周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置

孫逸潔，馬蕾

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450000）

0 引言

本文分析了賽題要求和關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)。根據(jù)題目基本要求和發(fā)揮部分的各項指標(biāo)，本設(shè)計經(jīng)觀察確認(rèn)其測試結(jié)果完全符合題目要求，并對測量的范圍進(jìn)行了提升，本系統(tǒng)可以在測試2MHz 的信號頻率時準(zhǔn)確識別到波形類型和參數(shù)，能實現(xiàn)基本功能和發(fā)揮功能的要求。

1 原理與設(shè)計

■1.1 方案論證

1.1.1 信號調(diào)理方案設(shè)計

方案一：可選多通道放大電路。信號調(diào)理電路對應(yīng)不同幅度的信號采用多種放大倍數(shù)的放大器，放大器出口至A/D轉(zhuǎn)換前采用多選一的模擬開關(guān)把信號匯總，這種調(diào)理電路優(yōu)點是每一路信號都可以單獨調(diào)試，精確度高，但是為了細(xì)膩的覆蓋整個采樣的幅度空間，會造成通道數(shù)過于繁多，信號偏置控制電路復(fù)雜，手動的調(diào)試工作量繁重，并且增加了主控制器切換通道的任務(wù)量，這種方案占用電路板面積大，分布參數(shù)和抗干擾能力都有不容易解決的問題。本方案不采用這種設(shè)計。

方案二：信號調(diào)理電路采用集成程控放大器，采用專用的程控放大器電路，此類放大器具備放大和衰減的功能，無須多路模擬開關(guān)。但是在選定不同放大檔位的情況下，此類放大器需要利用外部模擬信號調(diào)整信號放大倍數(shù)和本底偏置。這種信號可利用DAC 實現(xiàn)，利于系統(tǒng)進(jìn)行自校準(zhǔn)。并且整個調(diào)理電路元器件數(shù)量少，帶寬高，本設(shè)計采用這種設(shè)計。

1.1.2 信號采樣方案設(shè)計

方案一：信號采樣電路采用和數(shù)據(jù)處理電路采用傳統(tǒng)控制器（包含且不限于51、STM32），利用此類控制器內(nèi)部集成A/D 轉(zhuǎn)換器，將模擬信號量化成數(shù)字信號。但是這類控制器內(nèi)部集成的A/D 轉(zhuǎn)換器通常都是速度較低的種類（例如逐次逼近式A/D），最高采樣率在1MHz 左右，經(jīng)過計算可以滿足本題中基本要求所提供的技術(shù)參數(shù)，但是無法保證題目發(fā)揮部分中對50kHz 信號占空比精確測量的要求。因此不選用此方案。

方案二：信號采樣電路采用以FPGA 等可編程器件，利用FPGA 外部擴展高速并行A/D 轉(zhuǎn)換器，配合FPGA 內(nèi)部的高速RAM，可輕松實現(xiàn)大于20MHz 的采樣速率，并且可以自由選擇采樣速率，適宜測量不同頻率的模擬信號，系統(tǒng)擴展STM32 將數(shù)據(jù)進(jìn)行多種運算后，送至屏幕進(jìn)行顯示。本設(shè)計采用這種設(shè)計。

1.1.3 波形判別方案設(shè)計

方案一：時域判別法：對采集的信號按照時間先后和預(yù)制的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度信息的對比，對二者的差值進(jìn)行分析，得到最終結(jié)果，但是此方案要求對信號調(diào)理電路的失真度要求很高，并且要求單周期內(nèi)有很高的信號量化數(shù)據(jù)，這給采樣模塊提出了更高的要求，特別是當(dāng)信號本身包含交流和直流成分時，此種判別方法的工作量和成功率包含很大的不確定性。本設(shè)計不采用這種設(shè)計。

方案二：頻域判別法：任何周期信號都可以通過FFT運算得到其頻譜，而且其頻譜具有鮮明的特點，通過對信號各個頻率成分的幅度信息的綜合判斷，可以穩(wěn)定判定該信號的種類。本設(shè)計采用這種設(shè)計。

■1.2 方案構(gòu)成

系統(tǒng)主要由信號調(diào)理電路模塊、AD 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集和存儲模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊構(gòu)成，具體的總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2.1 系統(tǒng)工作分析

電源部分：本系統(tǒng)采用5V 供電，電源部分使用了三路線性穩(wěn)壓器AMS1117 分別降壓成+3.3V，+2.5V，+1.2V 給FPGA 和MCU 供電。使用SGM3204 電荷泵產(chǎn)生-5V 電源供模擬電路使用。

