基于MSP432E401Y的信号失真度测量系统

2022-06-01田澄睿余然顾浚哲杨旻荟

电子测试 2022年9期

田澄睿，余然，顾浚哲，杨旻荟

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044）

关键字：快速傅里叶变换；总谐波失真测量；MSP432E401Y；ESP32

0 引言

随着信号处理领域的发展，信号失真度测量技术也越来越得到研究人员的重视。总谐波失真度（THD）是信号的重要参数之一，其是对信号偏离正弦波信号的程度的体现，同时也是衡量各种放大器、信号发生器等仪器的重要指标，THD在电子领域有着广泛的应用与重要的研究意义。本文通过FFT算法处理得到输入信号的基波幅值及二至五次谐波幅值，进而计算得出信号的失真度并进行显示，本文的技术方案能够为测量信号THD的应用场景提供有用参考。

1 系统整体方案设计

本系统的硬件主要由MSP432为主控芯片，前端接模拟电路将输入信号放大、抬升，并经过AD模块采入单片机。后端接ESP32通讯模块与Android studio制作的手机app进行交互。整体系统设计如图1所示。

图1 系统总框架图

本系统设计旨在设计开发一种测量范围广、测量精度高的信号失真度测量装置，可测信号峰峰值电压范围为30mV～600mV、输入信号基频范围为 1kHz～100kHz、失真度误差≤3%。

2 系统硬件电路设计

2.1 AD603 AGC放大模块

为使在输入信号峰峰值变化时输出给后续模拟电路的电压稳定，本文采用AD603 AGC自动增益控制放大电路，可针对强度不同的信号产生不同的放大倍数，使得最终的输出电压稳定在同一标准。与普通放大器不同的是，AGC自动增益控制放大器有一个引脚Vtune，通过控制其电压即可控制输出电压的范围。原理如图2所示。

图2 AGC结构原理图

2.2 加法电路

由于MSP432单片机的可承受电压范围均为正电压，因此信号发生器信号无法直接输入单片机进行A/D采样。本文设计的加法电路可为输入信号增加直流分量，使单片机可以承受。电路原理如图3所示。

图3 加法电路原理图

3 系统软件设计分析

3.1 A/D模块

A/D模块使用MSP板载模块。包括两个相同的转换器模块，它们共享24个输入通道。ADC模块具有12位的转换分辨率，支持24个输入通道，外加一个内部的温度传感器。每个ADC模块包含四个可编程的顺序器，允许对多个模拟输入源进行采样而无需控制器干预。多个模拟输入源的采样，无需控制器干预。每个采样序列器提供灵活的编程，具有完全可配置的输入源、触发事件、中断生成和序列器优先级。此外，转换值可以选择转移到一个数字比较器模块。每个ADC模块提供八个数字比较器。每个数字比较器评估ADC转换值，以确定信号的工作范围。ADC的转换频率是采样和保持数的一个函数，由公式（1）给出：

其中，NSH为ADC时钟中的采样和保持宽度，TADC为ADC转换时钟周期。

ADC使用内部信号VREFP和VREFN作为参考，从选定的模拟输入产生一个转换值。这个转换值的范围是0x000到0xFFF。在单端输入模式下，0x000值相当于VREFN上的电压水平；0xFFF值相当于VREFP上的电压水平。分辨率可由公式（2）得出。

转换公式如图4所示。

图4 AD 转换公式

3.2 快速傅里叶变换与可变频率的处理

信号经过傅里叶级数分解后可得到一系列正余弦信号，其中具有一定频率且振幅最大的信号即为基波，而频率大于基波频率振幅较小的信号即为谐波。谐波的频率为基波频率的整数倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，以此类推。为此本文对输入信号进行快速傅里叶变换（FFT），通过寻峰算法找出最大幅值的正弦分量，其对应的频率即为基波频率。基波频率的高次整数倍频率即为对应的谐波频率。

对于频率从1k-100k的输入信号，需要FFT的采样频率能够基于输入信号频率做出可自动适应的调整。FFT的采样间隔可由公式（3）计算。

其中，si为采样间隔，sf为采样频率。由此可知，sf越小采样间隔越小，精度越高。但为了满足采样定理，sf固定以后，可处理的信号范围被限制在了≤2sf的区间内。为处理这个矛盾，本文对输入信号的频率做分段处理，1k、2k～50k、50k～60k、60k～100k。

3.3 数据的上传与下载

本文采用的数据上传与下载的整体思路为：信号经FFT后计算测得的失真度测量值THDx和基波谐波频率的数据首先通过串口传给ESP32模块，ESP32将数据上传给服务器，最后通过Android Studio制作的手机APP从服务器下载数据。本文通过网络连接服务器，采用HTTP协议和RESTful风格的api接口进行数据的传递，流程如图5所示。

其中，ESP32主频高达230MHz,计算能力可达600DMIPS。涵盖精细分辨时钟门控、省电模式和动态电压调整等特征。

图5 数据传输原理

3.4 软件系统整体设计

系统的整体系统设计如图6所示。主要包含uDMA,AD采样，测频，频率判断，数据拟合，串口收发。

图6 软件系统设计

4 系统测试

本文利用KJS-4825电源变压器、DG4102信号发生器及DS2202A-EDU示波器来搭建信号失真度测量系统的测试环境，本测量系统被测信号的电压峰峰值范围是30mV～600mV，被测信号的频率范围是1kHz～100kHz，在给定信号谐波失真度THDo的情况下记录测量值THDx，并计算绝对误差。因1kHz的正弦波信号具有典型性，故将其单独进行测试。