一、系统方案

设计制作信号失真度测量装置，对来自函数/任意波形发生器的周期信号（以下简称为输入信号）进行采集分析，测量并显示输入信号的总谐波失真 THD（以下简称为失真度）。

根据题目要求，需要使用TI的板卡作为主控制器，并实现AD采集的功能。同时输入信号频率范围为1K-100K，为保证FFT的准确性与快速性，需要清楚被测信号的大致频率，因此需要对输入频率进行测量。同时信号幅值范围为50-300mV，偏置为0，不符合单片机AD采样范围，需要预先对信号进行调理。此外，需要显示电路，将测量数值结果与波形显示出来。

因此可将本系统分为单片机控制模块、频率测量模块、信号处理模块、显示模块四部分，下面分别论证这几个模块的方案选择。

1、主控制器件MCU模块的论证与选择

方案一：使用MSP430G2553作为主控制器。MSP430是一款低功耗，精简指令集的单片机。但其以低功耗控制为主，并不适合高速数据采集。内部ADC仅有最高200kbps采样率。

方案二：使用MSP432P401R作为主控制器。MSP432P是基于ARM Cortex-M4F内核的低功耗MC。可使用库函数进行开发，代码编写便捷。其内核提供了一定的DSP与FPU计算能力，便于进行FFT变换。且其内部ADC采样可达最高1Mbps。  

方案三：使用C2000作为主控制器。C2000是一款专为实时控制而设计的芯片，具有较低的延迟时间。ADC采样速率可达4Mbps以上。但其开发与程序设计相对复杂，组员开发经验不足，临时上手较为困难。

综上比较以上方案，选择方案二。

2、测量频率模块的选择与论证

方案一：采用TLV3501比较器模块，可以对信号进行过零比较，也可调整比较电压。但是问题在于当谐波失真较大时，信号在一个周期内抖动较大，会导致一个周期内多次穿越比较阈值电压的问题，导致频率测定不准确。

方案二：采用滞回比较器，滞回比较器的优势在于其存在两个比较电压，可以有效防止信号的抖动，从而输出频率准确的方波信号，便于单片机测量。但是为保证比较质量，输出的方波为正负电压，单片机不可直接进行ADC采集。

方案三：滞回比较器和过零比较器配合使用，将方案一和方案二结合，将滞回比较器的输出信号作为TLV3501模块的输入，该模块的输出为0-3.3V TTL电平，可以被单片机直接采集。

综上所述，前置信号处理模块采用方案三。

3、信号调理模块

方案一：在（2）中提到的对滞回比较器的输出做过零比较，输出TTL电平。用作测频部分的电压抬升。

方案二：电压加法器，运用集成运算放大器构成加法器，把输入信号抬升至大于0的电压范围，用于信号采集通路。

方案三：仪表放大器，使用INA128完成抬升与放大。由于预先未准备小电压的基准电压芯片，故无法很好的实现抬升，暂不考虑。

综上所述，以方案二为主，方案一为辅，分别用在两个功能通路，通过电子开关实现切换。

4、显示模块

方案一：采用TFT屏幕，该屏幕常用于stm32等单片机开发板上，但需占用管脚较多且需要FSMC支持，本项目选用的MSP432P401R相关资料较少，且可用引脚较少，故排除。

方案二：采用串口显示屏，该屏幕使用串口进行通信，管脚占用少，资料较多，但经实验，MSP432P401R在使用串口传输浮点型数据时会出现较为严重的错误，串口屏显示结果问题较大，故排除。

方案三：采用SSD1306的oled，该屏幕使用率高，有较多的资料与参考例程。可使用IIC协议进行通信，占用较少引脚，。MSP432P401R中便具有预设的硬件IIC引脚，可用于与此屏幕通信。该屏幕虽小但足以显示数值结果与波形信息。

综上所述，采用方案三。

二、电路与程序设计 1、程序的设计 （1）程序功能描述与设计思路

程序功能描述如图1所示，系统通过DMA使用AD快速采样，调用内置DSP进行FFT变换。根据FFT结果计算出THD与归一化幅值，并进行OLED显示。

图 1 程序流程图

三、测试方案与测试结果 1、理论分析

（1）信号失真度测量

测量信号失真度时，通过信号发生器“谐波发生”功能输出指定的周期信号。经过信号调理电路，在不改变信号频率的前提下对整体幅值进行放大与抬升。根据失真度定义：

得出信号失真度与归一化幅值与信号幅值无关，与谐波幅度比值有关，故放大不影响失真度测量与归一化幅值测量。

随后送入单片机AD中进行高速采样。根据奈奎斯特采样定理，AD采样频率应至少为信号最高频率（在该题中为五次谐波频率）的两倍，才能不失真的还原原信号。

（2）快速傅里叶变换

FFT为DFT的改进算法，通过蝶形运算可以用更小的时间复杂度进行傅里叶变换，本次采用msp432中arm核自带DSP核的基二的FFT算法对1024点采集结果进行变换。从而得出信号的频谱。对频谱的峰值进行寻找和计算从而得出每次谐幅值。

2、测试方案

（1）硬件测试

通过实验室测试条件与仪器，对硬件进行实际测试。检查实际硬件电路与系统原理图完全相同，保障硬件电路无虚焊。

（2）软件仿真测试

通过虚拟仿真软件进行软件仿真测试，保障硬件电路的实际功能。

（3）硬件软件联调

最后进行硬件软件联调，调整好硬件电路之间的级联关系，调整好各级输入输出状态。

3、测试条件与仪器

测试条件：经过多次检查，虚拟仿真电路与实际硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：任意波信号发生器(1MHz)：RIGOL DG832、RIGOL DG2041A；直流稳压电源：RIGOL DP832A；数字示波器(100MHz，双通道)：RIGOL DS6064；万用表：RIGOL DM3062；频谱分析仪(1GHz) ：RIGOL DSA875；超低失真测量仪：KH4116A3、测试结果及分析。

（1）测试结果(数据)

（2）测试分析与结论

根据以上测试数据分析，本系统完成了基本要求与发挥部分的部分要求：

能够测量并显示输入信号的失真度测量误差绝对值 。注：该输入信号峰峰值电压范围300mV~600mV，基频1kHz，失真度范围5% ~ 50%。能够满足失真度测量与显示用时不超过10秒，能够显示输入信号基波与谐波的归一化幅值（只显示到 5 次谐波），能够显示输入信号波形。

五、参考文献

[1]胡仁杰, 堵国, 黄慧春. 全国大学生电子设计竞赛作品设计报告选编:2015年江苏赛区[M]. 东南大学出版社, 2016.

[2]华成英, 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社, 2006.

[3]张延华, 刘鹏宇. 信号与系统[M]. 机械工业出版社, 2012.