基于MSP-EXP432的信号失真度测量装置

葛良晨，王靖宸，叶聪

（1.南京信息工程大学长望学院，江苏南京，210044;2.南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏南京，210044）

1 技术方案原理分析

本信号失真度测量装置采用频谱分析法。FFT频谱分析原理依据采样定理：采样频率要大于信号频率的两倍。N个采样点经过FFT变换后得到N个点的以复数形式记录的FFT结果。假设采样频率为Fs，采样点数为N。那么FFT运算的结果就是N个复数（或N个点），每一个复数就对应着一个频率值以及该频率信号的幅值和相位。第一个点对应的频率为0Hz（即直流分量），最后一个点N的下一个点对应采样频率Fs。其中任意一个采样点n所代表的信号频率：

用片内ADC采集经过调理电路的输入信号，通过TLV3501测出基波频率并计算得出自适应采样频率，对一个周期内的样本数据进行FFT，经过运算得到信号失真度值和一个周期波形及其幅值。其中波形的是通过合成前5个谐波分量，进行逆变换IFFT得到的。TFT串口屏显示输入信号失真度值，输入信号一个周期波形。通过Wi-Fi模块手机上显示测量装置测得并显示的输入信号值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。

当放大器输入为正弦信号时，放大器的非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，即出现谐波失真，通常用“总谐波失真值”定量分析放大器的非线性失真程度。

2 系统方案

信号通过前端调理电路（信号放大AD603和加法电路TL084）进行调整，将小信号放大（减少噪声干扰小信号），并抬升到0-3.3V范围内，MCU中TIM控制MCU内置的ADC采样调理信号，采用FFT进行数据处理，运算出相关数据，再将数据发送到串口屏或者利用Wi-Fi模块（ESP32）将数据发送到手机APP中。

图1 系统结构工作原理

3 系统设计

3.1 关键器件性能分析

3.1.1 AD603模拟控制可变增益放大器

增益控制范围:80dB(-25—55dB)的AGC动态调整范围；最大输入输出电压：在信号无明显失真的情况下,输入电压最大为±1.4V；10MH内输岀信号峰峰值最大为为1Vpp,5MHz内输出峰峰值2Vpp,1MHz以下可输出更高峰峰值。所有芯片均使用±5V(VCC,VSS)供电。AD603依靠控制电压(VG+)-(VG-)控制放大倍数，比较器AD8561比较的是第二级AD603输出信号(比较器的同相端)和设置电压(比较器的反相端),使用二极管和RC对比较器输出信号进行检波:检波的值(VG-)的范围为0-3.3V,电路设置VG+为固定电压值1.4V,这样就可以保证调整电压(VG+)(VG)在AD603的控制电压（-500mV—500mV）范围内，使AD603能正常放大。通过负反馈系统，具有自动调节的能力。

图2 AD603AGC模块设计原理图

3.1.2 TL084

TL084是一款高速四J-FET输入的运算放大器，由高压J-FET和双极晶体管构成。具有高的转换速率、低的输入偏置电流和失调电流及具有很低的失调电压温。运用电阻分压，将直流量与输入信号相加，输出信号的幅值都为正且范围在0-3.3V之间。方便后续AD采集。

3.1.3 TLV3501高速比较器

输入电压:10mVpp—5Vpp（单极性)输出电平:轨至轨输出,可直接驱动TTL/CMOs电平输入频率:DC＜120MHz（频率增加波形会发生变化）输入无耦合，输出方波三种比较方式:同相信号比较、反相信号比较、同相信号与反相信号比较,高速比较：4.5ns传播延迟时间。

TLV3501是一种高速比较器。它可用于对输入信号进行波形整形并输出TTL电平信号。TLV3501具有快速的4.5ns传播延迟时间，可单电源5V供电，是高速比较电路的理想选择。输入信号频率带较宽，可输入0.1Hz—230MHz的信号。阈值电压控制方式：手动方式通过调节电位器控制。

