彭沖，沈陽，李思雨，曹洪奎

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧錦州，121000；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧錦州，121000）

信號失真度測量是對來自任意函數(shù)/任意波形發(fā)生器的周期信號進(jìn)行采集分析，測得輸入信號的總諧波失真THD。失真度是衡量正弦信號質(zhì)量好壞的重要性能指標(biāo)，隨著信息工業(yè)化的快速發(fā)展，對信號的精度要求日益增加，因此信號失真度的檢測是很有必要。信號失真度作為信號的重要參數(shù)被廣泛應(yīng)用于音頻、無線電和電力系統(tǒng)的測量和測試中。目前普遍應(yīng)用的以基波抑制法為原理的THD 測量儀，由于受到基波抑制網(wǎng)絡(luò)的限制，會(huì)導(dǎo)致較大的測量誤差。因此，研究一種可以精確測量THD 等各項(xiàng)指標(biāo)的低頻信號失真度測量儀具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要采用TI 公司的TM4C123GH6PM 為控制核心，包含主控電路、信號調(diào)理電路、頻率測量電路和電源電路。信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)將被測信號由雙極性轉(zhuǎn)化為可由微控制器采集的單極性信號，通過TM4C123GH6PM 微控制器自帶的兩個(gè)12 位ADC 完成信號的高速采集，得到數(shù)據(jù)由TM4C123GH6PM 微控制器進(jìn)行FFT 運(yùn)算并分析，得到基波和各次諧波的頻率和幅值。根據(jù) THD 的定義取 7 次諧波進(jìn)行 THD 運(yùn)算得到被測信號的 THD 值。系統(tǒng)通過 OLED 顯示模塊實(shí)時(shí)顯示被測信號的 THD 值、波形、頻率和峰峰值等信息。測試表明，裝置完成了對信號的THD 等指標(biāo)的檢測，絕對誤差小于2%，信號失真度測量較準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 信號總諧波失真分析方案

信號失真度的測量，需要先測量并分析出信號基波和各次諧波的頻譜特性，然后按照信號總諧波失真（失真度）的定義公式，根據(jù)各次諧波和基波的幅值進(jìn)行計(jì)算。信號頻譜特性采用數(shù)字信號處理的方法有采用離散傅里葉變換DFT算法和快速傅里葉FFT 算法。離散傅里葉變換DFT 算法，其時(shí)間和頻率都離散，針對的是離散的信號和頻譜，但算法較為復(fù)雜，運(yùn)算量較大?？焖俑道锶~FFT 算法為DFT 的優(yōu)化算法，分按時(shí)間抽取或者按頻率抽取，常用時(shí)域抽取方法，采樣效果好，計(jì)算量減少，速度快。通過對比，本文研究采用了快速傅里葉FFT 算法。

1.2 主控制模塊的選擇

采用TI 公司的微控制器TM4C123GH6PM。此款MCU具有系統(tǒng)定時(shí)器的 32 位、ARM cortex ?-M4、80 MHz 處理器內(nèi)核，具有 256KB、單周期閃存的頻率為 40 MHz 的片載存儲(chǔ)器，32 KB 單周期 SRAM，以及2 KB EEPROM，片內(nèi)集成了12 位分辨率的高速ADC 轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到1Msps，非常適合需要高速信號采集的應(yīng)用。

1.3 信號放大電路的設(shè)計(jì)方案

為了提高信號檢測的精度，進(jìn)而提高信號諧波失真測量的精度，需要先用信號放大電路對輸入信號進(jìn)行放大，再進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。采用OP37 作為電路的核心芯片。高速低噪聲運(yùn)算放大器OP37 的帶寬為可63MHz，適合高頻小信號的放大。此方案芯片能耗低、性能好、價(jià)格低。本題目中需要放大100kHz 的30mV 的小信號和最高5 次諧波，諧波頻率達(dá)到500kHz。

