2021年A题- 信号失真度测量装置+电赛教职工 - 嘉立创EDA开源硬件平台

目录

1.前言

2.个人介绍

3.项目分析

5.原理图电路分析

6.PCB设计分析

7.实物展示

8.作品装配

9.程序设计

10.总结

11. 附件

 

1.前言

立创搞电赛征集令，有奖金我门赶紧报了名。比赛本来是在8月初进行，准备到了比赛前一天，突然说推迟了。无奈团队了有两个能保研，一个只能去找工作。在临近11月比赛，大家还是想做最后一届比赛，弥补遗憾。我们三个都是信息学院的通信，所以选择的方向是信号类。题目出来后只有一题题目可以选择，就是A题。题目里的THD测量和20年省赛的一样，有了一些经验，难就难在我们没有准备TI的器件，而且采样频率有所提高。在最后两天想出来了使用顺序等效采样，将题目指标最高100kHz提高到了可以测量1MHz，完成度很好。测评中小缺点就是测50KHz的信号时，误差有2%左右，明显大于1K和100KHz的1%以内。导致了最终遗憾国二。

2.个人介绍

三个都是，武汉理工18级本科生

专业是电子信息工程和通信工程，主要做硬件，嵌入式软件和数字逻辑，仪器仪表方面。

参赛经历

2020年湖北省电赛一等奖

2020FPGA竞赛全国二等奖

2021年电赛全国二等奖

3.项目分析

设计制作信号失真度测量装置，对来自函数/任意波形发生器的周期信号。

简单来说就是用TI器件做一个THD测量装置，要满足一定的输入幅值，频率和THD值，误差小于3%，能显示波形和发送到手机显示。

输入幅值我们采用了AGC电路来稳幅，对输入频率和THD值范围，只能用高采样率和计算准确来弥补，最终我们采用顺序等效采样，将采样率极大的提高了，并且准确度增加了许多。

1）可控增益放大模块方案选择

本题中需要对30~600mV的宽电压范围进行采样，若直接进行固定增益放大，则30mV信号放大后幅值较小，采样误差增加，需要进行分段放大。

方案一：使用压控放大器VCA821组成压控放大电路。VCA821带宽可达210MHz，通过单片机控制DAC来输出电压调节电路增益。该方案需要软件控制，灵活性好，放大倍数已知，但缺点是需要采集幅值并进行软件反馈，难度大。

方案二：使用压控放大器VCA821组成自动增益控制电路（AGC）。VCA821的动态调整范围在-10dB~20dB。AGC电路通过硬件反馈调节增益，减少了软件控制，实现简单，缺点是电路实际增益未知。

综上所述，系统不需要获取实际信号幅值，因此选择方案二。

2）数据采集方案选择

方案一：实时采样。通过每个周期的采样点按时间顺序排列来表达一个周期波形。本题输入信号的基频最大可达到100kHz，测量5次谐波需要1MHz以上的采样率，而MSP432P401R最大采样频率为1.024MHz，实现难度较大，难以满足题目要求。

方案二：顺序等效采样。顺序等效采样是在一个周期或多个周期内取样一次，通过取样后构成的包络来反映原信号情况。此方案能以极低的采样频率获得极高的带宽，实现简单，但是需要已知信号周期。

综上所述，选择方案一和方案二结合的方式先进行周期测量，再使用顺序等效采样采集波形。

3）信号周期测量方案选择

由于等效采样需要知道时间周期，因此需要测量。

方案一：使用迟滞比较器，利用FPGA测频率。该方案可以测量很高的频率，同时频率步进小。但是也存在有多峰信号时，会出现较大误差，短时间难以解决。

方案二：使用FFT计算周期。利用FFT运算，取频谱中第一个极大值点对应的频率就是信号基波周期。该方法使用简单，频率测量准确，但频谱频率分辨率可能不够，测量频率存在偏移。

综上所述，使用频率分辨率精度来换取准确的频率测量，因此选择方案二。

5.原理图电路分析

1.测量原理分析计算

1）顺序采样原理分析

顺序等效采样是在一个周期或多个周期内取样一次，取样后的离散数字信号构成的包络反映原信号的波形情况。这个包络的周期与原信号相比低得多。能以极低的采样频率获得极高的带宽主要用于数字取样示波器中。

顺序采样示意图如图2所示。取样信号延迟为

(1)

T为被测信号周期，取一个周期内等效采样点数为n点，即

(2)

由式（1）和式（2）计算出实际采样率和等效采样率比值为

(3)

即等效采样率是实际采样率的n+1倍。这种方式能以极低的采样速率（100~200kHz）获得极高的带宽（高达50GHz）。

图2 顺序采样示意图

2）基于FFT的谐波分量原理分析

对各次谐波分量的计算，使用快速傅里叶变换FFT算法进行计算。FFT是DFT的改进，可以利用DFT旋转因子和对称性来减少运算量，加快运算速度。在时域下对采集到的256点信号序列进行FFT变换，得到输出序列为：

