劉歡，沈陽(yáng)，曹洪奎

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧錦州，121000；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，遼寧錦州，121000）

0 引言

總諧波失真作為信號(hào)的重要參數(shù)被廣泛應(yīng)用于音頻、無(wú)線電和電力系統(tǒng)的測(cè)量和測(cè)試中。目前普遍應(yīng)用的以基波抑制法為原理的THD 測(cè)量?jī)x，由于受到基波抑制網(wǎng)絡(luò)的限制，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。因此，設(shè)計(jì)一種可以精確測(cè)量THD 等各項(xiàng)指標(biāo)的低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，用于失真度測(cè)量的儀器種類繁多，大多數(shù)失真度計(jì)的設(shè)計(jì)方法都采用基波消去法或頻譜分析法(快速傅里葉變換法）。兩種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但以基波消去法為原理做成的失真度計(jì)精度不高，只能達(dá)到一般儀器的精度的5%，快速傅里葉變換雖然這種方法的準(zhǔn)確度很高但其抗干擾能力較差，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果不理想。失真度測(cè)量?jī)x用途廣泛，大量使用在在音頻和低頻設(shè)備或系統(tǒng)中，例如麥克風(fēng)、音響。電力系統(tǒng)中，理想供電采用純正弦交流電，但由于諧波干擾等影響，電力系統(tǒng)也需要測(cè)試信號(hào)的失真度。失真度計(jì)除了用于上述領(lǐng)域外，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和測(cè)試中也起著極其重要的作用。當(dāng)今正處通信電子時(shí)代，通信電子技術(shù)飛速發(fā)展，在通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用了越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)。為此，對(duì)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢測(cè)中都起著重要作用的失真度計(jì)的性能和精度要求也越來(lái)越高。

本論文采用一種基于FFT 的諧波分析方法來(lái)設(shè)計(jì)一種低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x。研究被測(cè)電壓信號(hào)偏離正弦波的程度，完成對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)的頻率、幅值、波形和THD 值等參數(shù)進(jìn)行采集、分析和顯示等功能。編制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、FFT 運(yùn)算、THD 計(jì)算和幅值計(jì)算等功能程序。

1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x，主要由主控電路、信號(hào)調(diào)理電路、頻率測(cè)量電路、OLED 顯示電路、按鍵電路和電源電路這六部分構(gòu)成。系結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)以STM32 微控制器為核心，其中頻率測(cè)量電路將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，經(jīng)STM32 微控制器處理后可得到被測(cè)信號(hào)的頻率。信號(hào)調(diào)理電路將被測(cè)信號(hào)由雙極性轉(zhuǎn)化為可由微控制器采集的單極性信號(hào)，通過(guò)STM32 微控制器自帶的12 位ADC 和DMA 完成信號(hào)的高速采集，得到的數(shù)據(jù)由STM32 微控制器進(jìn)行FFT 運(yùn)算并分析得到各點(diǎn)模值，再由頻率得到基波和各次諧波幅值。根據(jù)THD 的定義取7次諧波進(jìn)行THD 運(yùn)算得到被測(cè)信號(hào)的THD 值。系統(tǒng)通過(guò)OLED 顯示模塊實(shí)時(shí)顯示被測(cè)信號(hào)的THD 值、波形、頻率和峰峰值等信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控制器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ST 公司的STM32F103VET6 微控制器，該微控制器內(nèi)部包含三個(gè)獨(dú)立ADC 通道、2 個(gè)DMA 控制器、3個(gè)USART 接口、2 個(gè)I2C 接口以及多達(dá)37 個(gè)通用IO 口等等，運(yùn)行頻率高達(dá)72MHz，片上資源豐富，存儲(chǔ)空間大，串口資源豐富。功耗很低，數(shù)據(jù)處理極快并且支持在線編程與數(shù)據(jù)仿真。

ST 公司的32 位微控制器STM32F103VET6 其內(nèi)部集成的12 位高速ADC 加DMA。STM32F103VET6微控制器內(nèi)部具有512K 的FLSAH 存儲(chǔ)芯片、三個(gè)獨(dú)立ADC 通道和2 個(gè)DMA，可以說(shuō)，STM32 微控制器的ADC 是一個(gè)非常強(qiáng)大且靈活的外設(shè)，它不僅有著大量的通道，同時(shí)具備良好的精度。STM32 微控制器的ADC 屬于SAR 型（逐次逼近型），在多個(gè)通道同時(shí)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合下常采用ADC+DMA 實(shí)現(xiàn)軟件編程，可以大大提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

■2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路將被測(cè)信號(hào)由雙極性轉(zhuǎn)化為可由微控制器采集的單極性信號(hào)，該信號(hào)由STM32 微控制器自帶的12位高速AD 采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)由STM32 微控制器進(jìn)行FFT 運(yùn)算并分析，即可得到各點(diǎn)模值，再由頻率得到基波和各次諧波幅值。根據(jù)THD 的定義取7 次諧波進(jìn)行THD 運(yùn)算得到被測(cè)信號(hào)的THD 值。

由于被測(cè)輸入信號(hào)為雙極性信號(hào)，單片機(jī)A/D 采集信號(hào)只能采集0V 以上的單極性信號(hào)，可采用求和電路實(shí)現(xiàn)雙極性向單極性的轉(zhuǎn)換，將被測(cè)輸入信號(hào)加上一個(gè)由ADR1581 提供精確的1.25 V 輸出電壓之后抬升到0V 以上供單片機(jī)采集。信號(hào)調(diào)理電路圖如圖2 所示。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路圖