图3 TL084加法电路设计原理图

图4 TLV3501电路设计原理图

3.1.4 ESP32

采用TI公司的MSP-EXP432P401R作为主控制器，MSP432P4 MCU采用了带浮点单元和DSP加速功能的48MHz 32位ARM Cortex M4F,功耗：80uA/MHz工作功耗和660nA RTC 待机操作功耗,高级加密标准 (AES256) 加速器、CRC、DMA、32位硬件乘法器，存储器为256K闪存、64KBRAM，而且MSP-EXP432P401R具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，整个系统更加简单。

ESP32携带32位双核处理器，CPU正常工作速度为80MHz，最高可达240MHz，运算能力高达600MIPS；内置448KB ROM；内置520KB SRAM；最大支持16MB片外SPI Flash；最大支持8MB片外SPI SRAM；包含常用微控制器的基本功能。

图5 ESP32电路设计原理图

3.1.5 数据显示模块

TFT串口屏显示。串口屏硬件接线简单，开发周期较快，稳定性相对较高，抗干扰能力佳，能够适用于各个领域；手机显示。运用Wi-Fi模块ESP32，将数据传输到手机APP上，运用手机查看数据。

3.2 系统软件设计分析

3.2.1 系统总体工作流程

如图6所示。

图6 软件系统总体工作流程

3.2.2 主要模块程序设计

3.2.2.1 采样

TLV3501测频控制TIM，产生自适应采样频率，将已调信号在MCU片内ADC采集，得到样本数据。

3.2.2.2 数据处理

对一个周期内的样本数据进行FFT，经过运算得到信号失真度测量值和一个周期波形及其幅值。

3.2.2.3 TFT串口屏

MCU通过UART向串口屏发送数据，显示输入信号失真度测量值和输入信号的一个周期波形。

3.2.2.4 Wi-Fi模块ESP32

MCU通过UART向ESP32发送数据，运用Android Studio编写APP，在手机上显示测试装置测得并显示的输入信号失真度的测量值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。

4 作品成效总结分析

4.1 系统测试性能指标

本仪器实物图如图7所示，先通过运算得到失真度的标称值，TFT串口屏和手机显示输入信号失真度测量值和一个周期波形及其幅值。

图7 系统实物图

表1

表2

15.1kHz 100%(160mV) 100%30.2kHz 25% 23.11%45.3kHz 13.13% 11.54%60.4kHz 6.88% 4.57%90.6kHz 3.13% 2.49%频率成分 信号相对幅度 相对测量值 失真度的测量值29.23% 27.79% 1.44%失真度的标称值 Δ 60kHz 100%(400mV) 100%29.23% 27.11% 2.12%120kHz 10% 9.10%180kHz 5.25% 4.89%240kHz 2.75% 2.26%300kHz 1.25% 1.03%频率成分 信号相对幅度 相对测量值 失真度的测量值失真度的标称值 Δ 100kHz 100%(400mV) 100%200kHz 66.67% 62%300kHz 35% 33.4%400kHz 16.67% 14.75%500kHz 8.33% 6.79%77.57% 74.63% 2.94%

图8 TFT显示图

图9 手机APP显示图

4.2 成效得失对比分析

当测试信号包含较多谐波时，单片机 FFT 同示波器 FFT均能与理论值保持较小的误差。计算所得的谐波分量比理论值要稍高一些，推测此误差是由单片机ADC精度、环境电磁干扰等影响所引起的。通过不断测试得到上表的数据，通过上表格得知，要求已基本实现，最终使整个系统尽可能的高效。

5 结语

当输入信号的峰峰值电压范围：30mV—600mV，输入信号基频范围：1kHz—100kHz时，本设备可测量并显示输入信号失真度值并使得输入信号失真度测量误差绝对值≤3%；可以测量并显示输入信号一个周期波形，显示输入信号基波与谐波的归一化幅值，可显示到5次谐波并在手机上显示测量装置测得并显示的输入信号失真度值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。但是由于显示波形是由前5个谐波分量合成并进行逆变换IFFT得到的，导致三角波比较平滑，同时测量频率时由于失真波在高速比较器阈值附近波动，会导致定时器测出多倍频率，未来该系统可以通过改用更加精密的硬件设备达到更好的计算精度。