1.4 頻率測量電路的設(shè)計(jì)方案

采用 LM393 作比較器電路。LM393 是雙路差動(dòng)比較器，低供電電流漏極與供電電壓無關(guān)，LM393 同時(shí)具有眾多優(yōu)秀特性：開關(guān)速度快，集成模塊小，節(jié)約PCB 空間等。

1.5 顯示電路的設(shè)計(jì)方案

采用OLED 顯示屏顯示被測信號的波形和THD 等信息。OLED 能顯示漢字、字符、圖形等多種信息。其不需要背光，發(fā)光效率更高，信息不失真，在提高了顯示的對比度的同時(shí)，極大地降低了功耗，且體積較小成本較低。

1.6 電源電路的設(shè)計(jì)方案

電源電路的設(shè)計(jì)采用 LM2576-5.0 和 AMS1117-3.3 作為電路核心芯片。其中 LM2576 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單片集成電路，非常適合簡單方便地設(shè)計(jì)降 壓型開關(guān)穩(wěn)壓器。能夠提供 3.0A 輸出電壓，具有出色的負(fù)載調(diào)節(jié)性能。與傳統(tǒng)的三端線性穩(wěn)壓器相比，其效率要高得多，在許多情況下，功耗很低，不需要散熱器，或者 其尺寸可以大大減小。AMS1117 轉(zhuǎn)換的3.3V 電壓作為單片機(jī)的工作電壓也足夠單片機(jī)正常工作。

1.7 總體設(shè)計(jì)方案

基于TM4C123 的信號失真度測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過TM4C123GH6PM 對被測信號進(jìn)行測量或采集數(shù)據(jù)，頻率測量電路產(chǎn)生與被測信號頻率、相位一致的脈沖信號，同時(shí)利用 TM4C123GH6PM 微控制器自帶的通用定時(shí)器計(jì)算頻率。使用信號調(diào)理電路將被測信號由雙極性轉(zhuǎn)化為可由微控制器采集的單極性信號，該信號由 TM4C123GH6PM 微控制器自帶的 12 位高速 AD 采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)由TM4C123GH6PM 微控制器進(jìn)行 FFT 運(yùn)算并分析，即可得到基波和各次諧波的幅值。從兩路得到的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，再根據(jù) THD 的定義公式進(jìn)行 THD 運(yùn)算采集各次諧波幅值就可以得到被測信號的 THD 值。同時(shí)按鍵電路和 OLED 顯示電路相對應(yīng)，按下鍵值不同OLED 顯示電路顯示界面也不同，按下按鍵一顯示峰峰值和頻率；按下按鍵二顯示波形和 THD 值。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊的設(shè)計(jì)

采用TI 公司的32 位Cortex M4 內(nèi)核的微控制器TM4C123GXL 作為系統(tǒng)的控制核心，該微控制器具有高速12 位分辨率的ADC，可實(shí)現(xiàn)信號的高速采樣和轉(zhuǎn)換，支持硬件DSP 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)信號頻譜分析和快速傅里葉變換，豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供良好的硬件平臺(tái)和軟件資源。

2.2 信號放大電路設(shè)計(jì)

為提高諧波檢測精度，使用高速運(yùn)放OP37 輸入信號進(jìn)行放大。通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，改變運(yùn)算放大器的反饋電阻進(jìn)而改變放大電路的放大倍數(shù)。反之，繼電器吸合。當(dāng)K1 和K2 都斷開，輸入信號被放大11 倍。K1 吸合，K2 斷開電路放大4 倍。K1 和K2吸合電路放大2 倍。OP37 構(gòu)成的放大電路如圖2 所示。

圖2 OP37 放大電路原理圖

2.3 加法電路設(shè)計(jì)

利用運(yùn)算放大器OP37 構(gòu)成的同相加法電路將雙極性信號變?yōu)閱螛O性正電壓輸出，提供精確的1.25 V 輸出電壓足夠把被測輸入信號全部抬升為可由微控制器采集的單極性信號。加法電路原理如圖3 所示。

