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TMS320F2812便携式动态信号分析仪设计方案
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2017-11-02
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1 引言
动态信号分析仪在电子测量领域中称为频域中的“射频万用表”，可见其重要性和宽泛应用。动态信号分析是将时域信号转化为频域进行处理，一般要求使用时窗技术，如快速傅氏变换（FFT）、离散傅氏变换（DFT）等。如果采样点为N，直接DFT运算需要N2次乘法操作，需用大量运算时间。而FFT运算可将运算减少到（N/2）log2N次乘法，因此，FFT成为动态信号分析的核心算法。
这里提出一种基于TMS320F2812的便携式动态信号分析仪设计方案，以数字信号处理为基础，利用数字信号处理器强大的数据处理能力分析所采集的信号，优化动态信号的FFT算法．从而实现对各频率成份和功率谱的计算分析以及失真度的测量，其分析结果在液晶显示器（LCD）上显示。
2 动态信号分析原理
动态信号分析方法有时域分析法、频域分析法等。其中频域法最适合动态信号分析FFT算法。该系统采用FFT算法．其本质是DFT的快速算法。FFT算法是将长序列DFT根据其对称性和周期性分解为短序列的DFT之和。N点的DFT先分解为2个N/2点的DFT，每个N／2点的DFT又分解为N／4点的DFT。最小变换的点数即所谓FFT的“基数”。因此，基数为2的DFT最小变换是2点DFT（或称蝶形运算）。在基数为2的N点FFT中，设N=2，则总共可分成M级运算，每级中有（N／2）log2N个蝶算，则N点FFT总共有（N／2）log2N个蝶算，1个蝶算只需一个复数乘法对N点FFT需计算（N/2）log2N个复数乘法、（N／2）log2N个复数加法。一般来说，FFT比DFT运算量要小得多，N点的FFT需做（N／2）log2N次乘法运算，而N点DFT需要做／N2次乘法运算，由此看来N点DFT运算量大约是FFT的2N/log2N倍，分析动态信号频率成份，首先以采样频率fs采样N点（N=2M），经快速傅立叶变换得到其频谱。
由谱分辨率F=fs／N，如果保持采样点数N不变，提高其分辨率（F减小），必须降低采样频率，采样频率的降低会引起谱分析范围的减少。如果保持fs不变，为提高频率分辨率，可增加采样点数N，因为NT=Tp，T=fs-1，只有增加对信号的观察时间Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的条件选择。
3 系统硬件电路设计
便携式动态信号分析仪的硬件结构图如图1所示。被检测输入信号经以运算放大器LM358为核心的调理电路后送至TMS320F2812 DSP内部自带的12位A／D转换器采样后，其数字输出信号送至DSP内核处理单元进行FFT处理。经过DSP运算处理后，实现各分量频率值和功率值的计算，信号失真度的计算和周期信号的检测，其分析结果由屏幕式LCD显示。键盘采用键盘查询方式中断处理，实现各种工作模式和显示界面的切换。
3.1 调理电路
在设计调理电路时，由于要将被采样信号的电压幅度调理到A／D转换器所能接收的范围内并滤除高频噪声信号，因此采用级联方式。其中第一级选择高精度集成运算放大器LM358组成电压跟随器，具有隔离作用；而第二级放大电路实现信号的比例放大和低通滤波，如图2所示。图2中运算放大器LM358构成反向比例放大电路，Ui是经第一级电压跟随器隔离后的电压信号，R1、R3构成反向比例电路，将输入信号按比例缩小4.7倍，C3、R3构成RC低通滤波网络，其电路截止频率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz，符合设计要求（其信号频率范围0～10 000 Hz）。引脚7和引脚4分别接一只0.1μF的瓷片电容，用于滤除高频。为了减少失调电流，引脚3接R2（其阻值约为R1和R3的并联电阻）；输出信号U0送至第三级加法电路。第三级加法电路可将信号升高0 V以上，满足A／D转换需求（该系统采用TMS320F2812内部自带A／D转换器）。调理完成后送至DSP进行数字信号处理。