信號輸入：信號經(jīng)過J1 端子進(jìn)行輸入，繼電器JD5 可選擇信號的耦合方式是交流耦合或直流耦合，繼電器JD6及周邊電路實現(xiàn)對輸入信號的衰減。配合后級的程控放大器來確定整機提供的幅度量程，衰減電路中的電容對高頻信號起到補償?shù)淖饔?。U14A 使用JFET 型運放構(gòu)成電壓跟隨器，程控放大器選用AD603，MCU 可以通過改變AD603的1 腳和2 腳電壓差來改變其放大倍數(shù)，放大的范圍是從-11dB—+31dB,最高帶寬可以達(dá)到90MHZ.末級電路使用的是LMH6643 作為波形偏置電路，使采集的波形偏置到水平軸的上方，本設(shè)計使用經(jīng)過濾波的PWM 來控制AD603的放大倍數(shù)和LMH6643 的偏置控制。

AD 采集：TLC5510 由FPGA 的PLL 提供25MHz 的時鐘進(jìn)行實時采集，在此注意TLC5510 高速AD 的輸出不是0V 起調(diào)整的，在數(shù)據(jù)手冊中也給出了采集參考值。

當(dāng)AD 采集到的數(shù)據(jù)傳遞給FPGA 之后，首先在FPGA內(nèi)部首先進(jìn)行了AD 值的累加取平均值，濾除掉一部分雜波，然后再將累加取平均之后的AD 值送給FPGA 觸發(fā)模塊，測頻率模塊。在FPGA 中開辟了一塊RAM 內(nèi)存用于存放取樣模塊傳遞出來的AD 值，通過AD 數(shù)據(jù)的最大值和最小值，計算出幅值，測頻率模塊根據(jù)采集到的AD 數(shù)據(jù)計算在一秒以內(nèi)多少個周期信號得出頻率，通過單一周期中的總AD 數(shù)據(jù)個數(shù)、高于AD 數(shù)據(jù)平均值的AD 數(shù)據(jù)個數(shù)可計算出矩形波占空比和正負(fù)脈寬等參數(shù)，測量出來的頻率以及AD 數(shù)據(jù)都通過SPI 傳遞給了STM32，AD 數(shù)據(jù)主要用于波形的顯示以及FFT 運算，通過FFT 的運算來實現(xiàn)波形的識別，并且根據(jù)采樣輸入信號的幅值和頻率自動設(shè)置采樣率和檔位，stm32 還負(fù)責(zé)將采集到的波形，幅值，頻率，矩形波占空比等數(shù)據(jù)在液晶屏上的顯示。

1.2.2 信號調(diào)理電路模塊

被測信號的范圍是50mV～10V，由于信號比較微弱，本身的能量比較小，本設(shè)計選用JFET 型高阻抗放大器AD825 作為輸入緩沖電路。信號調(diào)理電路設(shè)計的輸入阻抗為1MHz,輸入高頻交流信號時，電阻分壓會降低信號的帶寬，為此需要在分壓電阻上并聯(lián)電容來補償。輸入信號配置了繼電器來選擇信號的交流和直流屬性。

程控放大AD603 可通過電壓來改變增益。AD603 程控放大器的放大倍數(shù)可以通過程序設(shè)定PWM 信號來自由調(diào)整。配合前端可選擇的電路分壓網(wǎng)絡(luò)，自動適應(yīng)大范圍變化的模擬信號，本設(shè)計中，可選擇的信號可從10mV～40V，針對被測信號的大小來調(diào)節(jié)放大器的增益，使電路增益能夠調(diào)整并得到不同幅值的輸出信號，確保數(shù)據(jù)采樣的精確性。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集和存儲模塊

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和存儲模塊芯片采用Altera 公司Cyclone IV 系列高性能的FPFA：EP4CE6E22C8N。其資源豐富，該芯片有144 個引腳，6272 個邏輯單元，276480位RAM，可以滿足本設(shè)計要求。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

STM32 是基于ARM Cortex M 處理器內(nèi)核的32 位閃存微控制器，速度達(dá)到72MHz，多達(dá)20KB 的RAM,需要外圍元件少,非常適合進(jìn)行例如FFT 的運算。

■1.3 FFT 理論分析和計算

圖2 信號調(diào)理電路

圖3 FPGA 接口圖

圖4 STM32 部分電路圖

信號處理中，通常采用DFT 對ADC 的輸出信號進(jìn)行分解，得到諧波信號。根據(jù)香農(nóng)采樣定理可知，采樣頻率需要大于信號頻率的兩倍。一個采樣周期內(nèi)，等時間間隔采樣N個樣值，經(jīng)過FFT 之后，即可得到包含N 個點的FFT 結(jié)果。為減小誤差，N 的值通常選取2 的整數(shù)次方。

