基于STM32的信号分析测量装置的设计_王睿庭.pdf

14 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学中的一种重要且非常有用的变换，它将信号在时域和频域都离散化了，非常适于对离散信号的分析与处理。但是直接计算DFT的计算量与变换区间长度N的平方成正比，当N增大时，导致计算量过大，影响计算机或MCU对数据的处理速度3。DFT快速算法即快速傅立叶变换（FFT）的出现，大大提高了离散傅立叶变换的运算速度，如基2FFT算法的运算量减少为(N/2)log2(N)。更重要的是，通过快速傅立叶变换可以将信号从时域变换到频域，进而进行频谱分析，这就是很多测量仪器采用FFT的原因。利用FFT可得到一个信号的频率、幅值及相位信息，亦可得到各次谐波分量的幅值、相位信息。假设采样频率为Fs，信号频率为F，采样点数为N。则FFT运算之后结果是N点的复数，每个点对应原来信号的一个频率点。若某点n用复数a+bi表示，那么这个复数的模为An=(a2+b2)1/2，相位就是Pn=atan2(b,a)，频率就是式（1）。Fn=(n-1)Fs/N （1）其中，N表示FFT要做的点数，n表示排序的点，Fs为采样频率。对于n=1点的信号，对应信号的直流分量，幅度为A1/N。2.2 失真度测量我们通常所说的失真度为总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD），信号的失真度定义0 引言信号分析在各个领域有着广泛的应用，例如频谱分析、失真度测量，而失真度测量更是衡量各种运放、功放及函数信号发生器等仪器的重要技术指标。快速傅立叶变换（FFT）可以将时域信号变换到频域来分析、处理，运算速度大大提高，是信号分析中最常用也是最重要的工具和手段。快速傅立叶变换（FFT）算法和芯片技术的发展为信号频域问题提供了一个很好的解决方法1,2。本文设计了一种基于STM32的信号分析测量装置，不仅能测量信号的频率、幅值及直流分量，还能进行频谱分析，测量信号的失真度。相比传统模拟测量技术，测量精度和速度大大提高。1 总体方案设计本系统由STM32单片机作为主控芯片，由衰减器、AGC电路、信号调理电路、液晶模块和蓝牙模块等组成，系统总体设计框图如图1所示。2 理论分析与计算 2.1 FFT算法离散傅立叶变换（DFT）是数字信号分析与处理作者简介：王睿庭，天水师范学院电子信息与电气工程学院，硕士；研究方向：单片机应用及数字系统设计。收稿日期：2022-08-23；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述一种以STM32单片机为核心的信号分析测量装置设计，能够分析测量信号的频率、幅度及直流分量，可测量信号各次谐波分量的幅值，计算信号的失真度，测量输入信号基波与谐波的归一化幅值。关键词：STM32，FFT，采样频率，失真度。中图分类号：TN912.3，TP368-1文章编号：1000-0755(2023)05-0014-02文献引用格式：王睿庭.基于STM32的信号分析测量装置的设计J.电子技术,2023,52(05):14-15.基于STM32的信号分析测量装置的设计王睿庭（天水师范学院 电子信息与电气工程学院，甘肃 741001）Abstract This paper describes the design of a signal analysis and measurement device based on STM32 single chip microcomputer,which can analyze the frequency,amplitude and DC component of the measured signal,measure the amplitude of each harmonic component of the signal,calculate the signal distortion,and measure the normalized amplitude of the fundamental wave and harmonic of the input signal.Index Terms STM32,FFT,sampling frequency,distortion.Design of Signal Analysis and Measurement Device Based on STM32WANG Ruiting(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Tianshui Normal University,Gansu 741001,China.)