■2.3 頻率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

頻率測(cè)量電路的主要作用是產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)頻率、相位一致的脈沖信號(hào)，利用STM32 微控制器自帶的通用定時(shí)器定時(shí)捕獲該脈沖信號(hào)的上升沿，設(shè)置CNT 以1MHz 進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后定時(shí)器定時(shí)捕獲該脈沖信號(hào)的下降沿，兩者相減就是被測(cè)信號(hào)的脈沖寬度，單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理后可得到被測(cè)信號(hào)的頻率。

采用比較器芯片LM393 對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行過(guò)零比較，主要作用是產(chǎn)生與被測(cè)信號(hào)頻率、相位一致的脈沖信號(hào)。頻率測(cè)量電路圖如圖3 所示，LM358 輸出與被測(cè)信號(hào)頻率、相位一致的脈沖信號(hào)給到STM32 微控制器的PA0 引腳，由STM32 微控制器采集并處理后得到被測(cè)信號(hào)的頻率值。

圖3 頻率測(cè)量電路圖

■2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)顯示屏采用0.96 寸的OLED 顯示模塊，此款顯示模塊分辨率128×64，具有自發(fā)光的特性，無(wú)需背光，只要有電流通過(guò)時(shí)，OLED 顯示屏就會(huì)發(fā)光，而且OLED 顯示屏幕可視角度大，并且功耗極低。

■2.5 電源電路設(shè)計(jì)

選用的LM2576 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單片集成電路，主要作用就是為了給低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x各電路中的不同的芯片提供適合的供電電壓。LM2576 芯片內(nèi)部包含52kHz 振蕩器、1.23V 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路，同時(shí)輸出開關(guān)包括逐周期電流限制，以及可以在故障條件下進(jìn)行全保護(hù)的熱關(guān)斷功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了一種基于FFT 的諧波分析方法，相比于傳統(tǒng)低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x，此方法精度更高。系統(tǒng)分兩路對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量和信號(hào)采集，一路是通過(guò)比較器將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，通過(guò)定時(shí)器捕獲第一次上升沿和下降沿得到脈沖寬度，進(jìn)而計(jì)算頻率；根據(jù)采樣定理，對(duì)另一路進(jìn)行諧波分析，通過(guò)STM32 微控制器自帶的12 位ADC 和DMA 完成信號(hào)的高速采集，得到的數(shù)據(jù)由STM32 微控制器進(jìn)行FFT 運(yùn)算并分析得到各采樣點(diǎn)模值。通過(guò)頻率和采樣頻率得到基波和3、5、7 次諧波幅值，根據(jù)THD 的定義進(jìn)行運(yùn)算得到被測(cè)信號(hào)的THD 值。

信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)程序運(yùn)行中最為關(guān)鍵的部分。通過(guò)ADC 采樣被測(cè)信號(hào)并進(jìn)行FFT 運(yùn)算分析。采用ADC+DMA+定時(shí)器觸發(fā)的方式，由定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)DMA 將采集的數(shù)據(jù)會(huì)直接被存儲(chǔ)在用戶自定義的內(nèi)存單元中，當(dāng)每次采集完1024 個(gè)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)后，才會(huì)被再一次傳輸?shù)接脩糇远x內(nèi)存單元。信號(hào)采集分析轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4 所示。

圖4 信號(hào)采集分析程序流程圖

信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后進(jìn)行FFT 運(yùn)算，這里系統(tǒng)對(duì)運(yùn)算數(shù)據(jù)采用倒位序輸入，正序輸出的方式，對(duì)蝶形運(yùn)算單元采取順序調(diào)用方式，可以采用64 點(diǎn)、256 點(diǎn)和1024 點(diǎn)三種不同的FFT 運(yùn)算，本設(shè)計(jì)選用的STM32VET6 內(nèi)部包含512K 的FLSAH 存儲(chǔ)芯片，存儲(chǔ)空間完全滿足要求，在不考慮耗時(shí)的情況下，采樣點(diǎn)越多FFT 運(yùn)算越準(zhǔn)確，所以采用1024 點(diǎn)。

獲取ADC 采樣結(jié)果和FFT 分析的程序代碼如下：

4 系統(tǒng)測(cè)試

低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x可以測(cè)量頻率范圍在20Hz～1kHz 不同波形的被測(cè)信號(hào)，選用1024 點(diǎn)FFT 運(yùn)算，分辨率為10Hz，根據(jù)THD 的定義公式進(jìn)行THD 運(yùn)算采集7 次諧波幅值就可以得到被測(cè)信號(hào)的THD 值。系統(tǒng)測(cè)試圖如圖5 和圖6 所示。

圖5 信號(hào)參數(shù)測(cè)量圖

圖6 系統(tǒng)THD 與波形顯示測(cè)試

從不同波形的被測(cè)信號(hào)選取兩端最高最低的頻率和中間三個(gè)頻率點(diǎn)的THD 測(cè)量結(jié)果為比較依據(jù)，列出如表1 所示。

表1 THD功能測(cè)試分析結(jié)果

如表1 所示，顯示的是使用低頻信號(hào)失真度測(cè)量?jī)x測(cè)量的THD 值和理論計(jì)算值之間的對(duì)比，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析顯示，被測(cè)信號(hào)THD 值測(cè)試和理論值的誤差均小于3%，且THD 測(cè)量穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)各功能測(cè)試結(jié)果分析，本系統(tǒng)裝置可以測(cè)量任意波形、頻率范圍在20Hz～1kHz 信號(hào)的THD 值，通過(guò)按鍵電路控制OLED 顯示電路實(shí)時(shí)顯示被測(cè)信號(hào)的頻率、峰峰值、波形和THD 值等信息，測(cè)量誤差小于3%，各部分功能均達(dá)到指標(biāo)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)顯示被測(cè)信號(hào)偏移正弦波的程度。