圖3 加法電路原理圖

2.4 頻率測量電路設(shè)計(jì)

頻率測量電路的主要作用是產(chǎn)生與被測信號頻率、相位一致的脈沖信號，利用 TM4C123G 微控制器自帶的通用定時(shí)器可捕獲該脈沖信號的上升沿，經(jīng)軟件處理可得到被測信號的頻率。頻率測量電路如圖4 所示。

圖4 頻率測量電路原理圖

2.5 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路主要作用就是為了給低頻信號失真度測量裝置各電路中的不同的芯片提供適合的供電電壓。為了降低電源的噪聲，提高測量精度，整個(gè)低頻信號失真度測量裝置設(shè)計(jì)采用LM317 和LM337 構(gòu)成的線性電源作為供電電源。

3 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了一種基于FFT 的諧波分析方法，相比于傳統(tǒng)低頻信號失真度測量儀，此方法精度更高。系統(tǒng)總體流程框圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)總體流程框圖

圖5 中系統(tǒng)分兩路對信號進(jìn)行頻率測量和信號采集，一路是通過比較器將被測信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號進(jìn)行頻率測量，通過定時(shí)器捕獲第一次上升沿和下降沿得到脈沖寬度，進(jìn)而計(jì)算頻率；根據(jù)采樣定理，對另一路進(jìn)行諧波分析，通過TM4C123G 微控制器自帶的12 位ADC 和DMA 完成信號的高速采集，得到的數(shù)據(jù)由TM4C123G 微控制器進(jìn)行FFT 運(yùn)算并分析得到各采樣點(diǎn)模值。通過頻率和采樣頻率得到基波和3、5、7 次諧波幅值，根據(jù)THD 的定義進(jìn)行運(yùn)算得到被測信號的THD 值。

系統(tǒng)軟件流程如圖6 所示。首先配置ADC 的觸發(fā)方式為定時(shí)器觸發(fā)，配置DMA 的工作模 式，在ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器和采樣數(shù)據(jù)緩沖區(qū)之間完成數(shù)據(jù)傳輸，再配置定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)AD 采樣。TM4C123G 通過其內(nèi)部集成的最高采樣頻率可達(dá)1MHz的ADC 對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)通過定時(shí)器捕獲功能計(jì)算信號頻率，當(dāng)被測信號的一個(gè)周期的采樣工作完成后，對采樣數(shù)據(jù)結(jié)果減去直流分量，并利用蝶形基4-FFT 原理對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，分析各次諧波的幅值，最后根據(jù)總諧波失真度的定義計(jì)算出信號的失真度，將結(jié)果顯示在OLED 屏上。下一個(gè)周期循環(huán)反復(fù)進(jìn)行。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

FFT 計(jì)算分析的程序代碼如下：

4 測量結(jié)果與分析

由普源DG4062 函數(shù)信號發(fā)生器分別產(chǎn)生峰峰值電壓范圍為300mV～600mV 的任意周期信號作為被測信號，測試實(shí)物如圖7 所示。

表1 f=1kHz，Vipp=300mV時(shí)，THD測試

表2 f=10kHz～100kHz，Vipp=30mV時(shí)，THD測試

圖7 系統(tǒng)測試實(shí)物圖

根據(jù)上述測量數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)輸入信號的峰峰值電壓范圍為30mV～300mV，基頻為1kHz～100kHz，失真度范圍為5%～50%，失真度測量誤差絕對值Δ=|THDx-THD0|≤2%。

5 結(jié)論

根據(jù)對各功能測試結(jié)果分析，本系統(tǒng)裝置可以測量任意波形、頻率范圍在1kHz～100kHz 信號的THD 值，通過按鍵電路控制OLED 顯示電路實(shí)時(shí)顯示被測信號的頻率、峰峰值、波形和THD 值等信息，測量誤差小于2%，各部分功能均達(dá)到指標(biāo)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)顯示被測信號偏移正弦波的程度。