摘要：本信号失真度测量装置以TI公司的MSP430F5529为主要控制部件。利用DG822函数信号发生器的谐波发生功能模拟的谐波失真信号作为输入信号。输入信号在单片机片内ADC采样前由放大模块处理，放大模块中通过继电器切换开关控制适当的增益。对输入信号采样后，使用过零法确定输入信号的周期大小，并将数据交由数据显示模块画出图像；使用FFT确定信号各次谐波幅值大小，进而计算出失真度。最后，将数据通过Wi-Fi模块进行端到端传输，在微信小程序上实现失真度测量值等数据的显示和输入信号一个周期波形的绘制。
关键词:信号失真度测量; 过零法;FFT;物联网
一、方案设计与论证
1.主控方案选择
方案一：基于Arm的微控制器系列产品，如TM4C123GH6PM。配置为256KB闪存、32KB SRAM、64个引脚、12位ADC、系统时钟频率80MHz。
方案二：MSP430微控制器产品，如MSP430F5529。配置为128KB闪存、8KB SRAM、63个引脚、系统时钟频率25MHz、12位ADC。
方案三：C2000实时微控制器系列产品，如TMS320F28004x MCU。配置为100-200MIPS、CPU+协处理器。
在上述方案中分析，MSP430F系列价格更便宜，用在实验中性价比更高。故选择方案二，使用TI公司的MSP430F5529。
2.采样信号调理电路方案选择
方案一：不处理直接进行ADC采样。此方案虽然操作上方便简单，但是小信号的电压幅值与ADC的参考电压相差过大，会造成采样精度降低，采样结果不准确。
方案二：固定增益放大后进行ADC采样。该方法对大信号的采样更加准确，但是对小信号的采样则误差较大。且对于幅值相差较大的信号，由于受到电路电压上限的限制，幅值大的信号的放大倍数会限制幅值小的信号的放大。导致放大的小信号与ADC的参考电仍然有较大差值，导致小信号的采样精度低，采样结果不准确。
方案三：可选增益的多级放大后进行ADC采样。由输入轨到轨的运算放大器对采样信号进行缓冲放大，调节至合适的放大倍数，且放大倍数选择灵活可控，使得采样信号能达到ADC的参考电压，采样精度更高，使获得的采样数据都更加准确，且系统简单，增益稳定。
综上分析，使用可选增益的多级放大电路对信号进行多级放大后再用ADC进行取样的方法，放大幅度调控上更加灵活，获得的采样数据也更加准确，增益稳定性与精度也更高，也使得输入信号的幅度更容易达到适合ADC输入端幅度的大小。所以选择方案三。
3.显示方案选择
方案一：LCD显示。LCD价格较高，开发周期相对长，开发使用的上手难度也相对较高。
方案二：串口屏显示。串口屏价格便宜，开发周期短，开发相对简单。
综上方案分析，选择串口屏作为显示方案，性价比更高，开发上更加方便简单。故选择方案二。
4.系统总体分析
信号发生模块的调谐功能模拟的谐调失真信号作为系统的输入信号，输入信号的幅度经过采样信号调理模块后达到适合ADC输入端的幅度大小，后通过MSP430F5529控制板，由片内ADC进行信号的采集和MCU进行信号的处理，之后两路输出相同的信号显示，一路信号通过串口显示输出，另一路通过Wi-Fi模块在手机上显示输出。系统框图如图一所示。
[图1] 系统框图
二、理论分析计算与硬件设计
1．运算放大器的选择
在选择运算放大器的时候需要考虑压摆率SR和增益带宽积GBW两个重要评价指标。
压摆率反应一个运算放大器在速度方面的指标。增益放大器衡量放大器的性能的一个参数。MCP6022运放的压摆率为7V/us，工作速度足够满足要求。
MSP430F5529的ADC模块的参考电压为VREF=2.5V，由题目要求知输入信号的最小幅度Vinmin=30mV,设最大放大倍数为Avmax，则
设最大增益为Kmax，则
设当输入信号基波为最大频率为100kHz时，五次谐波的频率为fmax,则fmax=5x100kHz=500kHz
设增益带宽积的最小值为GBWmin，则GBWmin=Kmaxfmax=19.205MHz
