周期信号波形识别及参数测量装置（J题）

   本作品使用波形整形电路、程控放大电路、采样保持电路和STC8A8K64D4单片机系统设计并制作了一个周期信号的波形识别及参数测量装置。波形整形电路将5mVpp-26Vpp的多种波形信号整为矩形波，并使用单片机定时/计数器采用等精度测频方案；程控放大电路将5mVpp-20Vpp的多种波形信号调整为0.2Vpp-4.5Vpp的信号，并使用采样保持芯片AD781采样保持后模数转换；采用低频直接采样和高频顺序等效采样的数据采集方式对被测信号进行波形采集和分析；采用归一化有效值、归一化差分（对应连续时域的微分）最大值、最小值、有效值等参数对信号进行波形识别。

   实测结果表明，本系统实现了10mVpp-20Vpp、1Hz-50kHz的范围内的正弦波、三角波和占空比范围为20%~80%的矩形波信号的频率、峰峰值、有效值、平均值、最大值和最小值测量，并增加绝对值正弦波、正矢波、高斯单脉冲波、阶梯波、梯形波等多种波形的识别与参数测量，实现了基本要求部分及发挥部分的全部指标，且部分指标远超题目要求。

关键词： 周期信号；归一化波形识别；等效采样；波形整形；等精度测测频；

 

一、 方案选择和论证

1.1  系统总体方案设计

为了完成基本部分要求和发挥部分要求的能够识别10mV≤Vpp≤20V、1Hz≤f≤50kHz范围内的正弦波、三角波和占空比范围为20%~80%的矩形波信号，以及波形识别要求。系统需要具有程控放大、波形整形、模数转换功能，程控放大将10mV至20VPP信号调整到适合大小，提高采样精度和防止截顶。波形整形电路将各种波形整形为矩形波进行频率测量。另外为更好实现等效采样，增加采样保持电路。系统电路课分为电压跟随器、程控放大器、偏置处理电路、采样保持电路、整形固定放大电路、小电压迟滞比较器、大电压迟滞比较器和占空比低通滤波测量电路。系统的总体设计方案框图如图1所示。被测信号的频率测量通过固定放大电路、小电压迟滞比较器和大电压迟滞比较器整形成脉冲波，再通过定时/计数器计进行测频，并将结果显示在彩屏上；被测信号通过电压跟随器、程控放大器和偏置处理电路进行信号调理后再通过AD采集到单片机进行分析与处理，获得被测信号的各项参数，辨别波形类型，将结果显示在彩屏上。

1.2  主要模块方案选择和论证

（1）波形整形方案

方案1：选用过零比较器，电路简单，容易实现，但抗干扰能力差。

方案2：选用小电压迟滞比较器，可以测量小信号，但抗干扰能力差。

方案3：选用大电压迟滞比较器，抗干扰能力强，但无法测量小信号。

方案4：选用固定放大电路结合小电压迟滞比较器和大电压迟滞比较器。小电压迟滞比较器可以测量小信号，大电压迟滞比较器可以将小电压迟滞比较器输出的小抖动消除，固定放大电路将被测信号放大，即使因为限幅出现截顶，也不影响频率的测量。

为满足系统对小信号测量要求，又具有较好的抗干扰能力，选用方案四来完成波形整形。

（2）程控放大电路方案

方案1：选用压控放大器件对信号进行程控放大。分辨率较高，但成本过高还需额外数模转换。

方案2：选用专用数字程控放大器件对信号进行程控放大。电路简单，控制简单，但成本过高。

方案3：选用模拟开关与运放结合的方式。此方式成本低，控制简单。

综上所述，考虑到实现难度，选用方案三。

（3）测频方案

方案1：通过测周期的方式测频率。此方法容易实现，但测量高频率信号时，精度不够。

方案2：通过测脉冲数的方式。此方法也较易实现，但测量低频信号时，精度不够。

方案3：等精度测频。此方案测量精度最高，但不容易实现。

综上所述，选用方案三，使用等精度测评方式兼顾低频和高频测量精度。

（4）波形识别方案

方案1：采用有效值识别的方法。占空比可调的方波会与正弦波等混淆，无法精确识别方波信号。

方案2：采用平均斜率识别的方法。由于频率和信号幅度都是可调的，采用平均斜率会导致波形识别混乱。

方案3：选用归一化差分数据+归一化有效值数据区分方式。由于被测信号幅度不一致，斜率无规律，采用归一化差分+归一化有效值方式，数据处理简单高效，可以适用于不同幅度、不同斜率多种波形的快速精确识别。

综上所述，选用方案三。

(5)占空比测量方案

   方案1，采用外部中断+定时/计数器测量高电平时间再除以周期，采用外部中断上下边沿

触发方式，测量高电平时间。该方案适合低频测量，高频时测量精度下降。

   方案2，采用低通滤波滤除矩形波除直流外分量，得到和占空比成比例的直流，再通过AD采集得到占空比信息。此方案需要设计一个比被测信号频率低的低通滤波器，题目要求需要测到1Hz，并且测量时间和信号周期有关，不适合测量低频。

