2021年J题周期信号波形识别及参数测量装置+SZPT_ZXL - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 前言 周期信号波形识别及参数测量装置主要由 STM32 单片机系统、电源电路、信号调理电路、LCD 显示电路等部分构成。主要由 STM32F103ZET6 单片机、前级可控增益控制电路、工作过抬升电路、LCD 显示电路等部分构成，采用 FFT、曲线拟合、测频法、测周法等算法，能成功识别正弦波、三角波、矩形波、三次方波、高斯波等 6 种周期信号波形，并且能够准确测量周期信号的频率、峰峰值、占空比等信号参量，其中被测信号的频率和峰峰值相对误差的绝对值不大于 1%，矩形波信号的占空比绝对误差的绝对值不大于 2%。能够在 LCD 串口屏上显示周期信号的时域波形和频域波形，以及周期信号波形的频率、周期、占空比、最大值、最小值等多种测量参数，检测范围扩展到 60kHz 以上信号。 ## 团队介绍 团队成员都是来自深圳职业技术学院的学生。通过这次电赛，每个人都全身心的参与其中，虽然暑假的延期打乱了我们的训练计划，但我们依然没有放弃这场比赛，坚持走到了最后，最终收获了令人满意的成绩。 ## 项目分析 1. 基本要求 * 能够识别 1V≤VPP≤5V、100Hz≤ f ≤10kHz 范围内的正弦波、三角波和矩形波信号，并显示类型。 * 能够测量并显示信号的频率 f，相对误差的绝对值不大于 1%。 * 能够测量并显示信号的峰峰值 VPP，相对误差的绝对值不大于 1%。 * 能够测量并显示矩形波信号的占空比 D，D 的范围为 20%~80%，绝对误差的绝对值不大于 2%。 2. 发挥部分 * 扩展识别和测量的范围。能够识别 50mV≤VPP≤10V、1Hz≤ f ≤50kHz 范围内的正弦波、三角波和矩形波信号，并显示类型。同时完成与基本部分（2）、（3）和（4）相同要求的参数测量。 * 识别结果和所有测量参数同时显示，反应时间小于 3 秒。 * 增加识别波形的类型不少于 3 种，增加测量参数不少于 3 个。 * 其他。 周期信号波形识别及参数测量装置主要由 STM32 单片机小系统、前级可控增益控制电路、工作过抬升电路等部分构成 #### 波形识别 * 正弦波：只有基波分量，基本无谐波分量。 * 方波：除了基波，还有 3，5，7 次谐波分量，且 3 次谐波分量为基波分量的1/3。 * 三角波：除了基波，还有 3，5，7 次谐波分量，但 3 次谐波分量为基波分量的 1/9。 * 锯齿波：除了基波，还有 2，3，4 次谐波分量。 把各次谐波的频率和对应的幅值提取出来，并把它们结合起来使用。首先是求幅值的最大值、次大值和次次大值。求出来之后还要和两侧的值比较，看他是否为极大值，是的话才保留。最后，按前面的思路进行比较，比较时的参数是我自己选的。 #### 调整采样频率 最初定的采样频率是 2400Hz，因为要求的最大可以分析 1kHz 的谐波，采样频率要大于 2 倍的信号频率。通过计算，频率分辨率只有 2.34Hz，这样导致有10些频率和幅值测得不准确。补零也不能提高频率分辨率，就考虑实时的改变采样频率。 #### 测试方案与测试结果 本系统测试仪器主要包括：万用表（KEYSIGHT 34470A）、数字函数发生器（SDG6032X-E）、数字示波器（SDS2520X）等。 ## 原理图电路分析 前级可控制增益控制电路 采用四路继电器对函数发生器输出的 50mV≤VPP≤10V、1Hz≤ f ≤50kHz 范围的信号进行分档，选择适应 STM32 单片机的 ADC 采集的。 
AD 采集信号调整电路 由于函数发生器输出的信号是交流信号，而 STM32 单片机只能采集直流信号，所以必须通过工作点抬升电路把被采集信号抬升 1.65V，使进入 STM32 的直流电压信号电压范围约为 0~3V。同时为了保证电路信号同步，采用滞回比较器将交流信号转变为矩形波信号。  ## 模块功能  1. 信号抬升电路与方波转换电路 2. 电源，为系统供电 3. 串口屏，用于数据显示与交互 4. F429微处理器，系统的核心，用于数据采集和处理 5. 程控放大电路，用于放大、衰减输入信号 6. 峰峰值检测模块，用于检测信号的峰峰值 7. 外部16位ADC，用于采集峰峰值检测模块的输出 ## 程序设计 本系统程序设计流程图如图所示。首先本系统进行 ADC 检测峰峰值，根据峰峰值调理信号处理器，输出适合 STM32 采样的信号；然后进行 ADC 采样，使用DMA 传递 ADC 采集的数据，减轻 STM32 处理器负担；将 ADC 采样的数据进行 FFT运算，然后进行波形识别和波形参量测量。  ## 主要代码分析 #### FFT 
#### THD 
#### 波形判别  ## 产品展示  ## 总结 本系统采用FFT算法等技术，实现了信号参数测量，并且能识别给定的波形类型。测量精度满足题目的基本要求。另外，作为发挥的一部分。扩展了识别和测量的范围，测量结果更为精准。识别结果和所有测量参数同时显示，反应时间小于 3 秒。结果响应更为灵敏。增加识别波形的类型达到 3 种。通过测试，各项指标均达到基本部分和发挥部分要求。