周期信號波形識別及參數測量裝置的設計與實現

摘? 要：文章所設計測量裝置采用的控制系統是STM32F103C8T6 32位單片機，各種波形經過零比較和放大電路處理后，由控制系統的ADC模塊采集波形數據，通過各種算法的運算，用OLED屏將波形顯示出來。該測量裝置能夠識別出給定信號的波形類型（包括正弦波、三角波、矩形波），能夠測量信號的參數（包括峰峰值、頻率、周期、占空比等），還能夠識別50 mV～10 V電壓以及1 Hz～50 kHz頻率范圍內的正弦波、三角波和矩形波。

關鍵詞：STM32F103C8T6;放大電路處理;過零比較

中圖分類號：TP368.1? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0039-06

Design and Implementation of Periodic Signal Waveform Recognition and Parameter Measurement Device

LI Xiaoqin

（Intelligent Electronics Development and Technology Service Center， Ningbo Polytechnic， Ningbo? 315800， China）

Abstract： The control system of the measuring device designed in this paper is STM32F103C8T6 32-bit single-chip microcomputer. After various waveforms are processed by zero crossing comparison and amplification circuit， the ADC module of the control system collects waveform data， and displays the waveform with OLED screen through the operation of various algorithms. The measuring device can identify the waveform type of a given signal （including sine wave， triangular wave and rectangular wave）， measure the parameters of the signal （including peak-to-peak value， frequency， period， duty ratio， etc.）， and can also identify sine wave， triangular wave and rectangular wave in the voltage range of 50 MV～10 V and in the frequency range of 1 Hz～50 kHz.

Keywords： STM32F103C8T6; amplification circuit processing; zero crossing comparison

0? 引? 言

2021年全國大學生電子設計競賽J題要求設計一臺周期信號波形識別裝置，能夠識別出給定信號的波形類型以及測量信號的參數。題目分為基本要求和發揮拓展兩個部分，基本要求為：（1）能夠識別1 V≤VPP≤5 V、100 Hz≤f≤10 kHz范圍內的正弦波、三角波和矩形波信號并顯示類型。（2）能夠測量并顯示信號的頻率f，相對誤差的絕對值不大于1%。（3）能夠測量并顯示信號的峰峰值VPP，相對誤差的絕對值不大于1%。（4）能夠測量并顯示矩形波信號的占空比D，D的范圍為20%～80%，絕對誤差的絕對值不大于2%。發揮拓展部分對這四點提出了更高的要求，測量波形的峰峰值和頻率范圍更大，反應速度要更快，測量的波形和參數的種類增加。

1? 系統方案選擇

方案1：采用FPGA和單片機作為整個系統的核心控制部分，運用硬件描述語言Verilog HDL對FPGA進行程序設計。將信號直接輸入FPGA主控板進行A/D轉化得到數字信號，將所得到的數字信號輸入單片機進行數據分析，最后將經過分析的波形和數據顯示到液晶屏上。該方案處理速度快，測量精度高，但總體成本偏高，設計難度偏大。

方案2：選用高速單片機和高速A/D轉換電路進行波形分析。先用單片機控制高速A/D轉換電路對信號進行數字化處理，然后由單片機對信號進行分析，選擇合適的放大倍數放大信號，使其到達最佳測量幅值范圍以獲得最佳測量精度，該方案成本低，測量精度也可達到設計要求，在圖形顯示及人機交互方面更加靈活。

綜合考慮，本項目設計方案采用方案2。

2? 總體設計方案

本系統以STM32嵌入式系統為核心，電源板將AC220V轉換成DC±7 V和DC3.3 V，分別為過零比較電路、信號處理器和STM32系統板供電。MCU采集信號發生器輸入的信號時，在測量范圍內可以直接通過OLED顯示各測量參數，在測量范圍外則需要通過過零比較電路和信號處理電路，將信號調整到測量范圍內，在MCU程序的控制下，在OLED顯示屏上顯示出各種波形類型以及波形的參數（包括峰峰值、頻率、占空比等參數），總體架構如圖1所示。

3? 理論分析與計算

為準確測量輸入的波形和各參數，需要對波形的識別原理和各參數的測量進行理論分析和計算。6AA563F2-6AFC-4CE1-B8DC-5DA37F64F04B

3.1? 波形識別原理

如何識別各種波形類型，本系統通過程序編程的方法區分波形類型，如圖2所示。通過采集一個周期內9個點的相位幅值來判斷是什么波形，即測量（0、To、To、To、To、To、To、To、To）。

下面列出四種波形的識別條件：

（1）方波的識別條件。一個周期內幅值只有兩個值，前半個周期采集的幅值為Ua，后半個周期采集的幅值為-Ua。

（2）三角波的識別條件。一個周期內，相位為0、?To、To的幅值為0，To、To的幅值為? Ua，?To的幅值為Ua，?To的幅值為-Ua，To、To的幅值為-? Ua。