假設(shè)采樣頻率為Fs，信號頻率F，采樣點數(shù)為N。那么FFT 之后結(jié)果就是一個為N 點的復(fù)數(shù)。每一個點就對應(yīng)著一個頻率點。這個點的模值，就是該頻率值下的幅度特性。

那么，在經(jīng)過FFT 分析后得到的第一個點的模值是A1的N 倍，而且只有在FFT 結(jié)果點對應(yīng)的頻率在ω2,ω3 時，其模值才明顯放大，在其他頻率點，模值接近于0。在這些模值明顯放大的點中，除第一個點之外的其它點模值是相應(yīng)信號幅值的N/2 倍。

每個復(fù)數(shù)的相位就是在該頻率值下信號的相位：φ2，φ3。

FFT 結(jié)果有對稱性，通常我們只是用前半部分的結(jié)果，也就是小于采樣頻率一半的結(jié)果。同時也只有采樣頻率一半以內(nèi)、具有一定幅值的信號頻率才是真正的信號頻率。

為了測量非正弦波的基波有效值和總諧波有效值,可以采用傅里葉算法假定被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù),可表示為:

其離散形式為:

式中 N 為一周期采樣點數(shù),xk為第k 次采樣值,x0、xN分別為k=0、N 時的采樣值。則基波有效值為 :

初相角為:

總諧波有效值按下式計算 :

對于波形的識別而言,對信號在頻域上的變化進(jìn)行分析判斷,用來識別其波形。

正弦波：只有基波分量。

矩形波：除了基波，還有3，5，7 次等諧波分量，3次諧波為基波分量的1/3。

三角波：除了基波，還有3，5，7 次等諧波分量，3 次諧波為基波分量的1/9。

■1.4 STM32 主程序流程圖

STM32 主要是用于液晶屏的顯示、檢測按鍵、與FPGA的通信、以及FFT 算法的運算，在程序的最開始 STM 首先對液晶屏、按鍵、SPI 進(jìn)行初始化，然后負(fù)責(zé)與FPGA 通信，當(dāng)測量按鍵被按下的時候，STM32 通過SPI 協(xié)議向FPGA發(fā)送測量指令，并進(jìn)行量程控制和偏移設(shè)置，并接受來自FPGA 的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA 傳遞的數(shù)據(jù)有多個周期的波形數(shù)據(jù)，信號的頻率，占空比等信息，STM32 對FPGA 傳遞的多個周期的AD 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，截取其中單一周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 運算，根據(jù)FFT 運算出的基波和n 次諧波的分量情況判斷波形類型，根據(jù)AD 數(shù)據(jù)的最大值最小值計算信號的幅值，而后在液晶屏幕上實時顯示波形圖像，波形類型，頻率，占空比等信息。

圖5 STM32 程序流程圖

2 實驗

測試方法：在測試時，將被測參數(shù)通過本系統(tǒng)測量的示數(shù)與參數(shù)的標(biāo)稱值進(jìn)行對比，進(jìn)而知到本系統(tǒng)的參數(shù)。本系統(tǒng)在測試模塊中留有測試孔，只需將波形發(fā)生器引接線與設(shè)計相接即可測量。

測試儀器：信號發(fā)生器、示波器、穩(wěn)壓電源。

測試結(jié)果如表1 所示。

表1 頻率測試結(jié)果

表2 幅值測試結(jié)果

表3 占空比測試結(jié)果

3 結(jié)論

我們對以STM32F103 和FPGA 為核心，實現(xiàn)了可以測量題目所要求的20mV～10V，1Hz～50kHz的正弦波，三角波，矩形波信號的波形類型和參數(shù)，以及實現(xiàn)了對頻率和幅值的擴展在實際測試當(dāng)中,可以測量2MHz 的頻率時準(zhǔn)確識別到波形類型和參數(shù),對于測試的幅值也超越了任務(wù)的要求,實現(xiàn)了對于除基本要求之外的波形識別，對于正指數(shù)波、洛倫茲波、心電圖波也做了識別,對于信號的有效值、周期、矩形波的正頻寬和負(fù)頻寬參數(shù)也進(jìn)行了測量，綜上所訴，本文所設(shè)計的系統(tǒng)其幅值和頻率范圍，擴展參數(shù)和波形的測量都達(dá)到了題目的要求，也超越了要求的精度，并實現(xiàn)了波形的顯示等功能,以及按照題目設(shè)計要求進(jìn)行測試，詳細(xì)記錄了測試結(jié)果。完成了題目的所有設(shè)計要求。