， (4)

当放大器输入为正弦信号时，放大器的非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，即出现谐波失真，通常用“总谐波失真THD”定量分析放大器的非线性失真程度。若放大器的输入交流电压为时，出现谐波失真的放大器输出交流电压，则THD定义为

(5)

2.误差分析

在系统中，误差主要来源有三个方面：

1）在系统ADC采集前端，使用了运算放大器进行一些信号放大、变换，存在着放大器通频带平坦度特性、噪声和谐波失真等特性会产生误差。

2）ADC采样中，要求满足奈奎斯特采样定理，即采样频率大于模拟信号最高频率的两倍，以减少或者消除混叠效应。

3）单片机中使用FFT算法同样有误差的存在。对信号进行采样计算，需要无限长序列，计算出无限长的频谱。而实际中，只能采集部分的波形序列进行计算，这样会造成频谱泄露效应，出现误差；离散FFT变换中，由于时域的离散，频域也是离散的，这样会造成栏栅效应，在离散点以外的频率点无法测出。

针对以上的误差，解决的方法如下：

1）通过使用高精度、低噪声的运算放大芯片构建放大电路；电源输入端跨接电容，滤除电网带来的高频杂波脉冲会减小杂波电子电路的干扰。

2）尽量满足采样定理，同时适当使用高分辨率的ADC。

3）对应频率泄露，可以加入对应的窗函数，如Blackman窗函数；对应栏栅效应，可以适当提高频率分辨率，进行补零等操作。同时尽量保证需要的频率分量是频率分辨率的整数倍。

3.自动增益控制电路设计

图3 VCA821自动增益控制电路图

自动增益控制电路由VCA821和两个运算放大器组成，电路原理图如图3所示。VCA821是压控放大器，通过控制V_G端的输入电压对增益进行-10~20dB范围的动态调整，满足题目要求输入信号30~600mV的26dB电压范围。OPA695提供40dB的增益，二极管对输出信号进行检波、反馈，OPA820组成积分电路，将检波后的信号与参考电压比较，输出反馈回V_G端，调整VCA821的放大倍数，使输出端信号幅值在线性范围内保持恒定。

4.采样调理电路设计

图4 采样前端调理电路电路图

采样调理电路如图4所示。为了满足ADC采样电压范围0~3.3V，需要对交流量叠加直流量1.5V。使用前级隔离加后级同相加法器构成。其中REF3330基准电压源产生精确的3V电压，经过R16和R20的分压，得到1.5V。R19和R21的作用是对信号进行衰减，避免后级运放饱和，产生失真。

6.PCB设计分析

这是我们设计用来抬升的电路的PCB。和普通的运放设计规则差不多。选用的是OPA227的运算放大器，可以在立创商城上购买到。有一款基准电压源，采用的是TI的REF3330，稳压3V，在立创商城上也可以购买到。我们的PCB设计遵循的是信号流向一定要短，并且信号接口全部选用了SMA头，比杜邦线连接可靠。

AGC电路，设计的方法都在TI的VCA821芯片手册上，立创商城也可以买。

7.实物展示

8.作品装配

所用器件：

线性直流稳压电压，开关电源，可以使用随意型号。描述：线性稳压电源稳定输出±5V，±12V，开关电源稳定输出+5V

串口屏，从陶晶驰购买

AGC电路，自主制作

调理电路，自主制作

MSP432P401R板子，TI官网申请

WIFI模块，自主制作

手机上位机，自主制作

将信号接入AGC电路，经过调理电路后，给ADC接口采样。串口屏用杜邦线连接，wifi模块与单片机连接。

9.程序设计

主程序流程图如图5所示。根据题目要求，采用MSP432单片机将内部ADC采样得到的信号处理，并测定显示基波和谐波归一化幅值、THD值和一个周期波形。系统首先初始化。通过按键选择是否进行一次测量。开始测量后设定初始采样频率为256kHz，进行实时采样用以测量基频周期。当基频小于10kHz，则直接使用实时采样数据计算THD值；当基频大于10kHz后，使用顺序等效采样法采集并计算THD值。通过本地屏幕显示失真度、一个周期波形以及基波与谐波的归一化幅值，另外通过ESP8266模块连接手机，将数据发送至手机上显示。

图5 主程序流程图

软件的源代码如附录可见。

10.总结

本系统实现了题目要求的全部功能，包括基本功能要求和发挥部分的功能要求。符合题目所有指标，并且在输入信号峰峰值范围和基频范围等指标上优于题目要求。

本系统通过理论计算得到了合理的设计方案，以MSP432P401R为核心并采用顺序等效采样和FFT算法，实现了一种信号失真度测量装置，能在本地屏幕显示输入信号的失真度、一个周期波形，并通过WIFI连接手机，在手机上显示同样的结果。通过实际测试，基频在1kHz~100kHz，失真度测量的相对误差指标均不超过3%；基频在100kHz~1MHz的相对误差指标均不超过5%。