（3）正弦波的識別條件。一個周期內，相位為0、?To、To的幅值為0，To、To的幅值為0.707 Ua，?To的幅值為0，To、To的幅值為0.707 Ua，?To的幅值為Ua，?To的幅值為-Ua，To、To的幅值為Ua，?To的幅值為-Ua，To、To的幅值為-0.707 Ua。

（4）鋸齒波的識別條件。一個周期內，相位為0、To的幅值為0，?To的幅值是Ua或-Ua。

3.2? 波形識別原理

根據周期信號波形的特點，一定時間內其波形是重復的，因此可以通過測量N個周期的時間T來求出一個周期。即。

頻率是周期的倒數，即。

3.3? 峰峰值的測量

峰峰值是最大值減去最小值的差，所測量的信號過小時，MCU很難準確測量出其峰峰值，因此需要對信號進行放大處理，再經過電平調整電路，將波形調整到正值，這樣才能使MCU準確測量出峰峰值。

如圖3所示，小信號的幅值為Ua，峰峰值為2Ua，小信號經過放大后的幅值則為Au · Ua，峰峰值為2Au · Ua，經過電平轉換后的峰峰值為Ub。處理后的幅值與輸入波形之間的關系為：Ub=2Au · Ua。

輸入波形的峰峰值與處理后的峰峰值之間的關系為：2Ua=Ub÷Au。

3.4? 峰峰值的測量

根據占空比的算法，占空比，只要測出高電平脈寬T1和周期T，就可以求出占空比，如圖3所示。

4? 硬件電路設計

4.1? 總體設計電路圖

根據設計框圖，設計了如圖4所示的電路圖，分別是信號處理電路、過零比較電路、電源供給電路、MCU核心電路。

4.2? 過零比較電路

過零比較器采用一般比較器電路，將信號與零電位進行比較，找出邊沿值，測量出每一個周期值，如圖5所示。

4.3? 信號處理電路

如圖6所示，信號處理電路由CD4051單8通道數字控制模擬電子開關和TL072運算放大電路組成，通過程序對CD4051不同通道的控制，從而可以輸出不同放大倍數的電壓。根據同相比例運算放大電路的公式可以得到：

輸入電壓較小時，通過通道選擇TL072反向輸入端2號腳輸入的電阻RW越小，放大倍數越大。

輸入電壓較大時，通過通道選擇TL072反向輸入端2號腳輸入的電阻RW越大，放大倍數越小。通過信號處理電路使得所有測量值都在信號處理的范圍內，便于信號提取和參數測量。

5? 程序設計

軟件包括主函數和若干個中斷函數，其中主函數完成STM32內部功能單元的初始化（ADC、OLED、定時器等），中斷函數實現外部初始化。

程序首先檢測波形，如果有波形輸入，經過邊沿處理和放大電路處理后，用程序捕獲它的上升沿。如果捕獲到上升沿，則開啟AD采集器對波形進行采集，根據各種算法的運算，判斷波形以及測量波形的參數，如圖7所示。

6? 功能測試

6.1? 測試結果

在信號處理電路中可以看出，我們在CD4051中接了8個電位器，其實就是將輸入進去的電壓010 V分成了8段，每一段都可以設值一個合適的放大倍數。如表1所示，我們把電壓以1.25的倍數分成8段計算，在每段中輸入每段范圍的電壓就可以讓Uo輸出0～3.3 V的電壓，這樣就可以讓輸入進去的電壓都能給單片機提供信號，通過單片機控制CD4051的地址端，用它來自動檢測輸入的電壓，最后在對應的范圍內輸出Uo，測試數據如表2所示。

6.2? 測試結果分析

由測試表可知，每種波形都能夠準確地判斷出來，周期、頻率以及占空比還是比較準確的，其測試值和輸入值沒有任何誤差，幅值和峰峰值的測試值與輸入值之間存在一定的誤差，但能達到競賽題目的基本要求。尤其是在測試小信號時，測出的峰峰值不是很精確，誤差比較大，分析原因是在設計信號處理電路中放大倍數調得不太好，導致測出的數據不準確，后期我們會設計高頻信號電路，可通過多周期檢測來提高峰峰值的測量精度。

7? 結? 論

本設計的周期信號波形識別及參數測量電路，經過電路調試和測試，能實現正弦波、三角波、方波以及各種信號參數的數據獲取與顯示，能達到競賽的基本要求，對于小信號波形的峰峰值測量，還需要不斷地完善和優化，力求設計出性能更加優良的電路以實現精準測量。

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作者簡介：李小琴（1983—），女，漢族，浙江溫嶺人，副教授，本科，研究方向：智能電子產品的設計與制作。6AA563F2-6AFC-4CE1-B8DC-5DA37F64F04B