電賽項目分享 | 信號失真度測量裝置

硬禾學(xué)堂|Hard grace|

2025-05-10 15:56:15 928

電賽人集合！2025年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽各個參賽選手正緊鑼密鼓備賽中，為幫助參賽者更好進(jìn)行題目分析和電路設(shè)計，即日起我們將分享一些電賽相關(guān)項目，快速提升硬實力+軟件能。

今天分享的是2021年賽題A題《信號失真度測量裝置》，將介紹三個完成A題的項目，他們都是榮獲全國二等獎的選手，一起來看看大家的解題思路。

信號失真度測量裝置

A題的主要任務(wù)是設(shè)計制作信號失真度測量裝置，對來自函數(shù)/任意波形發(fā)生器的周期信號進(jìn)行采集分析，測得輸入信號的總諧波失真 THD，并可在手機(jī)上顯示測量信息。測量裝置系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

任務(wù)的具體要求在這里就不多介紹，詳情可點擊鏈接查看：https://www.eetree.cn/task/32，接下來直接進(jìn)入項目介紹。

項目1

項目1是來自【安徽大學(xué)】榮獲國二的【博學(xué)隊】完成的信號失真度測量裝置。

項目簡介

本題采用TI的TMS320F28035作為主控芯片，采用OPA695構(gòu)成信號調(diào)理電路，將輸入信號放大、偏移到主控芯片可接受的電壓范圍0-3.3V；對輸入信號進(jìn)行傅里葉分解，獲得各次諧波分量幅值，得到總諧波失真率。

方案選擇與設(shè)計原理

2.1 方案的選擇與比較

由于輸入信號為諧波信號，其峰峰值范圍為30mV-600mV，基頻頻率為1kHz-100kHz，而TMS320F28335可處理的信號范圍是0-3V，考慮到測量精度問題，輸入信號必須經(jīng)放大和偏移之后再送入TMS320F28335的ADC。我們通過理論分析確定了下述兩個方案。

方案一：選擇可調(diào)增益的一個放大電路，對不同的輸入電壓采用不同的放大倍數(shù)，讓小信號的放大倍數(shù)盡可能大且滿足要求。此方案可以根據(jù)信號的大小來合理的調(diào)整放大倍數(shù)，提高測量精度，但調(diào)試起來困難。
方案二：選擇可調(diào)增益的兩個放大電路，一個調(diào)為4倍，一個調(diào)為10倍，將信號同時輸入兩個放大電路中，兩個輸出放大信號給電壓偏置1.5V，將兩個輸出與TMS320F28335相連，讓TMS320F28335自行判斷兩端口輸入信號峰峰值是否滿足0-3.3V的范圍，并選擇合適的信號進(jìn)行后續(xù)操作，此方案實時性好，測量精度高，操作簡便。

綜上所述，最終選擇了方案二。

主體流程框架見圖1：

Fq3-k1X8cZkqw-0B-Lu7M6UzE_eX

圖1 主體流程框架

硬件電路設(shè)計與仿真實驗

3.1 放大電路設(shè)計

考慮到信號諧波頻率最大值為500kHz（5次諧波頻率），所以設(shè)計的放大電路帶寬應(yīng)至少大于600kHZ，采用兩個OPA695分別構(gòu)成增益為4和10的放大電路，可以滿足帶寬要求。

10倍放大電路原理圖如圖2，幅頻特性如圖3所示，4倍放大電路原理圖如圖4，幅頻特性如圖5所示：

Fs-XErbICihcKWTOJIM2qBhrzGAE

現(xiàn)以4倍放大電路為例，實驗如下：

（1）輸入信號，取不同值，頻率取1kHZ，實驗結(jié)果如表1所示：

FluvvE1BAaBNmDi2rcRk6J1RExem

（2）輸入信號，取相同值，頻率取不同值，實驗結(jié)果如表2所示：

FlvZnmrGv2GT3wwjJzMxTuhSfSc8

可見，放大電路完全滿足設(shè)計要求。

3.2 偏移電路的設(shè)計

為了使被測信號的峰-峰值為TMS320F28335可接受的范圍，設(shè)計偏移電路及仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，該電路將放大后的信號偏移1.5V，為了使送給單片機(jī)的信號為正，本級采用單電源供電：

