基于MSP-EXP432的信號失真度測量裝置

葛良晨，王靖宸，葉聰

（1.南京信息工程大學(xué)長望學(xué)院，江蘇南京，210044;2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,江蘇南京，210044）

1 技術(shù)方案原理分析

本信號失真度測量裝置采用頻譜分析法。FFT頻譜分析原理依據(jù)采樣定理：采樣頻率要大于信號頻率的兩倍。N個采樣點經(jīng)過FFT變換后得到N個點的以復(fù)數(shù)形式記錄的FFT結(jié)果。假設(shè)采樣頻率為Fs，采樣點數(shù)為N。那么FFT運算的結(jié)果就是N個復(fù)數(shù)（或N個點），每一個復(fù)數(shù)就對應(yīng)著一個頻率值以及該頻率信號的幅值和相位。第一個點對應(yīng)的頻率為0Hz（即直流分量），最后一個點N的下一個點對應(yīng)采樣頻率Fs。其中任意一個采樣點n所代表的信號頻率：

用片內(nèi)ADC采集經(jīng)過調(diào)理電路的輸入信號，通過TLV3501測出基波頻率并計算得出自適應(yīng)采樣頻率，對一個周期內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)進行FFT，經(jīng)過運算得到信號失真度值和一個周期波形及其幅值。其中波形的是通過合成前5個諧波分量，進行逆變換IFFT得到的。TFT串口屏顯示輸入信號失真度值，輸入信號一個周期波形。通過Wi-Fi模塊手機上顯示測量裝置測得并顯示的輸入信號值、一個周期波形、基波與諧波的歸一化幅值。

當(dāng)放大器輸入為正弦信號時，放大器的非線性失真表現(xiàn)為輸出信號中出現(xiàn)諧波分量，即出現(xiàn)諧波失真，通常用“總諧波失真值”定量分析放大器的非線性失真程度。

2 系統(tǒng)方案

信號通過前端調(diào)理電路（信號放大AD603和加法電路TL084）進行調(diào)整，將小信號放大（減少噪聲干擾小信號），并抬升到0-3.3V范圍內(nèi)，MCU中TIM控制MCU內(nèi)置的ADC采樣調(diào)理信號，采用FFT進行數(shù)據(jù)處理，運算出相關(guān)數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到串口屏或者利用Wi-Fi模塊（ESP32）將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機APP中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 關(guān)鍵器件性能分析

3.1.1 AD603模擬控制可變增益放大器

增益控制范圍:80dB(-25—55dB)的AGC動態(tài)調(diào)整范圍；最大輸入輸出電壓：在信號無明顯失真的情況下,輸入電壓最大為±1.4V；10MH內(nèi)輸岀信號峰峰值最大為為1Vpp,5MHz內(nèi)輸出峰峰值2Vpp,1MHz以下可輸出更高峰峰值。所有芯片均使用±5V(VCC,VSS)供電。AD603依靠控制電壓(VG+)-(VG-)控制放大倍數(shù)，比較器AD8561比較的是第二級AD603輸出信號(比較器的同相端)和設(shè)置電壓(比較器的反相端),使用二極管和RC對比較器輸出信號進行檢波:檢波的值(VG-)的范圍為0-3.3V,電路設(shè)置VG+為固定電壓值1.4V,這樣就可以保證調(diào)整電壓(VG+)(VG)在AD603的控制電壓（-500mV—500mV）范圍內(nèi)，使AD603能正常放大。通過負反饋系統(tǒng)，具有自動調(diào)節(jié)的能力。

圖2 AD603AGC模塊設(shè)計原理圖

3.1.2 TL084

TL084是一款高速四J-FET輸入的運算放大器，由高壓J-FET和雙極晶體管構(gòu)成。具有高的轉(zhuǎn)換速率、低的輸入偏置電流和失調(diào)電流及具有很低的失調(diào)電壓溫。運用電阻分壓，將直流量與輸入信號相加，輸出信號的幅值都為正且范圍在0-3.3V之間。方便后續(xù)AD采集。

3.1.3 TLV3501高速比較器

輸入電壓:10mVpp—5Vpp（單極性)輸出電平:軌至軌輸出,可直接驅(qū)動TTL/CMOs電平輸入頻率:DC＜120MHz（頻率增加波形會發(fā)生變化）輸入無耦合，輸出方波三種比較方式:同相信號比較、反相信號比較、同相信號與反相信號比較,高速比較：4.5ns傳播延遲時間。

TLV3501是一種高速比較器。它可用于對輸入信號進行波形整形并輸出TTL電平信號。TLV3501具有快速的4.5ns傳播延遲時間，可單電源5V供電，是高速比較電路的理想選擇。輸入信號頻率帶較寬，可輸入0.1Hz—230MHz的信號。閾值電壓控制方式：手動方式通過調(diào)節(jié)電位器控制。

