2021年A题-信号失真度测量装置（国二）

目录

1.前言

2.团队介绍

3.题目要求

4.题目分析

5.原理图设计说明

6.PCB设计说明

7.软件说明

8.实物展示说明

9.注意事项

10.测试结果

1.前言

  本作品是2021年全国电子设计大赛A题的参赛作品，完成度较好，最终获得陕西省赛区一等奖，全国二等奖。

2.团队介绍

  本团队是由西安交通大学电气工程学院的三名同学组成的，其中作者本人是负责模拟电路设计和制作，团队中的周伟同学负责数字程序的编写。安卓APP是使用App inventor平台编写。

3.题目要求

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（以下简称为输入信号）进行采集分析，测得输入信号的总谐波失真 THD（以下简称为失
真度），并可在手机上显示测量信息。

1.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）要求输入信号失真度测量误差绝对值小于5%；

  （5）显示失真度测量值THD；

  （6）失真度测量与显示用时不超过 10 秒。

2.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THD值，要求误差 ≤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THD值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。

4.题目分析

按照题目所述，设计时应该按照信号采集到数字处理，最后显示结果的流程来。

所以设计应该包含三个部分：

  （1）信号调理及其他必要的模拟电路；

  （2）控制器的数字控制方案；

  （3）蓝牙以及蓝牙app。

对模拟电路设计进行分析：

  信号失真度计算需要波形和信号频率两种数据。因而模拟电路应该包含信号调理电路和整形电路两个部分。

  其中信号调理电路的作用是把题目要求的30-600mV双极性信号变换为片内ADC能接受的电压信号(0-3.3V)。可以采用固定增益放大器+直流偏置的方案，结构简单，不耗时间，但缺点是小信号输入时ADC采样的误差大，测量精度有限且测量幅度范围难以提升。所以我们采用了AGC（自动增益控制放大器）+直流偏置的方案，可以把输入信号以恒定幅度大小输出，测量信号幅度范围大大提升，但缺点是制作耗时长且调试复杂。

  整形电路的作用则是得到与输入信号基波频率相同的方波。

对数字处理方案进行分析：

  前级模拟电路提供了基波同频方波，单片机就可以使用定时器的输入捕获测量其输入基波频率。之后根据基波频率确定采样率，使用片内ADC采样波形信号。最后得到周期电压数据后使用FFT计算谐波分量和THD。

  有一点值得注意，受到片内ADC采样率（TI的处理器大部分在1M左右）的限制，直接采样得到的100KHz波形信号和实际波形差距较大，所以直接采样的方案是不可取的。所以我们组的方案是使用欠采样，即在多个周期内顺延采取一个周期的数据，比如一个周期需采集1024个点，在第一个周期采样第一个点，第二个周期采样第二个点.....

对蓝牙显示方案进行分析：

  题目对此部分的要求不高，能使用蓝牙发送数据到手机并显示就可以。所以最好使用较为成熟的蓝牙模块（如HC05），APP设计也一切从简，推荐使用app inventor（可视化模块编程）。

提示：总体设计方案框图

5.原理图设计说明

作品总共有五个部分：

  （1）电源总线（实物图正中间）：使用万能板焊接了一个包含正负电源线和地线的多端接口，这样使系统的供电变得更为方便，排查供电故障也更快；

  （2）基波整形电路（实物图左上角）：包含前级放大滤波模块（蓝色）和后级整形电路（红色），从AGC接受信号，经过固定增益、滤波然后再整形为同基频方波；

  （3）信号调理电路-AGC（实物图右上角）：蓝色PCB中有基于VCA821的自动增益控制电路，且配有直流偏置电路，可以为0-3.3V的片内ADC提供恒定的波形信号；

  （4）TI微处理器和配套显示屏（实物图右下角）：Tiva C 系列 TM4C123和2.2寸液晶屏；

  （5）蓝牙模块（实物图右侧）：HC05模块。

一、模拟电路设计：

结构分两路：

  第一路：AGC+直流偏置，输出波形信号；

  第二路：整形前级（放大滤波）+方波整形，输出频率信号；

性能介绍：

  1.幅度范围：输入5mVpp-4Vpp信号波，恒定输出3Vpp相同波形信号和相同频率方波，匹 配单片机ADC的输入范围。不过幅度太低时，输出幅度也会下降，因为增益有极限；

  2.频率范围：1KHz—100KHz（上限受制于整形前级电路中的AD620和电路中的滤波环节， 下限受制于AGC反馈支路中积分器的积分时间）；

（1）信号调理电路设计：

  模块是我赛前训练时制作的，所以该PCB有未使用的压控移相电路，本题目仅使用AGC和信号偏置电路。

  上图为VCA821（压控放大器芯片）参考手册中给出的闭环增益控制电路，本次比赛中使用的AGC主电路结构和上面相同。不同的是运放的选择并非完全和上图相同，上图中的opa695用opa843代替，opa820用opa842代替。opa695（电流型运放）使用会造成自激和各种噪声问题，这点已经在调试过程中验证，比较不好用。