FiwP-TbChHdlEZcp562Ajr6Y9LCH

與4倍放大電路經(jīng)大電容級聯(lián)后，輸入信號，取不同值，頻率取1kHZ，實驗結(jié)果表3所示：

FnH8Bjf5kDkr5-1ZhVUTBxsz3uK5

3.3 諧波信號放大實驗

采用任意信號發(fā)生器產(chǎn)生的自編輯的諧波信號，見圖8和圖9，給設(shè)計的電路進(jìn)行測試，改變信號基頻頻率和幅值，信號均可以得到正常放大，為了保護(hù)單片機(jī)輸入端，在放大+偏移電路末端增加了二極管限幅電路，使輸出的電壓最大值都在單片機(jī)可處理范圍。

Fi5zzEI7QCxyEBjcLBbJD5ht3hQm

THD檢測原理和FFT算法原理這里不多介紹，可點擊此項目鏈接查看，介紹完設(shè)計思路后下面直接來看測試結(jié)果。

測量與顯示結(jié)果

(1)輸入信號V_ipp取200mV，基頻為1kHz-100kHZ的三角波，測量結(jié)果見表4。

FmZmLHqM50FBWVKERp-VmyB-UlEH

(2)輸入信號V_ipp取350mV，基頻為1kHz-100kHZ的方波，測量結(jié)果見表5。

FgkuF8POSc-sq0MMb0yRnu3TS5bM

(3)輸入信號V_ipp取300mV，基頻為1kHz-100kHZ的自編輯諧波（波形如圖9所示），測量結(jié)果見表6。

Fh4N8AHXZv7UGGZZtntxILlnIgYq

實驗結(jié)果表明，以上失真度測量與顯示均不超過10秒。

(4)顯示屏上顯示方波失真度測量值THD_x，見圖13。

Fvroup7B9J9QtFcfISaA3n6nmnTy

圖13 顯示屏顯示方波失真度測量值

(5)顯示屏上顯示輸入一個信號的一個周期波形，見圖14。

FjBbrAyO5B2XbY9us1SK1Gus7qI4

(6)顯示輸入信號基波與諧波的歸一化幅值，只顯示到 5 次諧波，見圖15.

(7)手機(jī)顯示測量裝置測得并顯示的輸入信號THD_x值、基波與諧波的歸一化幅值見圖16.

FsP4XualpQPJaWkd6lJvhnER_c6M

圖16 手機(jī)顯示

誤差分析

（1）ADC采樣有頻率限制，當(dāng)輸入信號頻率過大時，可能會有誤差。

（2）FFT算法有頻譜泄露現(xiàn)象，會造成各頻點幅值下降。

（3）輸入端有雜波的干擾，當(dāng)輸入為小信號時，容易受雜波的干擾。

（4）可能是芯片以及運放的引腳特性導(dǎo)致的，焊接不好也會導(dǎo)致有誤差。

整個項目可前往電子森林查閱，部分代碼開源：https://www.eetree.cn/project/703。

項目2

項目2是來自【中南民族大學(xué)】榮獲國二的【老年養(yǎng)生隊】完成的信號失真度測量裝置。

項目簡介

本系統(tǒng)以TI公司的MSP432系列MCU為控制核心，通過硬件調(diào)理電路、MCU ADC采樣、數(shù)字信號處理等手段，測量信號源產(chǎn)生的任意波的總諧波失真近似值（THD）。輸入信號經(jīng)自動增益控制放大器，再通過直流偏置加法器把幅度調(diào)整到ADC采樣范圍，進(jìn)而采樣為數(shù)字信號，通過快速傅立葉變換（FFT）分析計算出信號的THD，得到頻域與時域波形，并將所測結(jié)果通過本地彩色觸摸屏顯示和通過WiFi實時傳輸至手機(jī)APP顯示。測試結(jié)果表明，本裝置電路設(shè)計條理清晰，人機(jī)交互界面友好，功能性能完備，并且頻率、幅度、精度的測量范圍均超過題目要求，能在1s內(nèi)完成各項指標(biāo)的測量，新增頻率指標(biāo)和語音播報創(chuàng)新功能，THD測量最大誤差不超過1%，圓滿完成了題目的所有要求并有所拓展。

總體方案描述

外接任意波信號發(fā)生器作為信號源，輸入信號接入自動增益控制放大器進(jìn)行放大以適應(yīng)寬輸入幅度范圍，再疊加偏置將輸出信號調(diào)理至ADC采樣幅度范圍，單片機(jī)將采樣得到的結(jié)果進(jìn)行FFT運算，從而得到總諧波失真近似值和時域、頻域的波形信息，并將所測結(jié)果通過彩色觸摸屏顯示和通過WiFi實時傳輸至手機(jī)APP顯示，系統(tǒng)總體方案框圖如圖所示。

理論分析與計算

1. 放大電路設(shè)計

在本系統(tǒng)中，由于測控信號的范圍比較寬，為保證必要的測量精度，對于輸入的模擬信號需要加前置放大器，以使輸出電壓適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓范圍。

