盧緣欽，盧 奕，蔣 銘

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210044）

0 引言

總諧波失真（THD）是信號(hào)評(píng)價(jià)分析的一個(gè)重要指標(biāo)。信號(hào)失真主要是由于放大器和調(diào)理電路的非線性導(dǎo)致信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生各次諧波分量造成的。如何準(zhǔn)確、方便地測(cè)量信號(hào)失真度一直是研究信號(hào)傳輸技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)。失真度測(cè)試儀是一種用于測(cè)量信號(hào)失真度的儀器，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測(cè)中有著廣泛應(yīng)用[1-2]。無(wú)論采取何種方式測(cè)量信號(hào)失真度，信號(hào)的采樣都有頻率和幅度范圍的限制，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理時(shí)又會(huì)不可避免地產(chǎn)生各次諧波分量[3-4]，導(dǎo)致失真度測(cè)量的誤差。所以，如何盡可能地?cái)U(kuò)大信號(hào)檢測(cè)的頻率和幅度范圍[5-6]，又保證測(cè)量的精度[7]，是現(xiàn)在主要的研究方向。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以MSP432E401Y為主控芯片，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的硬件電路調(diào)理信號(hào)，配合軟件層面的自適應(yīng)檢測(cè)算法和優(yōu)化FFT算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)失真度的寬范圍、高精度的檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)Wi-Fi模塊和串口屏實(shí)現(xiàn)了多樣的人機(jī)交互[8-9]。

1 主要硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 AD603程控放大器

AD603程控放大器采用兩個(gè)AD603和一個(gè)OPA690對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)通過(guò)DA輸入電壓并經(jīng)LM358處理后輸入第二級(jí)AD603進(jìn)行控制，通過(guò)程控算法設(shè)計(jì)，在輸入信號(hào)為30～600 mVpp時(shí)，可使程控放大器穩(wěn)定輸出1.2 Vpp的信號(hào)，見(jiàn)圖1。

1.2 DAC電路

DAC電路的級(jí)聯(lián)順序?yàn)門(mén)LC5615、SGM8292，通過(guò)TLC5615與單片機(jī)之間的SPI協(xié)議，傳輸一個(gè)10位的控制字，隨后通過(guò)TLC5615可以線性輸出一個(gè)相同精度的電壓，再經(jīng)過(guò)SGM8292處理后，輸出量程范圍之內(nèi)的直流電壓，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)程控放大器的DA控制。其具體的原理圖見(jiàn)圖2。

1.3 加法電路

運(yùn)放正相輸入端接入放大后的信號(hào)，反向輸入端接入經(jīng)電阻分壓后的直流量。通過(guò)OPA842運(yùn)放，對(duì)上級(jí)程控放大輸入的信號(hào)進(jìn)行抬升，使信號(hào)電壓最小值也為正，可被單片機(jī)ADC正確采樣。芯片OPA842增益帶寬積為200 MHz，其性能完美適合對(duì)于小信號(hào)（30 mV）和高頻信號(hào)（≥500 KHz）的處理。加法電路模塊原理圖見(jiàn)圖3。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

本文采用MSP432E401Y控制調(diào)理電路調(diào)節(jié)信號(hào)幅度，使其峰值相對(duì)穩(wěn)定。在信號(hào)處理上，單片機(jī)內(nèi)部首先進(jìn)行一次FFT，計(jì)算輸入信號(hào)的基頻，然后通過(guò)自適應(yīng)算法[10-12]，找到較為適合此信號(hào)的采樣頻率。改變采樣頻率并采集數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)集上疊加窗口函數(shù)，重新計(jì)算一次FFT，在變換后的數(shù)據(jù)集中搜索基波與諧波的幅值，計(jì)算歸一化諧波以及THD，最后發(fā)送到手機(jī)APP和串口屏上顯示。其系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。

3 裝置整體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電路首先將信號(hào)輸入AD603與OPA842級(jí)聯(lián)的調(diào)理放大電路，進(jìn)行程控放大并引入直流分量，然后接入單片機(jī)MSP432E401Y的ADC端口進(jìn)行采樣以及數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出諧波的歸一化幅值和失真度，最后將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡聊徊⑼ㄟ^(guò)Wi-Fi模塊ESP32傳輸?shù)绞謾C(jī)APP上進(jìn)行顯示。其中程控放大器VGA603由MSP432E401Y控制TLC5615，電源由一個(gè)AC-DC電源降壓穩(wěn)壓模塊產(chǎn)生+5 V與-5 V穩(wěn)壓電源給電路供電。整體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