所以如果采用一个运放实现放大，运放的增益带宽积至少为19.205MHz。MCP6022的增益带宽积为10MHz，故可以采取多运放多级放大的方法，使所需的远远小于10MHz，以提高系统的高频特性，实现小信号经过放大模块后的电压达到ADC参考电压要求。
2．反相放大器
反相放大只存在差模信号，抗干扰能力更强，故选择反相放大器。反相放大器原理图如下图所示。
[图2] 反相放大器原理图
A为输入端，输入信号Vin，B为输入端，输出信号为Vout。在反相器的同向端和反相端电压相同，且流过电阻R1和电阻R2的电流相同，设置运算放大器同向端的参考电压V0=2.5V，根据电压电流关系列出公式：
设反相放大器的放大倍数为Av，所以放大倍数的表示为：
设反相放大器的增益为K，增益(dB)的表示为：
图中R1=2R2，即实现了输入信号的两倍反相放大，增益为6.02dB
同理，我们可以根据调节R1与R2的比值来获得我们想要的放大倍数和增益，即实现可调增益的反相放大器。
3.可调增益的放大模块
可调增益的放大模块由两个可调增益的反相放大器和三个固定的反相放大器组成。实现原理如图所示。
[图3] 可调增益的放大模块原理图
单片机可以根据信号峰峰值所在的区间选择合适的增益。输入信号经过两级可调增益的反相放大器后，峰峰值区间与放大倍数β的关系如下图所示。
[图4] 峰峰值区间与放大倍数β的关系
三、软件设计
输入信号经过ADC采样后，通过FFT算法将信号转到频域上，然后通过峰值检测法获得各次谐波峰值，一方面将所获得的峰值数据进行归一化获得输出基波与各次谐波的归一化幅值，另一方面将所获得的峰值数据进行计算获得THDx的值。输入信号进行ADC采样后，获得离散信号，在时域上用过零法获得输入信号的周期T，从而可以输出一个周期的波形图像。下图为程序设计图。
[图5]程序设计图
1.过零法
从第一个零点出现的时间到第三个零点出现的时间之间的时间差为一个周期。两个零点之间的时间差的两倍为一个周期。对于基础部分，则可以直接知道输入信号的频率，从而直接知道周期。
2.基波与谐波的系数求解算法（峰值检测法）
输入N个点FFT的结果，然后取前N/2个结果，将这N/2个结果进行互相比较，获得这个N/2结果的最大值,设X[i]为这个最大值，取(i-1,i+1)的区间作为第一区间，然后根据各次谐波频率与基波频率之间的倍数关系，分别在(i-1,i+1)的倍数区间上寻找各个区间的峰值作为各次谐波的系数，倍数从2到5。峰值检测法程序流程图如图6所示。
[图6] 程序设计图
总体流程：
总的来说，信号检测流程可以分为按键触发、A\D转换、FFT运算、失真度计算以及显示信号传输五个阶段，详细流程见下图。
[图7] 详细流程图
四、测试方案与测试结果
1.测试仪器
RIGOL DG822 双通道 25MHz 函数信号发生器。
Analog Discovery 2：100MSPS USB示波器、及可变电源。
2.测试方案与结果（表格和图形式）
（1）测试方案：在DG822函数信号发生器中预存一系列谐波信号，然后将信号依次输入到MSP430F5529中，进行信号的采集和处理，获得信号的周期，失真度测量值和基波与各次谐波的归一化幅值。
（2）测试结果如上页图8所示。
由上述测试结果可知，在给定的测试条件下，测量的信号失真误差值均小于5%，满足基本要求。
[图8] 实验结果图
五、结论和心得
在信号失真度测量采用近似方式的前提下，通过MSP430F5529能够实现对谐波次数为五的输入信号的分析，并通过计算获得失真度的测量值，然后与失真度标称值比较获得失真度误差的绝对值。并且通过对输入信号的分析，我们可以获的基波与各次谐波的系数，从而算出基波与各次谐波的归一化幅值。但是由于MSP430F5529的ADC采用频率最大为200KHz，限制输入信号的频率的最大值。所以实验中更高频次的输入信号，没有进行进一步的采样和分析。信号失真度测量在通信领域应用广泛，信号失真度可以作为衡量一个产品品质高低的指标，为通信领域中产品品质的衡量提供了一个很有效的方法。
六、附录
北京林业大学
MDYi深圳大学