  最后，积分器的电容要并联1M欧电阻，防止放大器零漂导致输出异常，积分器时间常数选择要看实际情况而定，时间常数越小，AGC的频率下限就越高。比赛中的PCB上的积分常数仅能满足800Hz以上信号的控制。

  VCA821性能非常先进，频率上限很高，所以10MHz的信号都能够被处理。

  直流偏置电路采用了减法器，反相输入信号，同相输入直流信号，所以注意:  最终波形信号和输入信号之间是反相的！

（2）整形电路设计：

  为了实现小幅度信号测频方波稳定，再将信号整形前，需提前放大并滤波。

  放大电路采用AD620的典型电路，可通过区域上方的电位器调节增益。选择AD620的好处是它的共模抑制比很高。且仪表放大器输入电阻极高，对AGC的影响较小。但缺点就是频率范围不高，且增益越高，频率范围越小。这也是后期我们组无法扩展频率范围的原因之一。

  滤波电路设计的是二阶有源滤波器，截止频率100KHz，可以通过更换阻容来改变。

  也是因为模块是训练时做好的缘故，所以并不只是TLV3501整形电路。整个模块有四个部分，全是检波所用。

  输入有一级opa843做缓冲级，加以二极管做输入限幅，所以后级损坏的可能性较小。

  包括：

  （1）LM339低频整形电路；

  （2）TLV3501高频整形电路；

  （3）以TLV3501和三级运放为核心的峰值检测电路，测量频率上限可至数十兆赫兹，但下限也受积分器积分常数限制；

  （4）基于AD637的有效值检测电路，可控制工作与否，上限频率8MHz。

  本次比赛使用的是TLV3501高频整形电路。

  TLV3501构成的迟滞比较电路：

二、数字电路设计：

采用了Tiva C的开发板并用SPI接口连接了2.2寸液晶屏做显示。利用的处理器资源有：

  1.一个定时器输入捕获端口（PB6），用于频率测量；

  2.一个ADC采样端口，用于采集波形信号；

  3.一个SPI接口，用于连接显示屏；

  4.一个串口，用于连接蓝牙HC05。

6.PCB设计说明

AGC：

整形前级电路：

TLV3501整形电路：

设计要点：

  （1）电源线设置：粗细符合电流需求，流向上先通过滤波电容再到器件等；

  （2）电源滤波电容放置：一般用一大一小放在器件的电源端，可参考相关器件手册的layout;

  （3）信号线布置：走圆弧角且不走锐角，线宽适量大一些，拒绝平行布线，尽可能少走通孔等；

  （4）器件放置：尽量使器件均匀分散且主芯片的输入引脚应该靠近输入sma，避免引入额外干扰；

  （5）铺铜：在芯片下面的底层PCB应该掏空，避免杂散电容影响高频芯片工作。

7.软件说明

**关键是欠采样和FFT计算，具体有以下内容：**

  1. 频率测量：配置 Timer1 定时 1s、Timer0 为输入捕获模式，计算 1s 时间内上升沿的数量，由此得出输入信号频率；

  2. ADC 采样：根据不同的输入信号基波频率确定采样率，定时器触发 ADC 采样；

  3. 总谐波失真 (THD) 和基波与谐波归一化幅值的测量：调用 DSP 库的 FFT 函数，对 ADC 采集到的数据进行 1024 点 FFT 运算，并由此计算出THD 和各次谐波归一化幅值。

代码块：

#define FFT_LENGTH 1024 //FFT点数
//uint32_t FFT_LENGTH = 1024;

extern _lcd_dev lcddev;
extern uint16_t pointcolor;
extern uint16_t backcolor;
extern uint8_t pressedKey;

uint8_t key;
uint16_t y_z[FFT_LENGTH];

uint8_t pui8ControlTable[1024];

arm_cfft_radix4_instance_f32 cfft;
float input[FFT_LENGTH*2];
float output[FFT_LENGTH];
uint8_t timeout;

uint32_t  Data[FFT_LENGTH];
uint32_t  pui32ADC0Value[1];
uint16_t  Index = 0,flag = 0, flag_com = 1;
float freq_fund;  //基波频率
uint16_t freq_seq[5];  //五个频率分量索引
float32_t Uo[5];       //五个频率分量幅值
float THD;
float norm_am[4];
uint16_t x_start;

double freq = 0;
uint32_t count=0, mycount=0;
uint32_t Rate = 64000;