針對題目輸入信號的峰峰值范圍30mV~600mV，本系統(tǒng)設(shè)計的放大器不僅要滿足最低輸入幅度的信號能被AD準(zhǔn)確采集，也要保證最高輸入幅度的信號經(jīng)放大后不會超過單片機(jī)ADC的輸入幅度限制0~3.3V，同時，考慮到輸入信號基頻最大為100kHz，則其五次諧波頻率為500kHz，故應(yīng)選用帶寬不小于5MHz的運放，此處選用程控放大器AD603實現(xiàn)，AD603采用特有的內(nèi)插技術(shù)，可保證增益變化是線性的，且增益穩(wěn)定性強(qiáng)，受外界溫度及電源波動影響較小。

信號源產(chǎn)生的任意波通過自動增益放大電路，其作用是當(dāng)輸入信號較強(qiáng)時，使放大器增益自動降低，而當(dāng)信號較弱時，又使其增益自動增高，從而保證在AGC作用范圍內(nèi)輸出電壓比較均勻。使得后級處理電路對于輸入信號具有*的處理特性。

2. 直流偏置加法電路設(shè)計

=偏置部分選用經(jīng)典加法器電路，其中比例電阻均取10kΩ。具體偏置大小采用定值電阻與電位器分壓的方式，考慮到MCU ADC要求采集信號幅度在0~3.3V，取放大后的正弦波峰峰值最大可放大到3Vpp，則：

故取1K電位器與3.3K定值電阻分壓。

3. FFT測量設(shè)計

快速傅里葉變換FFT可以將一個時域信號變換到頻域，也可以將一個信號的頻譜提取出來，先對一個信號在時域上按照采樣頻率F進(jìn)行采集，采集N個點然后對這N個點進(jìn)行FFT運算，就可以得到這個信號的頻譜特性。FFT之后結(jié)果就是一個N個點的復(fù)數(shù)，每一個點對應(yīng)一個模值為實部與虛部平方和的頻率點，每個頻率點的模值（*個點直流分量除外）為原始信號峰值A(chǔ)的N/2倍，*個點直流分量為A的N倍。第n個點對應(yīng)的信號頻率為：

原理圖電路分析

1. 自動增益控制放大電路

AGC電路本質(zhì)上是一個反饋控制電路，將輸出電壓平均值通過檢測電路變換為合適的直流電平，并反饋至壓控增益放大器的增益控制端，其結(jié)構(gòu)如下圖。

壓控增益放大器決定了AGC的最大增益和增益變換范圍，電路的頻率特性，噪聲指標(biāo)等主要指標(biāo)也取決于這個放大器。由于反饋環(huán)反饋準(zhǔn)直流信號，所以對于整個放大器的頻率特性基本沒有影響。

本系統(tǒng)中的自動增益控制放大電路，是由兩個AD603構(gòu)成可變增益放大器，每個AD603的電壓增益可以從0dB變化到+42dB，兩個放大器構(gòu)成的級聯(lián)放大器增加AGC的控制范圍。

AD603依靠控制電壓控制放大倍數(shù)；比較器AD8561比較的是第二級AD603輸出信號(比較器的同相端)和設(shè)置電壓(比較器的反相端)，使用二極管和RC對比較器輸出信號進(jìn)行檢波；檢波的值的范圍0~3.3V，電路設(shè)置為固定電壓值1.4V，這樣就可以保證調(diào)整電壓在AD603的控制電壓范圍內(nèi)，使AD603能正常放大，具有自動調(diào)節(jié)的能力，如圖所示。

2. 直流偏置加法電路

在本系統(tǒng)中，由于前級放大電路中的AD603存在內(nèi)部失調(diào)電壓，導(dǎo)致放大后的信號在進(jìn)入加法器前存在較大的直流偏置，故加入截止頻率為1.59Hz的高通濾波器隔直，這里取電容C=0.1μF，R=1MΩ的一階無源高通濾波器。

同時，為防止分壓電路電阻對加法器比例電阻的影響，與比例電阻對高通濾波器截止頻率的影響，在分壓電路和高通濾波器后各加入一級跟隨器進(jìn)行隔離再輸入進(jìn)加法器，實際電路如圖所示。

PCB電路分析

1. 自動增益控制放大電路

這個用的是備賽期間準(zhǔn)備的AGC自動增益控制放大模塊，所以就不貼PCB圖了，放一個淘寶鏈接：https://m.tb.cn/h.fiGzQkD?sm=9124c2 AGC模塊 AD603 自動增益控制手動、程控調(diào)節(jié)輸出幅值帶寬10M。

