波形识别

周期信号波形识别及参数测量装置（J 题）

一.前言

本次设计的周期信号波形识别及参数测量装置以ARM Cortex-M4处理器为主控器，由高速精密运算放大器搭建高速电压比较电路、电压放大电路、精密整流电路和电压跟随电路等，组成信号处理电路；并基于ARM Cortex-M4处理器通过相应算法，实现对信号波形类型的判别和频率、峰峰值等相关参数的测量。系统可以识别并测量频率为100Hz到10kHz，峰峰值在1V到10V范围内的信号波形的频率、峰峰值、占空比等相关参数。并增设了上下限声光报警功能，彩色显示，多~~~~界面切换等功能，以提升系统的实用性。

二.项目分析

1.采用运算放大器对输入信号做精密整流，电压比较实现多通道切换，对输入电压做放大或衰减，使信号适合ARM Cortex-M4处理器的取样范围。由于ARMCortex-M4处理器能够接收的采样信号电压范围有限，如果待测量信号的电压值超过了ARM Cortex-M4处理器可采集的范围，若采用方案一的测量方法，就无法采集较高电压值。综合考虑，选择方案二。
经过对几种常见波形(正弦波、方波、三角波)的分析和比较。发现它们各自的峰值和有效值存在较大差异,而两者的比值即波峰系数始终为定值,不随输入信号幅度和频率的变化而变化。一般情况下,被测波形是对称的,因此可以根据被测波形的峰值和有效值的比值(波峰系数) ，利用波峰系数进行识别来确定其波形类型。常见波形信号的波形系数和波峰系数如表2-1所示。

表2-1常见波形的波形系数和波峰系数对比

波形类别	波形系数y	波峰系数a	波峰系数a/√√1
正弦波	1	2√2	1
对称方波	0.9	1	1/2−−√1/2
对称三角波	0.993	3√3	3/2−−√3/2

通过表2-1可以看出，正弦波、对称方波和对称三角波的波形系数y非常接近，仅通过信号的波形系数很难区分出波形，而它们的波峰系数差别则较大，从波峰系数的值则比较容易区分。判定方法是：利用波峰系数进行判定，如果该值等于1，则该信号为正弦波；若小于1，则为对称方波；若大于1，则为对称三角波。通过以上分析可知，利用波峰系数进行波形识别是一种行之有效的方法。经过对几种常见波形(正弦波、方波、三角波)的分析和比较。发现它们各自的峰值和有效值存在较大差异,而两者的比值即波峰系数始终为定值,不随输入信号幅度和频率的变化而变化。一般情况下,被测波形是对称的,因此可以根据被测波形的峰值和有效值的比值(波峰系数) ，利用波峰系数进行识别来确定其波形类型。常见波形信号的波形系数和波峰系数如表2-1所示。
2.对于峰峰值我们分成三路，小信号放大，大信号衰减。将信号保持在单片机能测量的范围内。
3.频率使用的是一个比较器出来用的单片机中断测。

三.系统组成

四.硬件部分

硬件说明：
图1是实现信号处理的功能版，右边6路继电器实际上就是处理三路信号，如图3-1对信号进行放大，不变，衰减。
但是为什么要用6路呢？
因为我们实验发现如果直接用三路继电器不隔离，当信号切换到一路时另外2路运放 “浮地” 会导致信号干扰，于是加了三路继电器，单片机可控制任意一路信号供给"浮地"现象就可以消除。
原理图左边就是对信号进行放大，不变，缩小处理，因为单片机处理信号要么是5V要么是3V嘛。要控制在这个范围内。
信号处理后程序写时只是一个倍数问题就可以还原原信号的电压值。
经过实验，要处理1HZ-50KHZ的信号，LM358是可以满足要求的，当然当时我们也用过其他贵点运放也是可以，但LM358相对便宜点，处理这题完全够了。
这对不变的信号说明下，不用加压随，我们实验发现压随加上后对处理低频信号是不好，出来波形会有较大变化，这直接给单片机处理就行。
右边就是给单片机处理的接口：
频率：因为都是比较器出来的，要么是高电平要么是低电平，单片机很好处理。
幅度：主要是ADC采样了，最好有高速ADC模块处理这样采集波形的点更加密集，波形差异更大识别率更准确。这次我们没准备，直接用的stm32f407ze自带的ADC功能。

改进建议：
1.这里用到的是用继电器来切换，其实是可以用模拟开关，这推荐几个模拟开关型号:四双向模拟开关CD4066,单八路模拟开关CD4051,双四路模拟开关CD4052,这样PCB体积会小很多。
2.建议用高速Adc模块来处理信号幅度，因为stm32f407ze采集50khz采集点数不均匀，虽然可以采用多次采集累加。但是采集是需要时间的。发挥题目要求三秒内完成，所以是为了减轻代码复杂度比赛能改硬件改硬件是最好的。

功能实现板如下图1 
下面就是所用到的单片机开发板和5V电源块：用的stm32f407VE的板子这个是网上买的附上链接原理图，就不画出来了。 开发板购买链接：[https://m.tb.cn/h.f8qSFPF?sm=25c03f](https://m.tb.cn/h.f8qSFPF?sm=25c03f) 5V电源模块： [https://m.tb.cn/h.fjLDGHV?sm=53b407](https://m.tb.cn/h.fjLDGHV?sm=53b407) 程序所用屏幕模块： [https://m.tb.cn/h.fjpRMgi?sm=5c4546](https://m.tb.cn/h.fjpRMgi?sm=5c4546) 因为开发板上自带了5V转3.3V还有些存储电路所以比赛时省了很多硬件上的功夫，直接接线就行。 如何接线？ 双路可调电源接出+-电源来(如图2-1)。因为运放需要+=12V,两路电源调节到12V参照以下接法：左边就是+12V中间是GND右边是-12V

12V接电源模块的+   ,   GND接GND

这是块可调电源模块直接按+-调节输出个5V给单片机开发板就行。
屏幕的话这次用的是1.8寸的TFT屏幕，因为发挥部分需要同时显示参数所以屏幕需要选大点的。
总体接线图如图2-2所示
图2-3是开发板原理图。

图2-1

图2-2

图2-3

四.软件设计框图

用的标准库写，ADC用了DMA提高采样速度，频率测量用的外部中断。在下面附件。下面4-1是对于模块外设初始化

五.测量误差

六.测试结果分析

本作品采用STM32F407作为主控芯片，以高速精密运算放大器，搭成精密整流电路、高速电压比较器、电压放大器、电压跟随器等组建成整个系统硬件电路。通过测试检验，系统可检测判断50mV≤VPP≤10V，1Hz≤ f ≤100kHz各种波形，且检测速度快，精确度高，完成了题目的所有功能。同时，本作品还增加了上下限声光报警功能，彩色显示，多界面切换等功能。

七.信号测量识别PCB板

反面