一种正弦信号参数测量方法及系统与流程

1.本发明涉及仪器仪表技术领域的信号测量技术，具体涉及一种正弦信号的参数测量方法及系统。


背景技术：

2.在仪器仪表、通信等领域，为了实现特定的目的，经常需要对正弦信号的幅值、有效值、周期、频率等参数进行测量。现有的正弦信号参数测量方法很多，最常用的测量手段是采用示波器进行测量，也可以采用真有效值转换器实现对正弦信号有效值的测量，用测周法或测频法实现对正弦信号周期和频率的测量。
3.现有的正弦信号参数测量方法各有不同的缺点，示波器测量法受其本身电路频带宽度或人为读数因素的限制，测量精度较低；而其他的测量方法要么只能测量有效值等幅度参数，要么只能测量频率或周期等时间参数，一种方法往往不能既测量幅度参数又测量时间参数，而且可测量的正弦信号频率较低。


技术实现要素：

4.为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种功能齐全、测量准确的正弦信号参数测量方法及系统。
5.本发明的正弦信号参数测量方法，其特别之处在于，包括以下步骤：a)选取一个双刀双掷型继电器j，静态时，继电器j的静触点b1、b2分别与公共端子c1、c2接通，将被测正弦信号u
s
从继电器的公共端子c1引入，继电器的公共端子c2连接到混频器的射频输入端rf；b)所述继电器的两个静触点b1、b2用导线短路，继电器的动触点a1连接到衰减器的输入端，衰减器的输出端连接到继电器的动触点a2；c)所述混频器的本振输入端lo连接到dds本振源的输出端，混频器的中频输出端经匹配电阻连到带通滤波器的输入端，带通滤波器输出的中频信号u
i
分成两路，一路连接到波形变换器的输入端，另一路输送到差分匹配网络；d)所述混频器rf端的被测信号频率f
s
、lo端的本振信号频率f
l
和带通滤波器输出的中频信号频率f
i
满足公式(1):
6.f
i
＝f
l－
f
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
7.e)所述波形变换器输出的方波信号u
p
接到stm32微控制器的一个可以配置为pwm输入捕获模式的gpio引脚；f)所述中频信号u
i
经过差分匹配网络后，输送到a/d转换器的模拟电压输入端，a/d转换器的数据输出端连接到fifo存储器的数据输入端，fifo存储器的数据输出端连接到stm32微控制器的i/o口；g)所述stm32微控制器通过时钟线控制a/d转换器的模数转换过程和转换数据实时输出；h)所述stm32微控制器通过时钟线、控制线和数据线与dds本振源相连，基于对被测信号频率f
s
的预估值，从键盘置入数值设定dds本振源的输出正弦波信号频率f
l
，使得依据公式(1)算出的f
i
＝455khz；i)所述stm32微控制器将与波形变换器输出u
p
相连的gpio引脚配置为pwm输入捕获模式，并测算出u
p
的方波信号频率f
ic
，f
ic
是公式(1)中f
i
的测量值；若f
ic
的数值偏离455khz超过10khz，则依据测算值，利用公式(1)
重新计算，并从键盘重新置入f
l
的频率值，使得f
ic
在445khz～465khz之间，再测量得到最终的方波信号频率f
ic
；j)所述stm32微控制器根据最终置入的f
l
值，依据公式(2)计算得到被测正弦信号的频率f
sc
：
8.f
sc
＝f
l－
f
ic
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
9.f
sc
的倒数就是被测正弦信号的周期t
sc
；k)所述stm32微控制器与fifo存储器数据输出端相连的i/o口配置成数据输入方式，依据带通滤波器输出的中频信号周期读取fifo的输出数据，判断并计算出所述a/d转换器输入正弦波的最大值u
mc
，利用公式得到有效值u
c
；l)选取已知频率为1mhz、最大值是1v的标准正弦波作为被测正弦信号u
s
，从键盘设定dds本振源的信号频率f
l
为0.545mhz，按照所述步骤a～k的方法，先分别测得该标准正弦波的周期、频率、最大值、有效值的初次测量值t
sb
、f
sb
、u
mb
、u
b
，再利用下述公式(3)～(6)分别得到各个参数的误差值δt、δf、δu
m
、δu：
10.δt＝t
sb
‑1×
10