2. 直流偏置與高通隔直電路

因為是比賽的時候制作的，實驗室做雙面板很麻煩，選用單面板，然后之所以放兩個供電接口，主要是因為只放一個的話很難布通。然后規(guī)格接近5X5cm，不大不小，和其他電路模塊大小一致，看上去也比較美觀。

3. 加法電路

這也是個基本的加法電路，注意電源退耦，然后電路板規(guī)格也是盡量做成5X5cm，與前后電路模塊大小保持一致。

程序設(shè)計

本裝置以MSP432E401Y單片機(jī)為核心，使用串口屏進(jìn)行人機(jī)交互，一鍵啟動后，通過單片機(jī)片上12位ADC對放大后的輸入信號進(jìn)行多次采樣，選取最佳采樣率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運算，得到信號的頻域波形，在頻域中提取基波及各次諧波的峰峰值、相位等信息并進(jìn)行IFFT運算，從而得到還原后的一個周期時域波形，最終測試結(jié)果通過串口屏顯示和通過WiFi實時傳輸至手機(jī)APP顯示，如圖所示。

首先先來介紹一下上位機(jī)。我們上位機(jī)軟件是用QT來寫的，因為QT是跨平臺的，同樣一套代碼可以在windows上面跑，也可以在linux上面跑，也可以在安卓手機(jī)上面跑。而且不需要修改任何東西，編譯器會自動給你生成好，并且可以非常地快速實現(xiàn)界面設(shè)計，非常地友好，這就非常的方便。既然可以在手機(jī)上面跑，那么我把串口改成WiFi不就是一個WiFi_APP了嗎？說干就干，網(wǎng)上關(guān)于QT開發(fā)藍(lán)牙的已經(jīng)有相關(guān)的資料了,那么一樣的道理，WiFi或藍(lán)牙差不多的，于是乎就綜合各方面資料，整合了一個WiFi_APP。做這個app不需要任何的Java的知識，你只要會QT最基本的C++基礎(chǔ)就可以了。只有你手頭有WIFI模塊（ESP8266）和安卓手機(jī)就可以實現(xiàn)WIFI_APP的功能。

項目所用的其他軟硬件也有詳細(xì)介紹，可點擊本項目鏈接查看。

軟件介紹

因為*次做WiFi上位機(jī)，就做了一個非常簡單的雛形，實現(xiàn)WIFI狀態(tài)檢測，本機(jī)IP的掃描和服務(wù)器鏈接，基波諧波的顯示，時域頻域波形的顯示，并且能像串口助手一樣完成數(shù)據(jù)收發(fā)。如圖，就是本一開始做的最簡單的軟件界面，本軟件基于widge控件制作，當(dāng)然你可以選擇其他的，更可以自己定義類。

我們是基于QT的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之TCP通信，用到了兩個類，QTcpServer和QTcpSocket,TCP分為了服務(wù)器和客戶端，就是跟網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手差不多的。我們這里使用手機(jī)作為服務(wù)器，wifi模塊(esp8266)作為客戶端，那么只要連接在同一個網(wǎng)絡(luò)，就可以互相通信，傳輸數(shù)據(jù)了。

當(dāng)然我們還需要制定簡單的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：因為有了協(xié)議，你才知道發(fā)過來的是什么類型的數(shù)據(jù)，一次發(fā)多少個，要顯示在哪里，下面是部分代碼，源碼放在最后面了，大家可以下載來慢慢查看。

同樣也給大家提供了學(xué)習(xí)QT的視頻鏈接方便大家學(xué)習(xí)：【【北京迅為】嵌入式學(xué)習(xí)之QT學(xué)習(xí)篇-嗶哩嗶哩】 https://b23.tv/gP8rDCd。

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實物展示

作品實物圖：

人機(jī)交互界面：

手機(jī)APP：

這個項目介紹的比較*，因為篇幅長度，本次選取重要部分介紹，詳細(xì)項目可點擊鏈接前往電子森林查閱：https://www.eetree.cn/project/711。

項目3

項目3是來自【北京交通大學(xué)】榮獲國二的團(tuán)隊完成的信號失真度測量裝置。

項目分析

本題要求用于信號失真度測量的主控制器和數(shù)據(jù)采集器必須使用 TI 公司的MCU及其片內(nèi)ADC，不得使用其他片外ADC和數(shù)據(jù)采集模塊（卡）成品，故信號采集模塊的MCU均在TI公司生產(chǎn)的處理器系列中選擇。

