## 前言 此次电赛历经波折，最终能在11月如期举办，通过与队友们4天3夜的共同努力，我们成功完成了A题的所有指标。完成的作品主要由信号前级处理部分、单片机部分以及输入输出部分组成。信号前级处理通过AGC将信号放大到一固定的幅度，然后通过加法器对其加上偏置，单片机通过ADC采样进行FFT并计算THD。此系统可以显示信号波形及频率幅值等信息。此系统还带有移动端显示、语音播报、屏幕拓展等功能。经过最终的调试，本系统已实现题目的基本要求和发挥部分的所有功能，部分指标高于题目要求，并具有多种实用的附加功能。 - - - ## 团队介绍 成员全部来自大连理工大学电子信息与电气工程学部电子信息工程专业2018级学生。其中队长子梁大佬 是技术主力，主要负责设计、攻关，编程能力无人能及。澳哥 是实践主力，主要负责电路设计搭建等硬件电路相关的设计。瑞瑞   是预备役，主要负责协助两人完成任务。 - - - ## 项目分析 根据[比赛题目](https://res.nuedc-training.com.cn/topic/2021/topic_31.html),本题为核心为制作《信号失真度测量装置》.基本要求为在输入信号的峰峰值300mV~600mV，基频1kHz，信号失真度范围5% ~ 50%。要求测量并显示THDx值，且且THD测量误差绝对值≤5%，测量与显示用时不超过10秒。 发挥部分要求输入信号范围扩大至30mV~600mV，基频1kHz-100kHz，需要测量并显示谐波的归一化幅值，输入信号的一个周期波形，以及THDx值，且THDx误差不超过3%，另外还需要在手机上显示测量装置测得的输入信号THDx 值、一个周期波形、基波与谐波的归一化幅值。 通过分析题目可以看出，输入信号需要经过放大限幅和偏置才可以由单片机采集，单片机处理后将计算得到的数据发送和显示。另外还需要考虑到单片机的片上ADC性能，以及单片机的浮点运算能力，所以综合考虑，我们最终选用MSP432作为主控单元，主频高达120MHz，拥有最大2Msps、12bit的ADC，满足了题目对单片机性能的要求，下图为系统的整体框图。 ![Snipaste_2021-12-09_14-08-22.png] 主体功能有： 1. 快速失真度测量，测量时间小于100ms(1KHz输入)或8s（2Hz输入） 2. 测量数值显示，包括信号频率、幅度、单周期波形、频谱 3. 测量范围宽，电压范围30mV～6V，频率范围2Hz～190kHz 4. 手机远程显示与便携式副屏 - - - ## 原理图电路分析 ### 自动增益控制电路原理图 ![image.png] 通过调节电位器RP1，即可调节AGC最终的输出，该模块需要与后级偏置电路联调，以输出带有偏置的较大幅度的待测信号，可以供ADC直接采集测量。 ### 加法器与跟随器电路图 ![image.png] 加法器用于给信号加偏置，便于ADC进行采集，跟随器用于对AGC反馈电压进行采集时的隔离，防止测量AGC反馈电压时对AGC模块的影响。 ### MSP432E401Y拓展底板原理图 ![image.png] 该底板用于拓展TI官方的MSP432E401Y的开发板，引出按键、串口、ADC以及部分GPIO以供使用。 - - - ## PCB设计分析 基于原理图绘制的信号前端处理的AGC模块，左侧为输入信号SMA座，信号线布线时尽量不要弯折。 ![image.png] 加法器跟随器PCB,用于给信号加偏置，便于ADC进行采集，跟随器用于对AGC反馈电压进行采集时的隔离，防止测量AGC反馈电压时对AGC模块的影响。 ![image.png] 该底板用于拓展TI官方的MSP432E401Y的开发板，引出按键、串口、ADC以及部分GPIO以供使用。如果自己腐蚀制版可以屏蔽不必要的过孔,提高制板成功率. ![image.png]
- - - ## 实物展示 ![image.png] - - - ## 作品装配 连接电源与输入信号的SMA信号线至信号发生器接口即可开始测量,当需要手机显示以及拓展屏幕显示时,打开设备或应用会自动连接并显示测量的数据与波形. - - - ## 程序设计 ### 程序功能描述 可以实现输入信号在1khz-100khz，幅值30mv-600mv条件下的信号失真度测量，测量结果误差不超过3%。并可以在测量装置的液晶屏上显示输入波形的THD值、谐波的归一化幅值、频谱图以及波形图。液晶屏上显示的结果也可以通过测量装置的蓝牙传输至手机上的APP进行同步显示。 ### 程序设计思路 以测量按键按下作为开始测量的起始信号，首先ADC1以最高采样率2MSps测量信号，通过计数过零次数估计输入信号的频率，并根据信号频率下调采样率，逐次或跳跃下降到500kSps、125kSps、31.25kSps、12.5kSps、5kSps、625Sps、200Sps中最适宜的采样频率。获得长度为1024的样本后，进行加窗操作以改善频谱泄露，再运行FFT算法计算输入信号的频谱，并读取出各谐波的幅值，用以计算THD与各谐波的归一化幅值。之后通过ADC1获得AGC的反馈电压，通过指数函数拟合推算增益值，并计算出输入信号的真实幅值。最后顺序执行THD显示、输入信号波形图和频谱图的LCD显示、语音播报、蓝牙传输的程序。 ### 程序流程图 ![image.png] - - - ## 总结 通过此次电赛,每名队友都得到了锻炼与成长,从最开始暑假前开始备赛画板子,正负电源模块和转接板,stm32H743拓展板,AGC,无源滤波器,陷波器,各种模块能想到的都准备了遍,之后的每人练习一道往年的电赛题练手,在这个过程中我们也进步了很多,学到了许多经验.每名队友的技术也得到了精进.