‑6(s)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
11.δf＝f
sb
‑1×
106(hz)
ꢀꢀꢀ
(4)
12.δu
m
＝u
mb
‑
1(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
13.δu＝u
b
‑
0.7(0)7
ꢀꢀꢀ
(6)
14.m)根据步骤l得到的各个参数的误差值，所述stm32微控制器依据下述公式(7)～(10)对步骤j、k测得的各个参数进行修正：
15.t
s
＝t
sc
‑
δt(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
16.f
s
＝f
sc
‑
δf(hz)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
17.u
m
＝u
mc
‑
δu
m
(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
18.u＝u
c
‑
δu(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
19.得到准确的被测正弦信号周期t
s
、频率f
s
、最大值u
m
和有效值u，如果测得的正弦信号最大值u
m
不超过1v，则依据公式(9)、(10)所得的u
m
、u分别是被测正弦信号的最终电压最大值和有效值，stm32微控制器直接将测量结果送去显示器显示；n)如果步骤m中测得的正弦信号最大值u
m
超过1v，则所述stm32微控制器控制双刀双掷型继电器j动作，使继电器的动触点a1、a2分别与公共端子c1、c2接通，将衰减器串联进被测信号通路，再按步骤a～m的方法测得被测正弦波的最大值u
m
、有效值u，并按下述公式(11)、(12)重新计算：
[0020][0021][0022]
公式(11)中的db为衰减器的分贝数绝对值，公式(11)、(12)中的u
mn
、u
n
分别是被测正弦信号电压最大值和有效值的最终测量结果，stm32微控制器将u
mn
、u
n
的结果输出到显示器显示。
[0023]
本发明的正弦信号参数测量方法，其特征还在于：所述步骤k的详细过程是，stm32微控制器通过时钟线、控制线与fifo存储器相连，stm32微控制器与fifo存储器数据输出端相连的i/o口配置成数据输入方式，在pwm输入捕获通道检测到u
p
脉冲第一个上升沿时，stm32微控制器将fifo的读有效端置成低电平，开始读取fifo的输出数据；待stm32微
控制器的pwm输入捕获通道检测到u
p
脉冲第二个上升沿时，将读有效端置成高电平，停止读取fifo的输出数据，至此完成一个周期的a/d转换器输入正弦波幅度数据采集；从这些数据中找出最大数值即为该正弦波的最大值u
mc
，有效值u
c
为为保证测量精度，stm32微控制器读取对应n个周期a/d转换器输入正弦波的fifo输出数据，所述n取大于2的正整数，每个周期找出一个最大值，得到n个最大值，取该n个最大值的平均值作为最终的a/d转换器输入正弦波最大值u
mc
。u
p
脉冲两个相邻上升沿之间的时间间隔对应着a/d转换器输入正弦波的一个周期。
[0024]
波形变换器的作用是将正弦波转换成同频方波，方便stm32微控制器直接测量频率和周期。
[0025]
相应地，为了克服上述技术问题的缺点，本发明提供了一种实施方便、测量准确的正弦信号参数测量系统。
[0026]
正弦信号参数测量系统，包括：双刀双掷型继电器j，衰减器，混频器，dds本振源，波形变换器，带通滤波器，差分匹配网络，a/d转换器，fifo存储器，stm32微控制器，显示器，键盘；其特征在于：衰减器串接在继电器j的两个动触点a1、a2之间；被测正弦信号u
s
从继电器j的公共端子c1引入，从继电器j的公共端子c2连接到混频器的射频输入端rf；继电器j的两个静触点b1、b2用导线短路，混频器的本振输入端lo连接到dds本振源的输出端；继电器j静态时，被测正弦信号不经过衰减器，直接到达混频器的rf端，混频器的中频输出端经匹配电阻连到带通滤波器的输入端，带通滤波器输出的中频信号u
i
分成两路，一路连接到波形变换器的输入端，另一路输送到差分匹配网络；波形变换器的输出端u
p
