基于TM4C123 的信号失真度测量系统的研究

2023-11-14彭冲沈阳李思雨曹洪奎

电子制作 2023年20期

彭冲，沈阳，李思雨，曹洪奎

（1.辽宁工业大学电子与信息工程学院，辽宁锦州，121000；2.辽宁工业大学理学院，辽宁锦州，121000）

信号失真度测量是对来自任意函数/任意波形发生器的周期信号进行采集分析，测得输入信号的总谐波失真THD。失真度是衡量正弦信号质量好坏的重要性能指标，随着信息工业化的快速发展，对信号的精度要求日益增加，因此信号失真度的检测是很有必要。信号失真度作为信号的重要参数被广泛应用于音频、无线电和电力系统的测量和测试中。目前普遍应用的以基波抑制法为原理的THD 测量仪，由于受到基波抑制网络的限制，会导致较大的测量误差。因此，研究一种可以精确测量THD 等各项指标的低频信号失真度测量仪具有十分重要的现实意义。本文主要采用TI 公司的TM4C123GH6PM 为控制核心，包含主控电路、信号调理电路、频率测量电路和电源电路。信号调理电路负责将被测信号由双极性转化为可由微控制器采集的单极性信号，通过TM4C123GH6PM 微控制器自带的两个12 位ADC 完成信号的高速采集，得到数据由TM4C123GH6PM 微控制器进行FFT 运算并分析，得到基波和各次谐波的频率和幅值。根据 THD 的定义取 7 次谐波进行 THD 运算得到被测信号的 THD 值。系统通过 OLED 显示模块实时显示被测信号的 THD 值、波形、频率和峰峰值等信息。测试表明，装置完成了对信号的THD 等指标的检测，绝对误差小于2%，信号失真度测量较准确。

1 系统方案设计

1.1 信号总谐波失真分析方案

信号失真度的测量，需要先测量并分析出信号基波和各次谐波的频谱特性，然后按照信号总谐波失真（失真度）的定义公式，根据各次谐波和基波的幅值进行计算。信号频谱特性采用数字信号处理的方法有采用离散傅里叶变换DFT算法和快速傅里叶FFT 算法。离散傅里叶变换DFT 算法，其时间和频率都离散，针对的是离散的信号和频谱，但算法较为复杂，运算量较大。快速傅里叶FFT 算法为DFT 的优化算法，分按时间抽取或者按频率抽取，常用时域抽取方法，采样效果好，计算量减少，速度快。通过对比，本文研究采用了快速傅里叶FFT 算法。

1.2 主控制模块的选择

采用TI 公司的微控制器TM4C123GH6PM。此款MCU具有系统定时器的 32 位、ARM cortex ™-M4、80 MHz 处理器内核，具有 256KB、单周期闪存的频率为 40 MHz 的片载存储器，32 KB 单周期 SRAM，以及2 KB EEPROM，片内集成了12 位分辨率的高速ADC 转换器，最高转换速率可达到1Msps，非常适合需要高速信号采集的应用。

1.3 信号放大电路的设计方案

为了提高信号检测的精度，进而提高信号谐波失真测量的精度，需要先用信号放大电路对输入信号进行放大，再进行AD 转换。采用OP37 作为电路的核心芯片。高速低噪声运算放大器OP37 的带宽为可63MHz，适合高频小信号的放大。此方案芯片能耗低、性能好、价格低。本题目中需要放大100kHz 的30mV 的小信号和最高5 次谐波，谐波频率达到500kHz。

1.4 频率测量电路的设计方案

采用 LM393 作比较器电路。LM393 是双路差动比较器，低供电电流漏极与供电电压无关，LM393 同时具有众多优秀特性：开关速度快，集成模块小，节约PCB 空间等。

1.5 显示电路的设计方案

采用OLED 显示屏显示被测信号的波形和THD 等信息。OLED 能显示汉字、字符、图形等多种信息。其不需要背光，发光效率更高，信息不失真，在提高了显示的对比度的同时，极大地降低了功耗，且体积较小成本较低。

1.6 电源电路的设计方案

电源电路的设计采用 LM2576-5.0 和 AMS1117-3.3 作为电路核心芯片。其中 LM2576 降压开关稳压器是美国国家半导体公司生产的单片集成电路，非常适合简单方便地设计降压型开关稳压器。能够提供 3.0A 输出电压，具有出色的负载调节性能。与传统的三端线性稳压器相比，其效率要高得多，在许多情况下，功耗很低，不需要散热器，或者其尺寸可以大大减小。AMS1117 转换的3.3V 电压作为单片机的工作电压也足够单片机正常工作。

