一种基于MSP432的信号失真度测量装置

卢缘钦，卢 奕，蒋 铭

（南京信息工程大学电子与信息工程学院 江苏 南京 210044）

0 引言

总谐波失真（THD）是信号评价分析的一个重要指标。信号失真主要是由于放大器和调理电路的非线性导致信号传输过程中产生各次谐波分量造成的。如何准确、方便地测量信号失真度一直是研究信号传输技术的一个热点。失真度测试仪是一种用于测量信号失真度的仪器，在电子产品的生产和检测中有着广泛应用[1-2]。无论采取何种方式测量信号失真度，信号的采样都有频率和幅度范围的限制，因此在对信号进行调理时又会不可避免地产生各次谐波分量[3-4]，导致失真度测量的误差。所以，如何尽可能地扩大信号检测的频率和幅度范围[5-6]，又保证测量的精度[7]，是现在主要的研究方向。

针对上述问题，本文以MSP432E401Y为主控芯片，通过自主设计的硬件电路调理信号，配合软件层面的自适应检测算法和优化FFT算法，可实现对信号失真度的宽范围、高精度的检测，同时通过Wi-Fi模块和串口屏实现了多样的人机交互[8-9]。

1 主要硬件电路设计

1.1 AD603程控放大器

AD603程控放大器采用两个AD603和一个OPA690对信号进行放大，放大倍数通过DA输入电压并经LM358处理后输入第二级AD603进行控制，通过程控算法设计，在输入信号为30～600 mVpp时，可使程控放大器稳定输出1.2 Vpp的信号，见图1。

1.2 DAC电路

DAC电路的级联顺序为TLC5615、SGM8292，通过TLC5615与单片机之间的SPI协议，传输一个10位的控制字，随后通过TLC5615可以线性输出一个相同精度的电压，再经过SGM8292处理后，输出量程范围之内的直流电压，从而可实现对程控放大器的DA控制。其具体的原理图见图2。

1.3 加法电路

运放正相输入端接入放大后的信号，反向输入端接入经电阻分压后的直流量。通过OPA842运放，对上级程控放大输入的信号进行抬升，使信号电压最小值也为正，可被单片机ADC正确采样。芯片OPA842增益带宽积为200 MHz，其性能完美适合对于小信号（30 mV）和高频信号（≥500 KHz）的处理。加法电路模块原理图见图3。

2 系统软件设计分析

本文采用MSP432E401Y控制调理电路调节信号幅度，使其峰值相对稳定。在信号处理上，单片机内部首先进行一次FFT，计算输入信号的基频，然后通过自适应算法[10-12]，找到较为适合此信号的采样频率。改变采样频率并采集数据后，在数据集上叠加窗口函数，重新计算一次FFT，在变换后的数据集中搜索基波与谐波的幅值，计算归一化谐波以及THD，最后发送到手机APP和串口屏上显示。其系统框图见图4。

3 装置整体方案设计

本文设计的电路首先将信号输入AD603与OPA842级联的调理放大电路，进行程控放大并引入直流分量，然后接入单片机MSP432E401Y的ADC端口进行采样以及数据处理，计算出谐波的归一化幅值和失真度，最后将得到的数据传输到屏幕并通过Wi-Fi模块ESP32传输到手机APP上进行显示。其中程控放大器VGA603由MSP432E401Y控制TLC5615，电源由一个AC-DC电源降压稳压模块产生+5 V与-5 V稳压电源给电路供电。整体方案设计见图5。

3.1 主控MCU

采用MSP432E401Y，该MCU芯片的ADC采样频率最高为2M，采样精度为12位，且为32位的MCU。

3.2 信号调理电路

选择让主控模块通过SPI通信协议控制DAC模块TLC5615，进而控制程控放大器AD603，信号源经过AD603放大后再输入后级的加法电路OPA842，加法电路另一输入端引入1.65 V的直流分量，通过单片机算法[13-14]计算得到调理后的信号幅值，并通过程控使输出电压的峰值稳定在2 V左右。本方案可以尽可能地放大微小信号，提高单片机ADC采样的精度，同时避免较大信号超出单片机ADC采样量程，尽可能拓宽信号检测的幅度范围。

3.3 结果显示方案的设计

本方案采用串口屏+Wi-Fi设计。Wi-Fi模块采用ESP32，与蓝牙模块不同的是，Wi-Fi传输速率更快，同时安卓APP的开发也较为简单。串口屏的开发难度较低，界面制作精美，所以显示部分采用串口屏。

4 失真度测量原理

当放大器输入为正弦信号时，放大器的非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，即出现谐波失真，通常用“总谐波失真 （THD）”[15-16]定量分析放大器的非线性失真程度。

一般失真度测量装置采用近似的方式，测量和分析输入信号谐波成分时，限定只处理到5次谐波。定义

基波与谐波的归一化幅值也做如下说明：当输入信号的基波幅值为Um1，各次谐波幅值分别为Um2、Um3，基波与谐波的归一化幅值为：1、（Um2/Um1）、（Um3/Um1）…。

5 实验测试验证

将上述电路连接好，MSP432烧入程序，完成的装置见图6。

下面利用RIGOL DS2102A 100M数字示波器、RIGOL DG4102 100 M 信号发生器和AC/DC稳压电源搭建测试环境，在此测试设备条件下，对本设计的装置进行测量信号幅频范围、测量结果精度的实验测试。

经实际测试，在输入测试信号满足频率范围80 Hz～113 kHz，幅度范围20～750 mV时，检测结果误差＜1%。设计的测量装置部分测试结果见表1～表4。

表1 输入基波为1 kHz峰值300 mV的信号

表2 输入基波为1 kHz峰值600 mV的信号

表3 输入基波为77.9 kHz峰值600 mV的信号

表4 输入基波为100 kHz峰值300 mV的信号

串口显示屏与手机APP显示分别见图7、图8。

6 结语

针对目前信号失真度测量装置如何尽可能扩大信号检测的频率和幅度范围，又保证测量精度的问题，本文以MSP432E401Y为主控芯片，通过SPI通信协议控制DAC模块TLC5615，进而控制程控放大器AD603对信号进行调理，配合自主开发的自适应检测算法和优化FFT算法，可实现对信号失真度的宽范围、高精度的检测，同时通过Wi-Fi模块和串口屏实现了多样的人机交互。经实际测试验证，本装置可测量信号频率范围80 Hz～113 kHz，幅度范围20～750 mV，检测结果误差＜1%。