基于TMS320F2812便攜式動態(tài)信號分析儀

1 引言

動態(tài)信號分析儀在電子測量領(lǐng)域中稱為頻域中的“射頻萬用表”，可見其重要性和寬泛應(yīng)用。動態(tài)信號分析是將時域信號轉(zhuǎn)化為頻域進行處理，一般要求使用時窗技術(shù)，如快速傅氏變換(FFT）、離散傅氏變換(DFT)等。如果采樣點為N，直接DFT運算需要N2次乘法操作，需用大量運算時間。而FFT運算可將運算減少到（N/2)log2N次乘法，因此，F(xiàn)FT成為動態(tài)信號分析的核心算法。

這里提出一種基于TMS320F2812的便攜式動態(tài)信號分析儀設(shè)計方案，以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，利用數(shù)字信號處理器強大的數(shù)據(jù)處理能力分析所采集的信號，優(yōu)化動態(tài)信號的FFT算法．從而實現(xiàn)對各頻率成份和功率譜的計算分析以及失真度的測量，其分析結(jié)果在液晶顯示器(LCD)上顯示。

2 動態(tài)信號分析原理

動態(tài)信號分析方法有時域分析法、頻域分析法等。其中頻域法最適合動態(tài)信號分析FFT算法。該系統(tǒng)采用FFT算法．其本質(zhì)是DFT的快速算法。FFT算法是將長序列DFT根據(jù)其對稱性和周期性分解為短序列的DFT之和。N點的DFT先分解為2個N/2點的DFT，每個N／2點的DFT又分解為N／4點的DFT。最小變換的點數(shù)即所謂FFT的“基數(shù)”。因此，基數(shù)為2的DFT最小變換是2點DFT(或稱蝶形運算)。在基數(shù)為2的N點FFT中，設(shè)N=2，則總共可分成M級運算，每級中有(N／2)log2N個蝶算，則N點FFT總共有(N／2)log2N個蝶算，1個蝶算只需一個復(fù)數(shù)乘法對N點FFT需計算(N/2)log2N個復(fù)數(shù)乘法、(N／2)log2N個復(fù)數(shù)加法。一般來說，F(xiàn)FT比DFT運算量要小得多,N點的FFT需做(N／2)log2N次乘法運算，而N點DFT需要做／N2次乘法運算，由此看來N點DFT運算量大約是FFT的2N/log2N倍，分析動態(tài)信號頻率成份，首先以采樣頻率fs采樣N點(N=2M)，經(jīng)快速傅立葉變換得到其頻譜。

由譜分辨率F=fs／N，如果保持采樣點數(shù)N不變，提高其分辨率(F減小)，必須降低采樣頻率，采樣頻率的降低會引起譜分析范圍的減少。如果保持fs不變，為提高頻率分辨率，可增加采樣點數(shù)N，因為NT=Tp,T=fs-1，只有增加對信號的觀察時間Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的條件選擇。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

便攜式動態(tài)信號分析儀的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。被檢測輸入信號經(jīng)以運算放大器LM358為核心的調(diào)理電路后送至TMS320F2812 DSP內(nèi)部自帶的12位A／D轉(zhuǎn)換器采樣后，其數(shù)字輸出信號送至DSP內(nèi)核處理單元進行FFT處理。經(jīng)過DSP運算處理后，實現(xiàn)各分量頻率值和功率值的計算，信號失真度的計算和周期信號的檢測，其分析結(jié)果由屏幕式LCD顯示。鍵盤采用鍵盤查詢方式中斷處理，實現(xiàn)各種工作模式和顯示界面的切換。

3.1 調(diào)理電路

在設(shè)計調(diào)理電路時，由于要將被采樣信號的電壓幅度調(diào)理到A／D轉(zhuǎn)換器所能接收的范圍內(nèi)并濾除高頻噪聲信號，因此采用級聯(lián)方式。其中第一級選擇高精度集成運算放大器LM358組成電壓跟隨器，具有隔離作用；而第二級放大電路實現(xiàn)信號的比例放大和低通濾波，如圖2所示。圖2中運算放大器LM358構(gòu)成反向比例放大電路，Ui是經(jīng)第一級電壓跟隨器隔離后的電壓信號,R1、R3構(gòu)成反向比例電路，將輸入信號按比例縮小4.7倍，C3、R3構(gòu)成RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)，其電路截止頻率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz，符合設(shè)計要求(其信號頻率范圍0～10 000 Hz)。引腳7和引腳4分別接一只0.1μF的瓷片電容，用于濾除高頻。為了減少失調(diào)電流，引腳3接R2(其阻值約為R1和R3的并聯(lián)電阻)；輸出信號U0送至第三級加法電路。第三級加法電路可將信號升高0 V以上，滿足A／D轉(zhuǎn)換需求(該系統(tǒng)采用TMS320F2812內(nèi)部自帶A／D轉(zhuǎn)換器)。調(diào)理完成后送至DSP進行數(shù)字信號處理。

3.2 系統(tǒng)控制單元

系統(tǒng)控制單元采用32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812。該器件采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，主頻達150 MHz，使得指令周期縮短6.67 ns，從而提高控制器的實時控制能力。其高性能32位CPU，單周期32x32乘法累加運算操作特性，能夠完成64位的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)高精度的處理任務(wù)。高效的代碼轉(zhuǎn)換功能(支持C/C++和匯編)并與TMS320F24x／LF240x程序代碼兼容。片內(nèi)存儲器資源包括：片內(nèi)128 K×16位的Flash，128 K×16位ROM，18 K×16位的SARAM，1 Kxl6位一次可編程的存儲器OTP。片上Flash／ROM具有可編程加密特性，便于現(xiàn)場軟件升級。TMS320F2812帶有128位保護密碼，防止非法用戶通過JTAG仿真接口查看Flash/OTP/L0/L1的內(nèi)容，訪問外設(shè)和裝載某些不合法的軟件，保證相關(guān)數(shù)據(jù)的安全性。A/D轉(zhuǎn)換器有16個通道，可配置成2個獨立的8通道模塊，便于服務(wù)事件管理器A和事件管理器B。這2個獨立的8通道模塊可級聯(lián)成一個16通道的模塊。A／D轉(zhuǎn)換器雖具有豐富的輸入通道和2個排序器，但只有1個轉(zhuǎn)換器。2個8通道模塊自動排序轉(zhuǎn)換，通過多路開關(guān)選擇任意一個8通道模塊。在級聯(lián)模式下自動排序器作為一個16通道的排序器。每個排序器一旦轉(zhuǎn)換完成，就將所選擇通道的值存儲在各自的ADCRESULT寄存器中。自動排序允許對同一通道多次轉(zhuǎn)換，允許用戶使用過采樣算法，相對傳統(tǒng)單次采樣轉(zhuǎn)換，這將提高結(jié)果的精度。

為了獲得規(guī)定的A／D轉(zhuǎn)換器精度，須采用正確的線路板布局。為了獲得最佳效果，引腳ADCINxx要盡量遠離數(shù)字信號線，可最大程度地消除數(shù)字電路中開關(guān)噪聲與A／D轉(zhuǎn)換器輸入之間的耦合；同時，A／D模塊的電源引腳與數(shù)字電源之間需采用適當隔離。