環(huán)周期是16 ms;移位脈沖周期（時(shí)鐘節(jié)拍）是

1 ms;幅度±1 V。

2? 脈沖響應(yīng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1? 系統(tǒng)構(gòu)成

脈沖響應(yīng)辨識(shí)系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示，系統(tǒng)由M序列信號(hào)發(fā)生器電路、消振及衰減電路、二階系統(tǒng)電路以及顯示電路構(gòu)成。其中的M序列信號(hào)發(fā)生器由脈沖源電路、反饋移位寄存器電路和整形電路構(gòu)成。

2.2? M序列信號(hào)發(fā)生器電路

脈沖源電路如圖5所示，設(shè)計(jì)采用靈活的經(jīng)典集成塊NE555構(gòu)成，采集其輸出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。忽略T管導(dǎo)通電阻，可以求得脈沖源電路振蕩頻率：

以此求得脈沖電路的頻率范圍：

即：頻率范圍為650 Hz～7.15 kHz;脈沖電路的脈沖幅度Um≈VCC。

依據(jù)M序列參數(shù)搭建四級(jí)反饋移位寄存器電路（圖7），其仿真波形見(jiàn)圖8，由此初步確定電路設(shè)計(jì)的正確性。硬件電路器件由74LS74、74LS32和四74LS86構(gòu)成。

給定M序列的初始狀態(tài)為100 0，則電路輸出為“100 011 110 101 100”的循環(huán)序列信號(hào)。由圖9的M序列實(shí)時(shí)輸出波形可驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的正確性。

為避免二階系統(tǒng)工作在非線性區(qū)，四級(jí)M序列的輸出需進(jìn)行限幅處理，采用兩級(jí)反向輸入比例運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖10所示，然后選用CD40106來(lái)完成波形的整形。

根據(jù)反向輸入比例運(yùn)放的運(yùn)算關(guān)系可得式（9）：

經(jīng)過(guò)限幅降壓電路，輸出電壓降到輸入電壓的一半。

系統(tǒng)實(shí)測(cè)：在頻率500 Hz時(shí)，輸入M序列電壓峰峰值為5.36 V，經(jīng)過(guò)衰減電路后為2.6 V，基本滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

2.3? 顯示系統(tǒng)

將M序列信號(hào)輸入到待辨識(shí)二階系統(tǒng)可見(jiàn)仿真波形（圖11）。配合STM32軟件編程，構(gòu)建脈沖響應(yīng)辨識(shí)顯示系統(tǒng)，用于觀測(cè)待辨識(shí)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。所構(gòu)建的顯示系統(tǒng)采用TFT液晶屏。寫入單片機(jī)部分程序如下：

……

while（1）

{

Scan_x+=2;

adcx=Get_Adc_Average（ADC_Channel_1，1）;

adcx=（adcx>>5）+50;

LCD_DrawLine（sta_pot，Scan_x，adcx，Scan_x+2）;

sta_pot=adcx;

if （Scan_x>=320）{

Scan_x=1;

sta_pot=10;

LCD_Clear（WHITE）;

}

}

……

3? 脈沖響應(yīng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

脈沖響應(yīng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于硬件資源，系統(tǒng)可拆分成若干個(gè)單元模塊進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供了靈活的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐資源。表1歸納出系統(tǒng)可開(kāi)設(shè)的基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)可以完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)20多項(xiàng)。

致謝：本教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)獲得中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)及浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司的支持，特此感謝。■

參考文獻(xiàn)

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