周期信號波形識別及參數(shù)測量裝置的設計實現(xiàn)

劉 佶

(山西職業(yè)技術(shù)學院, 山西 太原 030006)

0 引言

周期信號被廣泛應用于雷達、聲納、無人駕駛等領(lǐng)域,對周期信號的波形類型識別以及參數(shù)測量也成為了許多電子產(chǎn)品在實現(xiàn)其需求時的基本功能[1]。本文基于全國大學生電子設計競賽周期信號參數(shù)測量題目[2],使用STM32F4系列MCU完成了賽題,并達到了賽題要求的性能指標[3-4]。設備可以識別50 mV≤VPP≤10 V、1 Hz≤f≤50 kHz的正弦波、方波、三角波的類型、頻率、峰峰值,誤差不超過1%,并能測量方波信號的占空比,范圍為 20%～80%,絕對誤差的絕對值不大于 2%,測量過程在3 s內(nèi)完成。

1 原理與方案設計

1.1 頻率與占空比測量

頻率測量通常有時域和頻域兩種方法。頻域法是將被測信號通過傅立葉變換得到其頻譜,找到基波對應的頻點即為周期信號的頻率。在數(shù)字信號處理中,首先將被測信號通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號,再通過離散傅立葉變換(DFT)得到其頻譜[5]。離散傅立葉變換的公式如下:

(1)

其中:X(m)為頻譜第m點值;x(n)為時域離散信號第n點的值;N為離散傅立葉變換的總點數(shù)。由于DFT的計算量大,頻譜任何一點的值X(m)的計算都需要N-1次復數(shù)加法和N次復數(shù)乘法。在工程實現(xiàn)中,通常使用快速傅立葉變換(FFT)在處理器上編程實現(xiàn)離散信號從時域到頻域的變換[6]。FFT的算法如下:

X(k)=X1(k)+e-j2πk/N·X2(k).

(2)

(3)

考慮精度要求的情況下,對于FFT而言,其頻率分辨率等于采樣率/FFT點數(shù)。對1 Hz的信號,誤差要求為±0.01 Hz,假如使用1 024點的FFT,采樣率需要小于10 Hz才能滿足精度要求。在這樣的采樣率下,積累夠1 024點的數(shù)據(jù)需要100 s。這么長的轉(zhuǎn)換時間無法符合題目要求,也大大超過了人們對于電子設備性能的預期。

使用時域方法,則是將被測信號做為觸發(fā)源,在程序內(nèi)部使用計數(shù)器對一個頻率高的時鐘計數(shù),兩次上升沿(或下降沿)之間所計的時鐘個數(shù)可以轉(zhuǎn)換成被測信號的周期,進而求出頻率。對于要求被測頻率范圍的信號,在滿足±1%相對誤差要求的前提下,需要計數(shù)時鐘信號頻率大于被測信號頻率的100倍。這樣計算,至少需要頻率為5 MHz的時鐘信號用來計數(shù)。

STM32F4系列的MCU,內(nèi)部定時器提供了輸入捕獲的功能,可以完成對于上升沿(或下降沿)做為觸發(fā)信號的計數(shù)。而且,內(nèi)部用于計數(shù)的時鐘也是由系統(tǒng)時鐘得到,完全可以滿足精度的要求。因此本文選取時域方式完成頻率的測量,計數(shù)時鐘頻率為7.2 MHz,可以在滿足精度要求的前提下測量70 kHz的信號。

由于輸入的信號有不同類型、不同幅度,因此在使用MCU的輸入捕獲功能之前,需要將被測信號進行幅度處理、整形,使之全部變?yōu)榈碗娖? V、高電平3.3 V的方波信號[7]。輸入信號調(diào)理電路框圖如圖1。

圖1 信號調(diào)理電路

使用電阻網(wǎng)絡將輸入信號的峰峰值從50 mV～10 V變換為8.25 mV～1.65 V,再使用運放搭建的加法電路疊加1.65 V的直流電壓,使雙極型信號變換為單極型,轉(zhuǎn)換后的信號通過電壓比較器進行整形,可得到幅度符合要求的方波型號。

