2021年A题-信号失真度测量装置-惠嘉飞小队

1.前言

本系统以TI MSP432P401R单片机为控制核心，采用基于VCA821的AGC电路对输入周期信号进行前级处理，将大动态范围的信号调整至很小的波动范围内，结合ADC前端调理电路，将信号变换至MSP432片内ADC采集范围内。采用ADC对调理后的信号进行顺序采样，并使用FFT对采集到的信号序列进行时频域变换，根据计算得到总谐波失真度THD，最后通过无线模块在手机APP上显示测量信息。实验测得，在输入信号基频1kHz100 kHz、峰峰值电压范围30mV600 mV的情况下，输出得到峰峰值不低于2V的信号，并由ADC采集测量上述输入信号的归一化幅值和THD，THD测量误差绝对值在3%以内。上述测量信息均可在串口屏和手机APP端实时显示，各项指标均符合设计要求。

2.团队介绍

• 2021年A题：信号失真度测量装置——2021全国一等奖
• 队伍名称：惠嘉飞
• 队伍成员：张嘉明、岳志飞、周惠
• 指导老师：夏定元

3.项目分析

基本要求

1. 输入信号的峰峰值电压范围：300mV~600mV。
2. 输入信号基频：1kHz。
3. 输入信号失真度范围：5%~50%。
4. 要求对输入信号失真度测量误差绝对值|THDx-THDo|≤5%，THDx和THDo分别为失真度的测量值与标称值。
5. 显示失真度测量值THDx。
6. 失真度测量与显示用时不超过10秒。

发挥部分

1. 输入信号的峰峰值电压范围：30mV~600mV。
2. 输入信号基频范围：1kHz~100kHz。
3. 测量并显示输入信号失真度THDx值，要求|THDx-THDo|≤3%。
4. 测量并显示输入信号的一个周期波形。
5. 显示输入信号基波与谐波的归一化幅值，只显示到5次谐波。
6. 在手机上显示测量装置测得并显示的输入信号THDx值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。
7. 其他。

• 自动增益控制（AGC）电路设计方案：
  采用基于VCA821的AGC电路。VCA821是一款直流耦合、宽带、dB线性的压控增益放大器。VCA821之后增加OPA695作为后级放大，输出信号再经过OPA820积分器，连接至VCA821的VG引脚形成闭环，从而保证输出信号的稳定性。该方案的优点是原理清晰，且输入信号电压范围广、频率响应好、输出电压稳定性好，缺点是电路较为复杂。
• ADC前端调理电路设计方案：
  采用同相加法器，对AGC电路输出信号跟随后进行抬升1.65V，同相放大器输入阻抗高，对前级影响小。
• 信号采样设计方案：
  顺序采样。顺序采样方式主要用于数字示波器中，这种方式能以极低的采样速率（100 kHz ~200kHz）获得极高的带宽（高达50GHz），并且垂直分辨率一般都在10bit以上。由于在每个采样周期只取波形上的一个样点，每次延迟一个已知的时间，因此采集足够多的样点，需要更长的时间。该方案的优点是可以使用较小的采样频率采集频率较高的信号，缺点是测量一次所花时间较长。顺序采样原理如下图所示。
  
• 总体方案：
  综上所述，本系统采用AGC电路对输入周期信号进行前级处理，结合ADC前端调理电路，将信号变换至ADC采集范围内，采用MSP432的内部ADC对输出信号进行顺序采样，经FFT算法分析得到基波与谐波的归一化幅值，运算处理得到THD，并在串口屏与手机APP上进行显示，系统结构框图如下图所示。
  

4.原理图电路分析

本次作品中电路均使用立创EDA设计，原理图见下图。

基于VCA821的AGC电路
根据上述的方案设计和原理分析，通过参数计算和实际调试，设计出基于VCA821的AGC电路如图3所示。当需要动态信号幅度校正时，AGC环路将提供实时增益控制。VCA821输出信号经过OPA695提供额外的负载驱动能力，再经过OPA820积分器，连接至VCA821的VG引脚形成闭环，环路的时间常数由电容C2和电阻R9设置。

ADC前端调理电路
MSP432片内ADC的输入电压范围为0~3.3V，需采用前端调理电路对输入信号进行处理。采用OPA211构成电压跟随器，起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用，再使用REF3030产生+3V基准电压，经过电阻分压网络将+1.65V直流电位叠加至原信号，利于ADC充分采样。

5.PCB设计分析

由于本设计并不涉及高频电路，因此PCB设计遵从通用运放板设计即可。

6.实物展示

7.作品装配

使用的材料：

• ESP8266开发板

• MSP432P401R单片机

• 串口屏

• 电源

• VCA821 AGC电路板
• ADC前端调理电路板

各个材料以及模块的装配位置如实物图所示，连接方式如系统框图所示：VCA821的AGC电路输出连接ADC前端调理电路，调理后的信号输入到MSP432单片机中，再通过单片机的两个串口分别控制串口屏进行显示与ESP8266进行通信。整个系统通过电源供电，AGC供电为±5V；ADC前端调理电路供电为±12V；单片机供电为3.3V；串口屏与ESP8266模块供电均为5V。

各模块中间通过杜邦线以及屏蔽线进行连接。

8.程序设计

根据题目要求，程序主要包含ADC顺序采样、THD计算、波形还原以及测量结果显示等功能，满足题目各项功能要求。系统程序流程图如下图所示。

设计思路为：系统开启电源后，首先对各个模块进行初始化，当有信号输入时开始进行第一轮ADC实时采样；通过FFT得到输入信号的基频；根据预设在一个周期上需要采样的点数，设置自适应后的重装载值从而修改采样频率；修改参数后重新进行一轮ADC顺序采样，采集1024个点并进行FFT运算；根据得到的频谱计算出THD、归一化幅值并还原波形；将结果显示到串口屏并通过无线模块传输到手机APP上；最后还原采样频率重新进行新一轮采样并显示测量结果。核心代码参见附件。

9.总结

根据测试数据分析，本系统实现了该任务基本要求和发挥部分的所有指标，并且输入信号的峰峰值电压范围和基频范围等指标优于任务要求。输入信号的峰峰值电压范围达到10mV~1000mV，优于发挥部分指标（1）要求；输入信号基频最大可以达到500kHz，优于发挥部分指标（2）要求。
本系统通过理论分析得到合理的方案，以MSP432P401R为控制核心，结合基于VCA821的AGC电路和ADC前端调理电路，设计并实现了信号失真度测量装置，完成了对输入周期信号的总谐波失真度和归一化幅值的测量与显示，且各项指标均满足设计要求。