图1 系统总体设计框图电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 15Electronics 电子学为全部谐波能量之和与基波能量之比的平方根值，即式（2）。（2）式中，P为信号总能量，Pl为信号的基波能量。当负载为纯电阻负载时，信号的失真度也可用式（3）表示。（3）式中，u1为基波电压的有效值，u2,u3,un为各次谐波分量的有效值。本设计中为了方便设计，谐波只取到5次，即式（4）表示。（4）式中，THDo为失真度的标称值。3 硬件设计 3.1 衰减器因AGC电路输入信号的最大峰峰值电压为400 mVpp，而设计要求系统输入信号的最大峰峰值电压为600mVpp，故需要使用衰减器。衰减器采用HMC470宽带5位数字衰减器，衰减精度非常高，典型步长误差为0.3dB，可很方便地通过5位拨码开关来设置衰减倍数从031dB，此处设置衰减器衰减4dB后输入给后面的AGC电路。3.2 AGC电路AGC电路采用宽带、压控可变增益放大器VCA821，增益最大可达40dB，AGC为自动增益控制，可针对幅值不同的信号产生不同的放大倍数，从而实现固定幅值的输出。信号的输出幅度可通过电位器手动调节或外接DA来控制。本设计中，通过AGC电路能将电压范围从30600mVpp的信号放大到满足STM32片内ADC采集允许的范围。3.3 信号调理电路信号调理电路主要包括信号抬升电路及跟随器电路等，作用是将AGC电路输出的信号加入直流偏移以适合作为STM32的ADC输入电压范围（在0 3.3V之间），同时通过跟随器隔离前后级电路，保证测量的准确性。3.4 主控MCU主控MCU 选用目前流行的STM32单片机，STM32单片机采用意法半导体（ST）公司的增强型STM32F103系列，嵌入Cortex-M3内核，主频可达72 MHz，具有512kB的片上Flash存储器和64kB的SRAM存储器，内部包含2个12位的逐次逼近型A/D转换器，多达18个通道，转换时间接近1s。4 软件设计主程序流程图如图2所示。主程序总体设计思路是：系统上电后单片机首先对TIM1、ADC、DMA、蓝牙模块、液晶屏等外设进行初始化，再对待测信号以固定的采样率进行一次FFT运算，估算输入信号的基频，然后根据输入信号的频率对采样频率做出自适应调整，找到合适的采样频率，重新再做一次FFT，完成频谱分析及数据处理后将结果显示在4.3英寸液晶屏上，并通过蓝牙模块发送到手机进行显示。4.1 ADC采样根据奈奎斯特采样定理可知，采样频率要大于等于被测信号频率最大值的2倍。由于STM32芯片内部ADC的采样率最高为1MHz/s，所以待测信号的基频理论上最高可以达到100kHz，实际中，由于ADC的时钟频率设置为12MHz，完成一次AD转换至少需要14个时钟周期，故而ADC转换时间最小为1.17s，达不到1s，加之DMA搬运ADC数据也会占用系统带宽，待测信号的基频达不到100kHz。4.2 FFT运算FFT的分辨率为Fs/N，要减小误差可增大N，本设计用到的采样点数N固定为1 024，采样频率Fs越大分辨率就越低，误差就越大，因此在测量低频信号时应该降低采样频率，最低需大于输入信号5次谐波频率的两倍。本设计中根据输入信号的频率对采样频率做出自适应调整，找到合适的采样频率，输入信号的频率较低时采样频率也较低，这样可以提高测量精度，输入信号的频率增大时相应提高采样频率，以满足测量要求。5 结语本文设计的基于STM32的信号分析测量装置，可测信号峰峰值电压范围为40710mVpp、输入信号基频范围为100Hz60kHz，失真度测量误差绝对值3%，还能够分析测量信号的频率、幅度及直流分量，实现液晶屏和手机的同时显示。测试结果表明，本装置所测数据精度较高，基本达到了设计要求，可应用在音频信号的分析测量当中，具有很好的实用价值。参考文献1 李加升,熊洁,阳磊.基于FFT算法的电流信号检测装置设计J.湖南城市学院学报(自然科学版),2020,29(06):58-62.2 陈坚,盛庆华,毛礼建,翟依依.基于STM32的音频信号分析仪的设计与实现J.工业仪表与自动化装置,2016(03):19-21+34.3 陈哲,冯敏.基于FFT的相位差测量及其在STM32中的实现J.河北水利电力学院学报,2019(02):40-44+64.图2 主程序流程图