方案3，采用低频外部中断+定时/计数器测量占空比，高频通过低通滤波，加AD采集占空比电压的测量方案，兼顾高频精度和低频测量时间。

综上所述，采用方案三，兼顾高频精度和低频测量时间。

（6）数据采集方案

方案一：采用直接采样的方法。此方法既能满足周期信号的采集要求，也能满足非周期信号的采集要求，但对AD采集速率要求高。

方案二：采用等效采样的方法。此方法测低频信号时所需时间过长，无法满足题目3s采集识别要求。

方案三：采用直接采样与等效采样结合的方式。低频段采用直接采样的方法，高频段采用等效采样的方法。

综上所述，选用方案三。

二、理论分析与计算

2.1 波形识别

被测信号均是周期信号，想要分辨各个波形，首先需要对波形进行归一化处理（幅值为1、角频率为1），然后在归一化数据下分析有效值、微分最大值、最小值、有效值等数据差异对波形进行分析。例如归一化正弦波表达式为：       

 

其归一化有效值为0.707，归一化正弦波求导:

 

归一化微分最大值为1、归一化微分最小值为-1，归一化有效值为0.707.

 

归一化方波信号：

 

其归一化有效值为1，归一化方波求导后：

另外，其微分在1/2T和T时候出现极大值和极小值，平均值为0。

归一化三角波信号为：

其归一化有效值为0.5，归一化三角波求导后为：

 

其归一化微分有效值为2。通过以上分析可知，不同波形的归一化有效值和归一化微分数据差别极大，可以通过相应数据区分。

2.2 测量性能分析与计算

   测量性能指标主要分电压和时间两大类，电压参数主要与ADC精度和程控放大倍数有关，时间参数主要与系统时钟有关。以电压采集范围0-5V、12位ADC位例，假如其有效位数位11位，其测量精度约为2mV，而题目最小测量电压为50mV，直接采集难以达到要求的1%精度（0.5mV）要求，故需进行程控放大。系统设计的程控放大倍数为32倍、最小为1/8（衰减），当输入50mV时放大为1.6V，其百分之一为16mV，可以超过要求的测量精度。

   STC8A8K64D4单片机主频为40MHz，等精度测频理论误差为1个系统脉冲，被测信号为50KHz时，一个周期有800个系统脉冲，故能达到系统要求的1%精度，1%精度理论最高可测到800KHz，占空比测量以此类推。

三、 电路与程序设计

3.1  电路设计

本系统的主要硬件电路主要包括程控放大电路、偏置调整与采样保持电路、测频固定放大、小电压迟滞比较器、大电压迟滞比较器、低通滤波占空比测量电路。

（1）程控放大电路

程控放大电路包含电压跟随、模拟开关和反相加法器电路。模拟开关采用ADG441、运放采用高速电压反馈放大器LM6171、LM6172。程控放大电路如图2所示。

 

 

（2）偏置调整与采样保持电路

偏置调整电路采用运算放大器LM6171实现，采样保持使用AD781，电路如图3所示

（3）固定放大与电压迟滞比较器

固定放大电路与小电压迟滞比较器共用一片LM6172实现。大迟滞电压比较器使用TL3016,电路原理图如如图4所示。

 

3.2  程序设计

系统采用单片机来实现信号分析与处理功能。单片机先测频，调整增益后再分析与计算，获得各项参数并识别波形，并将结果显示在彩屏上。系统程序框图如图5所示。

 

四、测试方案与测试结果及分析

4.1  测试方案

系统用函数信号发生器产生10mV≤Vpp≤20V、1Hz≤f≤50kHz范围的各种被测信号，然后使用测量装置进行测量，分别输入不同波形、频率幅度的信号。测试仪器见表1。测试仪器型号为信号源UTG6010B、示波器UTD7102C。

系统用函数信号发生器产生10mV≤Vpp≤20V、1Hz≤f≤50kHz范围的各种被测信号，然后使用测量装置进行测量，分别输入不同波形、频率幅度的信号。测试仪器见表1。测试仪器型号为信号源UTG6010B、示波器UTD7102C。

4.2  测试结果

 正弦波、三角波部分测试结果如表1所示，其它波形测试结果见附录。

4.3  测试结果分析

实测结果表明，本系统实现了10mVpp-20Vpp、1Hz-50kHz的范围内的正弦波、三角波和占空比范围为20%~80%的矩形波信号的频率、峰峰值、有效值、平均值、最大值和最小值测量，并增加绝对值正弦波、正矢波、高斯单脉冲波、阶梯波、梯形波等八种波形的识别与参数测量。实现了基本要求部分及发挥部分的全部指标，且部分指标远超题目要求。

参考文献

[1] 姜玉泉,李学平.波形信号识别与频率测量技术研究[J].单片机与嵌入式系统,2020,v.20;No.229(01):42-44.

[2]蔡教武,钟娟.一种基于等精度测频原理的频率计[J].电子测试,2007(11):74-76+48.

[3]赵伟. 基于等效采样的数字存储示波器的设计与实现[D].西安电子科技大学,2012.

 

附录