3.1 主控MCU

采用MSP432E401Y，該MCU芯片的ADC采樣頻率最高為2M，采樣精度為12位，且為32位的MCU。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

選擇讓主控模塊通過(guò)SPI通信協(xié)議控制DAC模塊TLC5615，進(jìn)而控制程控放大器AD603，信號(hào)源經(jīng)過(guò)AD603放大后再輸入后級(jí)的加法電路OPA842，加法電路另一輸入端引入1.65 V的直流分量，通過(guò)單片機(jī)算法[13-14]計(jì)算得到調(diào)理后的信號(hào)幅值，并通過(guò)程控使輸出電壓的峰值穩(wěn)定在2 V左右。本方案可以盡可能地放大微小信號(hào)，提高單片機(jī)ADC采樣的精度，同時(shí)避免較大信號(hào)超出單片機(jī)ADC采樣量程，盡可能拓寬信號(hào)檢測(cè)的幅度范圍。

3.3 結(jié)果顯示方案的設(shè)計(jì)

本方案采用串口屏+Wi-Fi設(shè)計(jì)。Wi-Fi模塊采用ESP32，與藍(lán)牙模塊不同的是，Wi-Fi傳輸速率更快，同時(shí)安卓APP的開(kāi)發(fā)也較為簡(jiǎn)單。串口屏的開(kāi)發(fā)難度較低，界面制作精美，所以顯示部分采用串口屏。

4 失真度測(cè)量原理

當(dāng)放大器輸入為正弦信號(hào)時(shí)，放大器的非線性失真表現(xiàn)為輸出信號(hào)中出現(xiàn)諧波分量，即出現(xiàn)諧波失真，通常用“總諧波失真 （THD）”[15-16]定量分析放大器的非線性失真程度。

一般失真度測(cè)量裝置采用近似的方式，測(cè)量和分析輸入信號(hào)諧波成分時(shí)，限定只處理到5次諧波。定義

基波與諧波的歸一化幅值也做如下說(shuō)明：當(dāng)輸入信號(hào)的基波幅值為Um1，各次諧波幅值分別為Um2、Um3，基波與諧波的歸一化幅值為：1、（Um2/Um1）、（Um3/Um1）…。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

將上述電路連接好，MSP432燒入程序，完成的裝置見(jiàn)圖6。

下面利用RIGOL DS2102A 100M數(shù)字示波器、RIGOL DG4102 100 M 信號(hào)發(fā)生器和AC/DC穩(wěn)壓電源搭建測(cè)試環(huán)境，在此測(cè)試設(shè)備條件下，對(duì)本設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行測(cè)量信號(hào)幅頻范圍、測(cè)量結(jié)果精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，在輸入測(cè)試信號(hào)滿足頻率范圍80 Hz～113 kHz，幅度范圍20～750 mV時(shí)，檢測(cè)結(jié)果誤差＜1%。設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1～表4。

表1 輸入基波為1 kHz峰值300 mV的信號(hào)

表2 輸入基波為1 kHz峰值600 mV的信號(hào)

表3 輸入基波為77.9 kHz峰值600 mV的信號(hào)

表4 輸入基波為100 kHz峰值300 mV的信號(hào)

串口顯示屏與手機(jī)APP顯示分別見(jiàn)圖7、圖8。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前信號(hào)失真度測(cè)量裝置如何盡可能擴(kuò)大信號(hào)檢測(cè)的頻率和幅度范圍，又保證測(cè)量精度的問(wèn)題，本文以MSP432E401Y為主控芯片，通過(guò)SPI通信協(xié)議控制DAC模塊TLC5615，進(jìn)而控制程控放大器AD603對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，配合自主開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)檢測(cè)算法和優(yōu)化FFT算法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)失真度的寬范圍、高精度的檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)Wi-Fi模塊和串口屏實(shí)現(xiàn)了多樣的人機(jī)交互。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，本裝置可測(cè)量信號(hào)頻率范圍80 Hz～113 kHz，幅度范圍20～750 mV，檢測(cè)結(jié)果誤差＜1%。