使用MCU定時器的輸入捕獲的功能,可在測量周期的同時記錄高電平的持續(xù)時間,通過計算得到方波的占空比。

1.2 峰峰值測量

將被測信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后,可通過程序計算其最大和最小值,進而得出峰峰值。對于50 mV的信號,精度要求為0.5 mV。STM32F4系列MCU內(nèi)部的ADC分辨率為12位,如果使用3.3 V做為參考電源,采樣精度為3.3/4096≈0.8 mV,無法滿足精度要求。因此對于幅度低的信號,需要進行放大后再進行采樣。

STM32F4系列MCU內(nèi)部的ADC,在使用3.3 V做為參考電源時,只可以測量峰峰值為1.65 V的被測信號,對于大于這個范圍直到10 V的輸入,需要進行信號的縮小處理。

本文中使用VCA810壓控增益放大器進行被測信號的放大和縮小[8]。該模塊具有-40 dB至+40 dB的可調(diào)增益范圍,并可以使用MCU的DAC做為電壓控制信號改變增益。MCU程序在初始化后,使用0 dB的增益設置,當采集完計算出峰峰值小于100 mV后,通過DAC輸出電壓將模塊增益設置為8 dB以滿足對于小信號精度的要求;當采集完計算出峰峰值大于1.65 V后,通過DAC輸出電壓將模塊增益設置為-8 dB以滿足對于大信號幅度的要求;當采集完計算出峰峰值介于100 mV～1.65 V之間時,保持模塊增益為0 dB。此部分的程序執(zhí)行流程如圖2。

圖2 峰峰值計算流程

1.3 波形識別

波形識別的算法同樣分為時域和頻域。在頻域中,正弦波只有基波信號,方波的基波分量為3次諧波的3倍,三角波的基波分量為3次諧波的9倍[9]。在時域中,可以通過一個周期最大值與其附近值的變化率來判別。在采樣率足夠大的前提下,對于正弦波,最大值與左右第一點、左右第一點與左右第二點之間的斜率是不一致的;對于方波,最大值與左右第一點、左右第一點與左右第二點之間的斜率不變且為0;對于三角波,最大值與左右第一點、左右第一點與左右第二點之間的斜率不變且等于1。由于頻域方法在識別時可以彌補單個點由于噪聲產(chǎn)生的誤差,本文采用此方法實現(xiàn)波形的識別。

1.4 系統(tǒng)整體方案

按照前述內(nèi)容對系統(tǒng)原理的分析與功能設計,設計的整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

1.5 程序執(zhí)行流程

MCU的程序按照下圖流程執(zhí)行:

圖4 程序執(zhí)行流程

2 實驗及結(jié)果分析

本文測量了不同頻率、峰峰值、占空比的正弦波、三角波、方波。每種波形選取了3個頻率,每個頻率選取了3個峰峰值,在此基礎上,方波還選取了3種占空比。所選取的部分被測信號參數(shù)和測量結(jié)果如表1。

表1 被測信號參數(shù)和測量結(jié)果

從結(jié)果分析,所設計系統(tǒng)對于頻率、占空比測量都是準確的。但是,當被測的輸入信號幅度較小的時候,測量的結(jié)果雖符合要求,但存在偏差。這是由于被測信號的幅度會受到系統(tǒng)噪聲影響,這種噪聲是mV級別的。當信號幅度小的時候,噪聲的影響會表現(xiàn)在測量結(jié)果上。

3 結(jié)語

信號的噪聲是影響小信號幅度測量的主要因素,噪聲的來源主要是電源的紋波和電路板在布局布線過程中產(chǎn)生的串擾。為了減小噪聲,可以在電源的出口放置用于濾波的并聯(lián)電容和串聯(lián)磁珠。另外,模塊與模塊之間的連線應該盡量避免使用飛線的方式,在可能的情況下將所有模塊放置在一塊電路板上并分區(qū)域布置。在不得不使用飛線的情況下,也要將飛線控制在最短的長度。