连接到stm32微控制器的一个可以配置为pwm输入捕获模式的gpio引脚；中频信号u
i
经过差分匹配网络后，输送到a/d转换器的模拟电压输入端，a/d转换器的数据输出端连接到fifo存储器的数据输入端，fifo存储器的数据输出端连接到stm32微控制器的i/o口；stm32微控制器通过时钟线、控制线和数据线与dds本振源相连，从键盘置入数值设定dds本振源的输出正弦波信号频率；stm32微控制器通过时钟线控制a/d转换器的模数转换过程和转换数据实时输出；stm32微控制器将与波形变换器输出端u
p
相连的gpio引脚配置为pwm输入捕获模式，并测算出u
p
送来的方波信号频率，再计算得到被测正弦信号的频率和周期；stm32微控制器与fifo存储器数据输出端相连的i/o口配置成数据输入方式，依据带通滤波器输出中频信号周期读取fifo的输出数据，判断并计算出a/d转换器输入正弦波的最大值、有效值；然后对已知频率为1mhz、最大值是1v的标准正弦波进行测量，得到正弦波频率、周期、电压最大值、电压有效值等参数的测量误差值，由stm32微控制器根据各个参数的测量误差值进行误差修正，得到被测正弦信号的频率、周期、电压最大值、电压有效值等准确参数，并将测算的结果输出到显示器显示；若继电器j静态时测得的正弦波电压最大值超过1v，则stm32微控制器控制继电器j动作，将衰减器串联入信号通路，重新测量、计算得到被测正弦信号的电压最大值和有效值。
[0027]
经过混频，将频率范围很宽的被测正弦信号变成频率单一的中频信号，并且中频选为455khz，频率较低，使得后续频率测量和幅度测量电路简单、可靠，而且测量精度高，尤其可以使用低速的a/d转换器来进行幅度处理，价格低廉，成本大大降低。
[0028]
带通滤波器的输出经过差分匹配网络后，将单端信号变成双端差分信号，这样有
助于减小共模干扰，使得输入到a/d转换器的模拟电压非常纯净，从而使转换精度大大提高。
[0029]
混频器增益、带通滤波器的插入损耗以及差分匹配网络的损耗，这三者对正弦波幅度测量的影响，都已经折合到了公式(5)、(6)中的电压最大值误差δu
m
和有效值误差δu之中。
[0030]
本发明的有益效果是：提出一种新型的正弦信号参数测量方法，利用dds本振源的频率精细调节，将频率范围很宽的正弦信号经过混频后变成频率单一的中频信号，借助于高分辨率a/d转换器和fifo存储器，使得对正弦波信号幅度测量更加精确、方便；同时利用波形变换器将正弦信号变成方波信号，使得频率测量更方便，测量精度更高。
附图说明
[0031]
图1为本发明的系统原理框图；图2为本发明的混频器与带通滤波器；图3为本发明的dds本振源电路；图4是本发明的差分匹配网络、a/d转换器与fifo存储器电路；图5为本发明的波形变换器电路；图6是本发明的继电器控制电路。
[0032]
图4中：1差分匹配网络，2fifo存储器。
具体实施方式
[0033]
结合附图，本发明的正弦信号参数测量方法，按照以下步骤进行：
[0034]
a)选取一个型号为na5w
‑
k的双刀双掷型继电器j，静态时，j的静触点b1、b2分别与其公共端子c1、c2接通；将被测正弦信号u
s
从j的公共端子c1引入，j的公共端子c2连接到混频器ad831的射频输入端rf，将被测正弦信号从ad831的rf端引入混频器。
[0035]
b)将j的两个静触点b1、b2用导线短路，j的动触点a1连接到衰减器的输入端，衰减器的输出端连接到j的动触点a2。
[0036]
c)混频器ad831的本振输入端lo连接到dds本振源的输出端，使本振信号u
l
输入到混频器的lo端；混频器的中频输出端经匹配电阻连到带通滤波器的输入端，带通滤波器输出的中频信号u
i
分成两路，一路连接到波形变换器的输入端，另一路输送到差分匹配网络(1)。
[0037]
d)本发明选择混频方案，混频器rf端的被测信号频率f
s
、lo端的本振信号频率f
l
和带通滤波器输出的中频信号f
i
满足前述公式(1)。
[0038]
e)选择微控制器stm32f103zet6(以下都简称stm32)，将波形变换器的输出端u
p
接到stm32的gpio引脚pa1，并将pa1引脚配置为pwm输入捕获模式。
[0039]
f)带通滤波器输出的中频信号u
i