动态信号分析仪在电子测量领域中称为频域中的“射频万用表”，可见其重要性和宽泛应用。动态信号分析是将时域信号转化为频域进行处理，一般要求使用时窗技术，如快速傅氏变换（FFT）、离散傅氏变换（DFT）等。如果采样点为N，直接DFT运算需要N2次乘法操作，需用大量运算时间。而FFT运算可将运算减少到（N/2）log2N次乘法，因此，FFT成为动态信号分析的核心算法。
这里提出一种基于TMS320F2812的便携式动态信号分析仪设计方案，以数字信号处理为基础，利用数字信号处理器强大的数据处理能力分析所采集的信号，优化动态信号的FFT算法．从而实现对各频率成份和功率谱的计算分析以及失真度的测量，其分析结果在液晶显示器（LCD）上显示。
2 动态信号分析原理
动态信号分析方法有时域分析法、频域分析法等。其中频域法最适合动态信号分析FFT算法。该系统采用FFT算法．其本质是DFT的快速算法。FFT算法是将长序列DFT根据其对称性和周期性分解为短序列的DFT之和。N点的DFT先分解为2个N/2点的DFT，每个N／2点的DFT又分解为N／4点的DFT。最小变换的点数即所谓FFT的“基数”。因此，基数为2的DFT最小变换是2点DFT（或称蝶形运算）。在基数为2的N点FFT中，设N=2，则总共可分成M级运算，每级中有（N／2）log2N个蝶算，则N点FFT总共有（N／2）log2N个蝶算，1个蝶算只需一个复数乘法对N点FFT需计算（N/2）log2N个复数乘法、（N／2）log2N个复数加法。一般来说，FFT比DFT运算量要小得多，N点的FFT需做（N／2）log2N次乘法运算，而N点DFT需要做／N2次乘法运算，由此看来N点DFT运算量大约是FFT的2N/log2N倍，分析动态信号频率成份，首先以采样频率fs采样N点（N=2M），经快速傅立叶变换得到其频谱。
由谱分辨率F=fs／N，如果保持采样点数N不变，提高其分辨率（F减小），必须降低采样频率，采样频率的降低会引起谱分析范围的减少。如果保持fs不变，为提高频率分辨率，可增加采样点数N，因为NT=Tp，T=fs-1，只有增加对信号的观察时间Tp，才能增加N。Tp和N可以按照的条件选择。
3 系统硬件电路设计
便携式动态信号分析仪的硬件结构图如图1所示。被检测输入信号经以运算放大器LM358为核心的调理电路后送至TMS320F2812 DSP内部自带的12位A／D转换器采样后，其数字输出信号送至DSP内核处理单元进行FFT处理。经过DSP运算处理后，实现各分量频率值和功率值的计算，信号失真度的计算和周期信号的检测，其分析结果由屏幕式LCD显示。键盘采用键盘查询方式中断处理，实现各种工作模式和显示界面的切换。
3.1 调理电路
在设计调理电路时，由于要将被采样信号的电压幅度调理到A／D转换器所能接收的范围内并滤除高频噪声信号，因此采用级联方式。其中第一级选择高精度集成运算放大器LM358组成电压跟随器，具有隔离作用；而第二级放大电路实现信号的比例放大和低通滤波，如图2所示。图2中运算放大器LM358构成反向比例放大电路，Ui是经第一级电压跟随器隔离后的电压信号，R1、R3构成反向比例电路，将输入信号按比例缩小4.7倍，C3、R3构成RC低通滤波网络，其电路截止频率f=1/2πR3C3=1/2π×1 kΩ×0.01 μF=15 923 Hz，符合设计要求（其信号频率范围0～10 000 Hz）。引脚7和引脚4分别接一只0.1μF的瓷片电容，用于滤除高频。为了减少失调电流，引脚3接R2（其阻值约为R1和R3的并联电阻）；输出信号U0送至第三级加法电路。第三级加法电路可将信号升高0 V以上，满足A／D转换需求（该系统采用TMS320F2812内部自带A／D转换器）。调理完成后送至DSP进行数字信号处理。
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