圖3 TL084加法電路設(shè)計原理圖

圖4 TLV3501電路設(shè)計原理圖

3.1.4 ESP32

采用TI公司的MSP-EXP432P401R作為主控制器，MSP432P4 MCU采用了帶浮點單元和DSP加速功能的48MHz 32位ARM Cortex M4F,功耗：80uA/MHz工作功耗和660nA RTC 待機操作功耗,高級加密標(biāo)準 (AES256) 加速器、CRC、DMA、32位硬件乘法器，存儲器為256K閃存、64KBRAM，而且MSP-EXP432P401R具有C語言風(fēng)格的匯編語言，有與標(biāo)準C兼容的C語言，C語言函數(shù)可以與匯編函數(shù)互相調(diào)用，使其開發(fā)更加容易，整個系統(tǒng)更加簡單。

ESP32攜帶32位雙核處理器，CPU正常工作速度為80MHz，最高可達240MHz，運算能力高達600MIPS；內(nèi)置448KB ROM；內(nèi)置520KB SRAM；最大支持16MB片外SPI Flash；最大支持8MB片外SPI SRAM；包含常用微控制器的基本功能。

圖5 ESP32電路設(shè)計原理圖

3.1.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

TFT串口屏顯示。串口屏硬件接線簡單，開發(fā)周期較快，穩(wěn)定性相對較高，抗干擾能力佳，能夠適用于各個領(lǐng)域；手機顯示。運用Wi-Fi模塊ESP32，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP上，運用手機查看數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

3.2.1 系統(tǒng)總體工作流程

如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)總體工作流程

3.2.2 主要模塊程序設(shè)計

3.2.2.1 采樣

TLV3501測頻控制TIM，產(chǎn)生自適應(yīng)采樣頻率，將已調(diào)信號在MCU片內(nèi)ADC采集，得到樣本數(shù)據(jù)。

3.2.2.2 數(shù)據(jù)處理

對一個周期內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)進行FFT，經(jīng)過運算得到信號失真度測量值和一個周期波形及其幅值。

3.2.2.3 TFT串口屏

MCU通過UART向串口屏發(fā)送數(shù)據(jù)，顯示輸入信號失真度測量值和輸入信號的一個周期波形。

3.2.2.4 Wi-Fi模塊ESP32

MCU通過UART向ESP32發(fā)送數(shù)據(jù)，運用Android Studio編寫APP，在手機上顯示測試裝置測得并顯示的輸入信號失真度的測量值、一個周期波形、基波與諧波的歸一化幅值。

4 作品成效總結(jié)分析

4.1 系統(tǒng)測試性能指標(biāo)

本儀器實物圖如圖7所示，先通過運算得到失真度的標(biāo)稱值，TFT串口屏和手機顯示輸入信號失真度測量值和一個周期波形及其幅值。

圖7 系統(tǒng)實物圖

表1

表2

15.1kHz 100%(160mV) 100%30.2kHz 25% 23.11%45.3kHz 13.13% 11.54%60.4kHz 6.88% 4.57%90.6kHz 3.13% 2.49%頻率成分 信號相對幅度 相對測量值 失真度的測量值29.23% 27.79% 1.44%失真度的標(biāo)稱值 Δ 60kHz 100%(400mV) 100%29.23% 27.11% 2.12%120kHz 10% 9.10%180kHz 5.25% 4.89%240kHz 2.75% 2.26%300kHz 1.25% 1.03%頻率成分 信號相對幅度 相對測量值 失真度的測量值失真度的標(biāo)稱值 Δ 100kHz 100%(400mV) 100%200kHz 66.67% 62%300kHz 35% 33.4%400kHz 16.67% 14.75%500kHz 8.33% 6.79%77.57% 74.63% 2.94%

圖8 TFT顯示圖

圖9 手機APP顯示圖

4.2 成效得失對比分析

當(dāng)測試信號包含較多諧波時，單片機 FFT 同示波器 FFT均能與理論值保持較小的誤差。計算所得的諧波分量比理論值要稍高一些，推測此誤差是由單片機ADC精度、環(huán)境電磁干擾等影響所引起的。通過不斷測試得到上表的數(shù)據(jù)，通過上表格得知，要求已基本實現(xiàn)，最終使整個系統(tǒng)盡可能的高效。

5 結(jié)語

當(dāng)輸入信號的峰峰值電壓范圍：30mV—600mV，輸入信號基頻范圍：1kHz—100kHz時，本設(shè)備可測量并顯示輸入信號失真度值并使得輸入信號失真度測量誤差絕對值≤3%；可以測量并顯示輸入信號一個周期波形，顯示輸入信號基波與諧波的歸一化幅值，可顯示到5次諧波并在手機上顯示測量裝置測得并顯示的輸入信號失真度值、一個周期波形、基波與諧波的歸一化幅值。但是由于顯示波形是由前5個諧波分量合成并進行逆變換IFFT得到的，導(dǎo)致三角波比較平滑，同時測量頻率時由于失真波在高速比較器閾值附近波動，會導(dǎo)致定時器測出多倍頻率，未來該系統(tǒng)可以通過改用更加精密的硬件設(shè)備達到更好的計算精度。