经过差分匹配网络(1)后，送到a/d转换器ad9649的模拟电压输入端，ad9649的14位数据输出端连接到fifo存储器(2)74v245的低14位数据输入端，74v245的数据输出端低14位连接到stm32的14根i/o口线。74v245的高4位数据输入端直接接地。
[0040]
g)stm32通过pa8输出时钟，控制ad9649的模数转换过程和转换数据实时输出。
[0041]
h)以ad9102为主构成dds本振源，stm32通过时钟线、控制线和数据线与ad9102的串口相连，基于对被测信号频率f
s
的预估值，从键盘置入数值设定dds本振源的输出正弦波信号频率f
l
，使得依据公式(1)算出的f
i
＝455khz。
[0042]
i)stm32将pa1引脚配置为pwm输入捕获模式，从而测算出u
p
送来的方波信号频率f
ic
，f
ic
即是公式(1)中f
i
的测量值；若f
ic
的数值偏离455khz超过10khz，则依据测算值，利用公式(1)重新计算，并从键盘重新置入f
l
的频率值，使得f
ic
在445khz～465khz之间，再测量得到最终的方波信号频率f
ic
。
[0043]
j)stm32根据最终置入的f
l
值，依据公式(2)计算得到被测正弦信号的频率f
sc
；f
sc
的倒数就是被测正弦信号的周期t
sc
。
[0044]
k)stm32与fifo存储器(2)74v245数据输出端相连的14根i/o口线配置成数据输入方式，依据带通滤波器输出中频信号周期读取74v245的输出数据，判断并计算出ad9649输入正弦波的最大值u
mc
，利用公式得到有效值u
c
。
[0045]
在步骤k中，stm32读取74v245输出数据的过程是，在pa1引脚检测到u
p
脉冲第一个上升沿时，stm32将74v245的读有效端置成低电平，开始读取74v245的输出数据；待pa1引脚检测到u
p
脉冲第二个上升沿时，stm32将74v245的端置成高电平，停止读取数据，至此完成一个周期的ad9649输入正弦波幅度数据采集；从这些数据中找出最大数值即为该正弦波的最大值u
mc
，有效值u
c
为
[0046]
为保证测量精度，对应于ad9649的输入正弦波，stm32读取n个周期的74v245输出数据，n取大于2的正整数。每个周期找出一个最大值，得到n个最大值，取该n个最大值的平均值作为最终的ad9649输入正弦波最大值u
mc
。
[0047]
l)选取已知频率为1mhz、最大值是1v的标准正弦波作为被测正弦信号u
s
，从键盘设定dds本振源的信号频率f
l
为0.545mhz，按照前述步骤a～k的方法，先分别测得该标准正弦波的周期、频率、最大值、有效值的初次测量值t
sb
、f
sb
、u
mb
、u
b
，再利用公式(3)～(6)分别得到各个参数的误差值δt、δf、δu
m
、δu。
[0048]
m)根据步骤l得到的各个参数的误差值，由stm32依据公式(7)～(10)对步骤j、k测得的各个参数进行修正，得到准确的被测正弦信号周期t
s
、频率f
s
、最大值u
m
和有效值u。如果测得的正弦信号最大值u
m
不超过1v，则stm32直接将测量结果送去显示器显示。
[0049]
n)如果步骤m中测得的正弦信号最大值u
m
超过1v，为防止ad831和ad9649过载，stm32需要控制继电器j动作，使j的动触点a1、a2分别与公共端子c1、c2接通，将衰减器串联进被测信号通路，以减小输入到混频器ad831的rf信号幅度。再按步骤a～m的方法测得被测正弦波的最大值u
m
、有效值u，并按公式(11)、(12)重新计算，得到被测正弦信号电压最大值和有效值的最终测量结果，stm32将u
mn
、u
n
的结果输出到显示器显示。
[0050]
如附图所示，给出了本发明的正弦信号参数测量系统，其包括：双刀双掷型继电器j，衰减器，混频器，dds本振源，波形变换器，带通滤波器，差分匹配网络(1)，a/d转换器，fifo存储器(2)，stm32微控制器，显示器，键盘以及必要的电源。
[0051]
如附图5所示，波形变换器以高速比较器max978及外围阻容元件构成，该电路结构设计巧妙、简单，比较器同相输入端和反相输入端所接阻容元件参数一致。但由于比较器同相端外接电阻、电容并联，而反相端外接电阻、电容串联，反相端输入电压取自电容和地线之间，这样经过并联的电阻、电容后进入同相端的信号相位总是超前反相端的信号相位。该电路能对微弱的正弦电压进行波形变换，即使系统初测时dds本振源频率设置偏差较大，混
