葛良晨，王靖宸，葉聰

（1.南京信息工程大學(xué)長(zhǎng)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(hào)失真度測(cè)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(hào)頻率的兩倍。N個(gè)采樣點(diǎn)經(jīng)過(guò)FFT變換后得到N個(gè)點(diǎn)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(diǎn)數(shù)為N。那么FFT運(yùn)算的結(jié)果就是N個(gè)復(fù)數(shù)（或N個(gè)點(diǎn)），每一個(gè)復(fù)數(shù)就對(duì)應(yīng)著一個(gè)頻率值以及該頻率信號(hào)的幅值和相位。第一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為0Hz（即直流分量），最后一個(gè)點(diǎn)N的下一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)采樣頻率Fs。其中任意一個(gè)采樣點(diǎn)n所代表的信號(hào)頻率：

用片內(nèi)ADC采集經(jīng)過(guò)調(diào)理電路的輸入信號(hào)，通過(guò)TLV3501測(cè)出基波頻率并計(jì)算得出自適應(yīng)采樣頻率，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到信號(hào)失真度值和一個(gè)周期波形及其幅值。其中波形的是通過(guò)合成前5個(gè)諧波分量，進(jìn)行逆變換IFFT得到的。TFT串口屏顯示輸入信號(hào)失真度值，輸入信號(hào)一個(gè)周期波形。通過(guò)Wi-Fi模塊手機(jī)上顯示測(cè)量裝置測(cè)得并顯示的輸入信號(hào)值、一個(gè)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(hào)時(shí)，放大器的非線性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)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(hào)通過(guò)前端調(diào)理電路（信號(hào)放大AD603和加法電路TL084）進(jìn)行調(diào)整，將小信號(hào)放大（減少噪聲干擾小信號(hào)），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(hào)，采用FFT進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，運(yùn)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(jī)APP中。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)鍵器件性能分析

3.1.1 AD603模擬控制可變?cè)鲆娣糯笃?/p>

增益控制范圍:80dB(-25—55dB)的AGC動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍；最大輸入輸出電壓：在信號(hào)無(wú)明顯失真的情況下,輸入電壓最大為±1.4V；10MH內(nèi)輸岀信號(hào)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(jí)AD603輸出信號(hào)(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(duì)比較器輸出信號(hào)進(jìn)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(guò)負(fù)反饋系統(tǒng)，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力。

圖2 AD603AGC模塊設(shè)計(jì)原理圖

3.1.2 TL084

TL084是一款高速四J-FET輸入的運(yùn)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(yùn)用電阻分壓，將直流量與輸入信號(hào)相加，輸出信號(hào)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(dòng)TTL/CMOs電平輸入頻率:DC＜120MHz（頻率增加波形會(huì)發(fā)生變化）輸入無(wú)耦合，輸出方波三種比較方式:同相信號(hào)比較、反相信號(hào)比較、同相信號(hào)與反相信號(hào)比較,高速比較：4.5ns傳播延遲時(shí)間。

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

圖3 TL084加法電路設(shè)計(jì)原理圖

圖4 TLV3501電路設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jī)操作功耗,高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES256) 加速器、CRC、DMA、32位硬件乘法器，存儲(chǔ)器為256K閃存、64KBRAM，而且MSP-EXP432P401R具有C語(yǔ)言風(fēng)格的匯編語(yǔ)言，有與標(biāo)準(zhǔn)C兼容的C語(yǔ)言，C語(yǔ)言函數(shù)可以與匯編函數(shù)互相調(diào)用，使其開(kāi)發(fā)更加容易，整個(gè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。

ESP32攜帶32位雙核處理器，CPU正常工作速度為80MHz，最高可達(dá)240MHz，運(yùn)算能力高達(dá)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(jì)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(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期較快，穩(wěn)定性相對(duì)較高，抗干擾能力佳，能夠適用于各個(gè)領(lǐng)域；手機(jī)顯示。運(yùn)用Wi-Fi模塊ESP32，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上，運(yùn)用手機(jī)查看數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jì)

3.2.2.1 采樣

TLV3501測(cè)頻控制TIM，產(chǎn)生自適應(yīng)采樣頻率，將已調(diào)信號(hào)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(duì)一個(gè)周期內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到信號(hào)失真度測(cè)量值和一個(gè)周期波形及其幅值。

3.2.2.3 TFT串口屏

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

3.2.2.4 Wi-Fi模塊ESP32

MCU通過(guò)UART向ESP32發(fā)送數(shù)據(jù)，運(yùn)用Android Studio編寫(xiě)APP，在手機(jī)上顯示測(cè)試裝置測(cè)得并顯示的輸入信號(hào)失真度的測(cè)量值、一個(gè)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(cè)試性能指標(biāo)

本儀器實(shí)物圖如圖7所示，先通過(guò)運(yùn)算得到失真度的標(biāo)稱值，TFT串口屏和手機(jī)顯示輸入信號(hào)失真度測(cè)量值和一個(gè)周期波形及其幅值。

圖7 系統(tǒng)實(shí)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(hào)相對(duì)幅度 相對(duì)測(cè)量值 失真度的測(cè)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(hào)相對(duì)幅度 相對(duì)測(cè)量值 失真度的測(cè)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(jī)APP顯示圖

4.2 成效得失對(duì)比分析

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

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)輸入信號(hào)的峰峰值電壓范圍：30mV—600mV，輸入信號(hào)基頻范圍：1kHz—100kHz時(shí)，本設(shè)備可測(cè)量并顯示輸入信號(hào)失真度值并使得輸入信號(hào)失真度測(cè)量誤差絕對(duì)值≤3%；可以測(cè)量并顯示輸入信號(hào)一個(gè)周期波形，顯示輸入信號(hào)基波與諧波的歸一化幅值，可顯示到5次諧波并在手機(jī)上顯示測(cè)量裝置測(cè)得并顯示的輸入信號(hào)失真度值、一個(gè)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(gè)諧波分量合成并進(jìn)行逆變換IFFT得到的，導(dǎo)致三角波比較平滑，同時(shí)測(cè)量頻率時(shí)由于失真波在高速比較器閾值附近波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致定時(shí)器測(cè)出多倍頻率，未來(lái)該系統(tǒng)可以通過(guò)改用更加精密的硬件設(shè)備達(dá)到更好的計(jì)算精度。