1.7 总体设计方案

基于TM4C123 的信号失真度测量系统的总体结构如图1 所示。通过TM4C123GH6PM 对被测信号进行测量或采集数据，频率测量电路产生与被测信号频率、相位一致的脉冲信号，同时利用 TM4C123GH6PM 微控制器自带的通用定时器计算频率。使用信号调理电路将被测信号由双极性转化为可由微控制器采集的单极性信号，该信号由 TM4C123GH6PM 微控制器自带的 12 位高速 AD 采样，采样得到的数据由TM4C123GH6PM 微控制器进行 FFT 运算并分析，即可得到基波和各次谐波的幅值。从两路得到的数据结合起来，再根据 THD 的定义公式进行 THD 运算采集各次谐波幅值就可以得到被测信号的 THD 值。同时按键电路和 OLED 显示电路相对应，按下键值不同OLED 显示电路显示界面也不同，按下按键一显示峰峰值和频率；按下按键二显示波形和 THD 值。

图1 系统总体框图

2 电路设计

2.1 主控制模块的设计

采用TI 公司的32 位Cortex M4 内核的微控制器TM4C123GXL 作为系统的控制核心，该微控制器具有高速12 位分辨率的ADC，可实现信号的高速采样和转换，支持硬件DSP 运算，实现信号频谱分析和快速傅里叶变换，丰富的片内外设资源，为系统的实现提供良好的硬件平台和软件资源。

2.2 信号放大电路设计

为提高谐波检测精度，使用高速运放OP37 输入信号进行放大。通过三极管驱动继电器，改变运算放大器的反馈电阻进而改变放大电路的放大倍数。反之，继电器吸合。当K1 和K2 都断开，输入信号被放大11 倍。K1 吸合，K2 断开电路放大4 倍。K1 和K2吸合电路放大2 倍。OP37 构成的放大电路如图2 所示。

图2 OP37 放大电路原理图

2.3 加法电路设计

利用运算放大器OP37 构成的同相加法电路将双极性信号变为单极性正电压输出，提供精确的1.25 V 输出电压足够把被测输入信号全部抬升为可由微控制器采集的单极性信号。加法电路原理如图3 所示。

图3 加法电路原理图

2.4 频率测量电路设计

频率测量电路的主要作用是产生与被测信号频率、相位一致的脉冲信号，利用 TM4C123G 微控制器自带的通用定时器可捕获该脉冲信号的上升沿，经软件处理可得到被测信号的频率。频率测量电路如图4 所示。

图4 频率测量电路原理图

2.5 电源电路设计

电源电路主要作用就是为了给低频信号失真度测量装置各电路中的不同的芯片提供适合的供电电压。为了降低电源的噪声，提高测量精度，整个低频信号失真度测量装置设计采用LM317 和LM337 构成的线性电源作为供电电源。

3 程序设计

本系统采用了一种基于FFT 的谐波分析方法，相比于传统低频信号失真度测量仪，此方法精度更高。系统总体流程框图如图5 所示。

图5 系统总体流程框图

图5 中系统分两路对信号进行频率测量和信号采集，一路是通过比较器将被测信号转换为脉冲信号进行频率测量，通过定时器捕获第一次上升沿和下降沿得到脉冲宽度，进而计算频率；根据采样定理，对另一路进行谐波分析，通过TM4C123G 微控制器自带的12 位ADC 和DMA 完成信号的高速采集，得到的数据由TM4C123G 微控制器进行FFT 运算并分析得到各采样点模值。通过频率和采样频率得到基波和3、5、7 次谐波幅值，根据THD 的定义进行运算得到被测信号的THD 值。

系统软件流程如图6 所示。首先配置ADC 的触发方式为定时器触发，配置DMA 的工作模式，在ADC 转换结果寄存器和采样数据缓冲区之间完成数据传输，再配置定时器定时触发AD 采样。TM4C123G 通过其内部集成的最高采样频率可达1MHz的ADC 对信号进行数据采集，同时通过定时器捕获功能计算信号频率，当被测信号的一个周期的采样工作完成后，对采样数据结果减去直流分量，并利用蝶形基4-FFT 原理对采样数据进行快速傅里叶变换，分析各次谐波的幅值，最后根据总谐波失真度的定义计算出信号的失真度，将结果显示在OLED 屏上。下一个周期循环反复进行。