频器输出中频频率偏离455khz较远，导致带通滤波器输出的中频电压u
i
很小，也能保证波形变换电路输出正常幅度的方波信号u
p
。避免了因为本振频率设置偏差较大导致没有稳定的u
p
脉冲供stm32进行测频的情况发生。
[0052]
如附图1所示，衰减器串接在继电器j的两个动触点a1、a2之间；被测正弦信号u
s
从继电器j的公共端子c1引入，从继电器j的公共端子c2连接到混频器的射频输入端rf；而继电器j的两个静触点b1、b2用导线短路。这样，在继电器j静态时，由于j的两个公共端子c1、c2分别与两个静触点b1、b2相连，使得被测正弦信号u
s
不经过衰减器，直接送到混频器射频输入端，与混频器本振端lo的信号进行混频。
[0053]
只有当继电器j静态，stm32测得的被测正弦波电压最大值超过1v时，stm32才控制继电器j动作，将衰减器串联入被测信号通路，使输入到混频器rf端的信号幅度减小，以保证混频器不过载，满足线性工作要求。同时使得输入到ad9649的模拟电压幅度在正常转换范围内。这种措施对于减小非线性失真引起的测量误差是非常有效的。
[0054]
本实施例中，混频器选用有源混频器ad831，ad831内部带有放大器，混频增益大于1，可以部分抵消带通滤波器的插入损耗。如附图2所示的混频器的增益为：
[0055][0056]
附图2所示的电阻rt为带通滤波器输入、输出阻抗匹配电阻，为满足带通滤波器的滤波特性，rt应与实际带通滤波器的输入、输出阻抗相一致。带通滤波器选用中心频率为455khz的陶瓷滤波器，6db带宽为20khz。
[0057]
附图4所示，fifo存储器(2)74v225数据位数是18位，存储深度是4096，为与a/d转换器ad9649数据位数一致，选用低14位d0～d13，而高四位没有画出，实际使用时将d14～d17数据输入端全部接地。
[0058]
stm32f103zet6选用外部高稳定度的8mhz晶振，将主时钟频率配置为72mhz，并将pa8引脚配置为moc端，作为时钟输出，moc时钟频率设置为外部时钟源hse的8mhz，给ad9649提供转换时钟，同时也是dds本振源的工作时钟和fifo存储器(2)的读写时钟。
[0059]
a/d转换器ad9649内部提供电压基准，在stm32提供的moc时钟控制下实时完成模数转换，并通过并行数据接口将转换结果送往fifo存储器(2)74v245。
[0060]
实施例中，stm32的gpioa.1即pa1引脚配置成pwm输入捕获功能，作为定时器tim5的第2通道，上升沿捕获，选择输入触发源为ti5fp2，将tim5的第1通道设置为从机，从机复位。假设输入脉冲u
p
从低电平开始跳变，在第一个上升沿到来时，第1、2通道同时检测到上升沿。因第1通道设置为复位模式，所以将tim5的计数值复位至0，此时不会产生中断。下一个到来的电平边沿是下降沿，此时第1通道发生捕获事件，将当前计数值存入第1通道的捕获/比较寄存器ccr1里，该计数值可用于计算脉冲宽度。在输入脉冲的第二个上升沿到来时，第2通道发生捕获事件，当前的计数值存入第2通道的捕获/比较寄存器ccr2里；同时产生中断，进入中断程序。在中断程序中，读取ccr2的计数值，为保证测量精度，用浮点数进行运算，得到u
p
脉冲信号的频率，并将tim5计数值复位至0，一次完整的捕获过程完成。u
p
脉冲信号的频率测量值f
ic
如公式14所示：
[0061]
[0062]
然后，根据dds置入的f
l
频率数值，利用公式(2)算出被测正弦信号的首测频率值f
sc
。再利用前述步骤(l)、(m)中测量的误差修正值，根据公式(3)、(4)、(7)、(8)，算出被测正弦信号的精确频率值和周期值。
[0063]
因为stm32的计数器为16位，一个周期最多计数65535个脉冲，所以stm32输入捕获通道直接可测的最小频率＝主时钟频率/65535，即stm32最小可测频率为：
[0064][0065]
本实施例中，因为采用混频方案，送到stm32输入捕获通道的脉冲信号频率是系统中频信号频率455khz，选用12.6db衰减器时，实际可以测量频率范围10hz～49.545mhz、有效值为10mv～3v的正弦波信号的频率、周期、电压有效值、最大值等参数，测量精度很高。