void ADC0Sequence3Handler()
{
	uint32_t ui32Mode;
	uint16_t i = 0;
	flag=0;
	for(i=0;iAIN11
	ADCSequenceConfigure(ADC0_BASE,3,ADC_TRIGGER_TIMER,0);
	ADCSequenceStepConfigure(ADC0_BASE, 3, 0, ADC_CTL_CH11 | ADC_CTL_IE | ADC_CTL_END);
	ADCSequenceDMAEnable(ADC0_BASE,3);
        ADCIntRegister(ADC0_BASE, 3,ADC0Sequence3Handler);
	TimerControlTrigger(TIMER0_BASE,TIMER_A,true);
	TimerConfigure(TIMER0_BASE,TIMER_CFG_PERIODIC);
	TimerLoadSet(TIMER0_BASE,TIMER_A,SysCtlClockGet()/Samp_rate-1);
	TimerADCEventSet(TIMER0_BASE,TIMER_ADC_TIMEOUT_A);
	TimerEnable(TIMER0_BASE,TIMER_A);
	ADCSequenceEnable(ADC0_BASE,3);
	ADCIntClear(ADC0_BASE, 3);
}
void InituDMA(void)
{
	SysCtlPeripheralClockGating(true);
        SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_UDMA);
        SysCtlPeripheralSleepEnable(SYSCTL_PERIPH_UDMA);
        IntEnable(INT_UDMAERR);
        uDMAEnable();
        uDMAControlBaseSet(pui8ControlTable);
	uDMAChannelAssign(UDMA_CH17_ADC0_3);
        uDMAChannelAttributeDisable(UDMA_CHANNEL_ADC3,UDMA_ATTR_ALL);
        uDMAChannelControlSet(UDMA_CHANNEL_ADC3 | UDMA_PRI_SELECT,UDMA_SIZE_32 | UDMA_SRC_INC_NONE | UDMA_DST_INC_32 |UDMA_ARB_1);
        uDMAChannelTransferSet(UDMA_CHANNEL_ADC3 | UDMA_PRI_SELECT,UDMA_MODE_BASIC , (void *)(ADC0_BASE+ADC_O_SSFIFO3),Data,FFT_LENGTH);				
	uDMAChannelAttributeEnable(UDMA_CHANNEL_ADC3,UDMA_ATTR_USEBURST);
        uDMAChannelEnable(UDMA_CHANNEL_ADC3);
}
void freq_measure()
{
	uint16_t i, flag_1 = 1;
	float max = output[1];
	for(i=1; i max)
		{
			max = output[i];
			flag_1 = i;
		}
	}
	freq_fund = flag_1*((float)Rate/FFT_LENGTH);
}
float32_t THD_COMP()
{
	uint8_t i = 0;
	float32_t sum = 0;
	float32_t Uo[4];
	for(i=0;i<4;i++) 
	{
		Uo[i] = output[4*i+8]/output[4];
		sum += Uo[i]*Uo[i];
	}
	return 100.0*sqrt(sum);
}

float32_t my_THD_COMP()
{
	uint16_t i, j, flag_1 = 1;;
	float max = output[1];
	float max2, max3, max4, max5;
	for(i=1; i max)
		{
			max = output[i];
			freq_seq[0] = i;
		}
	}
	Uo[0] = output[freq_seq[0]];
	for(i=1;i<5;i++)
	{
		uint16_t hh;
		Uo[i] = output[freq_seq[0]*(i+1)];
		hh = freq_seq[0]*(i+1);
		freq_seq[i] = freq_seq[0]*(i+1);
		for(j=1;j<8;j++)
		{
			if(output[hh-4+j]>Uo[i])
			{
				Uo[i] = output[hh-4+j];
				freq_seq[i] = hh-4+j;
			}
		}
	}
	for(i=0;i<5;i++)
	{
		UARTprintf("index = %d, U = %dn",freq_seq[i],(int)(Uo[i]));
		UARTprintf("index = %d, U = %dn",freq_seq[i]-1,(int)(output[freq_seq[i]-1]));
		UARTprintf("index = %d, U = %dn",freq_seq[i]+1,(int)(output[freq_seq[i]+1]));
	}
	for(i=0;i<5;i++)
	{
		if(Uo[i]/Uo[0] > 0.05f)
		{
			Uo[i] = sqrt(output[freq_seq[i]-1]*output[freq_seq[i]-1] + output[freq_seq[i]+1]*output[freq_seq[i]+1] + output[freq_seq[i]]*output[freq_seq[i]]);
		}
	}
	for(i=0;i<4;i++)
	{
		norm_am[i] = Uo[i+1]/Uo[0];
	}
	float32_t sum=0.0f,thd1;
	for(i=0;i<4;i++)
	{
		sum+=Uo[i+1]*Uo[i+1];
	}
	thd1 = sqrt(sum)/Uo[0]*100;
	return thd1;
}

蓝牙和手机间的通讯规定：

  通信协议方面，每次测量后，MCU 使用串口循环 5 次向蓝牙发送 75 个字节的字符串（直接使用 ASCII 码的对应字符）。

8.实物展示说明

说明：还需要准备双极性电源和智能安卓手机一部。

9.注意事项

**特别注意ADC的输入电压限制，做好保护，否则功亏一篑。**

10.测试结果

**测试方案**：准备十组数据，规定每组数据的四个谐波的归一化幅值、频率及原始信号峰峰值，使用信号源输出到本系统中，通过屏幕显示数据，并进行误差分析。

完