考慮到題目要求測量的最高信號頻率為100kHz，五次諧波滿足奈奎斯特采樣定理需要采樣頻率達(dá)到1MHz，故選擇C2000系列處理器作為主控芯片，并使用其片內(nèi)ADC進(jìn)行采樣。C2000是TI公司生產(chǎn)的32位高性能實時微控制器，具有片內(nèi)12位ADC，主時鐘頻率可達(dá)到200MHz，運行速度比較快，實時性比較好。由于實驗室中正好有28379D的開發(fā)板，故選擇此開發(fā)板。開發(fā)板資料見LAUNCHXL-F28379D。

對于數(shù)據(jù)處理部分采用頻域分析方法，對ADC采樣值做FFT變換，得到信號中不同頻率的幅值大小，代入THD計算公式得到失真度大小。該方案硬件成本低，電路簡單。

原理圖電路分析

本次作品中電路均使用立創(chuàng)EDA設(shè)計。

Schematic_2021年A題-信號失真度測量裝置_2021-12-09.png

2.1 隔直放大電路

如圖，輸入信號處理電路由RC濾波電路和同相加法器電路共同組成：在同相加法器的前面接入RC高通濾波器，將信號中可能含有的直流成分濾掉，然后再利用同相加法器將隔直后的信號抬升并放大。同相加法器電路由TI的運算放大器OPA227構(gòu)成，OPA227運算放大器兼具低噪聲、寬帶寬和高精度等特性，是同時需要交流和精密直流性能應(yīng)用的理想選擇。

隔直放大電路.png

由于題目要求輸入信號的頻率范圍為1kHz-100kHz，峰峰值電壓范圍為300mV-600mV, 故RC濾波器的截頻要小于1kHz，故電路圖中電容器件C29取1uF，電阻器件R43取10kΩ。

令R46=R45=R42=R,則同相加法器的輸出電壓為U0=(R41+R)/2R (U_1+U_2 ),其中U1為輸入信號電壓，U2為電阻分壓得到的輸入加法器的直流電壓,約為0.33V。該電路的放大倍數(shù)：Au=(R41+R)/2R=(7k+1k)/(2×1k)=4。放大后的信號滿足單片機(jī)電壓采樣范圍0~3.3V。

2.2 遲滯比較器電路

由于提高部分要求輸入信號的頻率范圍為1kHz~100kHz，在輸入信號的頻率未知情況下無法確定采樣率，故利用遲滯比較器將輸入的信號轉(zhuǎn)變成方波，得到基波頻率，進(jìn)而確定采樣頻率然后進(jìn)行后續(xù)處理。

遲滯比較器電路是使用TI的比較器LM339構(gòu)成的，LM339比較器可在寬電壓范圍內(nèi)由單電源供電，漏極電流不受電源電壓的影響。遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器,在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入正反饋網(wǎng)絡(luò)，就組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器。

遲滯比較器電路.png

電路如圖所示，R3與R4分壓得到參考電壓Vr=1.35V，R2與R1的比例及Vr決定了高低電平閾值電壓，令R2/R1=10，得到高電平閾值電壓約為1.5V，低電平閾值電壓約為1.2V，滿足輸入信號的轉(zhuǎn)換方波的閾值電平要求。

作品裝配

如圖，紅框部分是遲滯比較器部分，黃框部分是正負(fù)電源和地，藍(lán)框部分是串口部分，左邊藍(lán)框接串口屏，右邊藍(lán)框接藍(lán)牙。模塊位置是考慮了所連接單片機(jī)引腳的位置，按照就近原則放置。裝配的順序是先焊好遲滯比較器電路和輸入部分電路，然后焊接放置單片機(jī)的排母，最后引出串口排針。

作品裝配.png

程序設(shè)計

設(shè)備上電后開始執(zhí)行程序，分別ADC采樣和計數(shù)測量方波頻率獲取基頻，獲取被測信號時域數(shù)據(jù)和基頻后做FFT變換，得到相應(yīng)頻域數(shù)據(jù)，在基頻頻域幅值基礎(chǔ)上獲取諧波頻點頻域幅值從而計算失真度和歸一化幅值，將計算結(jié)果分別通過串口通信傳遞給串口屏和通過藍(lán)牙模塊傳遞給手機(jī)，顯示計算結(jié)果；不斷循環(huán)這一過程實時跟更新顯示數(shù)值。

軟件流程圖.png

手機(jī)APP部分利用WxBit圖形化編程系統(tǒng)制作了一個通過HC-05藍(lán)牙模塊接收數(shù)
據(jù)并實時顯示的APP。
藍(lán)牙模塊與串口屏分別使用SCIB與SCIC。

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