波形信号识别与频率测量技术研究

姜玉泉,李学平

()西安理工大学电子工程系,西安710082

摘要:本文首先介绍了一种常用的波形识别方法,而后提出了利用波峰系数进行波形识别的新方法,最后设计了信号有效值、峰值和频率等参数的测量电路。实践表明,该方案能够准确地识别周期信号的波形,并可以精确地测量信号的重要参数,具有很高的应用价值。关键词:波形识别;STM32;AD736

中图分类号:TN98 文献标识码:A

ResearchonWaveformSinalsReconitionandFreuenceasurementggqyM

,thatthisschemecanaccuratelidentiftheteoferiodicsinal.Atthesametimeitcanmeasureimortantparametersofsinalre-yyyppgpgp

,coefficientisproosed.Lastlhemeasurinircuitsofeffectivevalueeakvalueandfreuencredesined.Thepracticehasshownpytgcpqyag

:,,AbstractInthepaeracommonmethodofwaveformreconitionisintroducedthenanewmethodofwaveformreconitionusineakpgggp

(,’,’)DeartmentofInformationEnineerinXianUniversitfTechnoloXian710082,Chinapggyogy

,JianuuanLiXueingYqpg

,ciselandhasverihalicationvalue.yyhgpp

:;KeordswaveformreconitionSTM32;AD736gyw

引 言

1.1 利用波形系数进行识别

为了测量非正弦信号的基波有效值,可以采用傅里叶算法。假设非正弦信号是一个周期为T的时间函数,可表示为:

()utasinnΩt+bcosnΩt=∑ nn

n=0∞

波形识别技术广泛地应用于智能故障诊断、临床心电

[1-2]

监护和数字式仪表等领域,而对于周期信号的识别方法一直是各方研究的热点

决,但是随着嵌入式技术的发展,设计一种具有高精度的有效值、峰值和频率测量以及波形识别等功能的数字式仪表仍然具有重要的现实意义。

。尽管这一问题已得到较好的解

1 波形识别原理

本文主要研究周期信号的波形识别方法,分为正弦信号和非正弦信号两类。首先是正弦信号的识别相对比较简单,因为理想正弦波的有效值与基波有效值相等,高次谐波为零,且其有效值和峰值之间有固定的比例系数,

3-4]

。而对于利用这些特点可以比较容易识别出正弦波[

/2πT。

式中an=

2T2T

(),(),utsinnΩtdtbutcosnΩtdtΩ=n=T0T0

∫∫

()1

该信号的基波分量中正弦波和余弦波的幅值分别为:

a1=

2T

()utsinΩtdtT0

假设方波的表达式为: 若该非正弦信号是方波,

()ut=umax()ut=0

2T

()butcosΩtdt1=

T0

0∫

∫

()2()3

非正弦信号的识别相对比较复杂,一种方法是利用傅里叶级数分析周期信号的基波特征,利用基波有效值和总有效值的关系(波形系数)进行识别;另一种方法是计算周期信号的有效值,利用有效值和峰值之间的关系(波峰系数)进行识别析其优劣。

[5-6]

。现对这两种方法分别进行研究,分

))和式(可得: 根据式(23

2u2Tmax

()autsinΩtdt=1=

T0π

4 2

∫

T 2T2()4

Microcontrollers&EmbeddedSstems 2020年第1期ywww.mesnet.com.cn

b1=

2ab1+1

则根据式u得基波有效值为:1=

2

22T

()utcosΩtdt=0T0

∫2

()5

总有效值u 则其基波有效值u1、eff和波形系数γ分

别为:

a421+b1

u=2u1=max

2π

2

2

a21+b1

u=u1=max

2π

2

()6

根据ueff=

1T2

)u(tdt得总有效值为:

T0

umax

ueff=

2∫()7

u1

()γ=99318=0.

ueff

理想正弦波的波形系数为1,显然,仅凭基 众所周知,

波有效值与总有效值之间的关系很难区分正弦波、对称方波和对称三角波,且利用傅里叶级数进行波形识别的方法

7-8]

。过于繁锁,电路也比较复杂,故这种方法不可取[

umax

ueff=

3()16()17

u1

则方波的波形系数为: 定义波形系数γ=,ueffu21

γ=637==0.

uπeff

如果是对称方波:

()ut=umax 0()8

1.2 利用波峰系数进行识别

经过对几种常见波形(正弦波、方波、三角波)的分析和比较,发现它们各自的峰值和有效值存在较大差异,而两者的比值即波峰系数始终为定值,不随输入信号幅度和频率的变化而变化。一般情况下,被测波形是对称的,因此可以根据被测波形的峰值和有效值的比值(波峰系数)

5]

。来确定其类型[

则其基波有效值u总有效值u1、eff和波形系数γ分别为:

u21=uueff=max

2umaxπ

()10()9

()ut=-umax

T

2T2)、()、(、(根据式(以及正弦波的特点,可101117)18)

得表1所列的波形系数和波峰系数。

表1 常见波形的波形系数和波峰系数对比

波形系数γ

0.91

波峰系数a

123波形类别正弦波对称方波对称三角波

/2波峰系数a

/12/321

2/()γ=uu2=0.900111eff=

π

假设三角波的表达式为: 若该非正弦信号是三角波,

2uTmax

()utt+2u=-T2))和式(可得: 根据式(23umax

a0,b1=1=

π

其基波有效值为:

222uTmax

()utt 0T2

0.993

()12()13()14()15

的波形系数γ非常接近,很难区分出三种波形,而它们的波峰系数则差别较大,比较容易区分。利用波峰系数/2进行判定,如果该值等于1为正弦波,小于1为对称a

方波,大于1则为对称三角波。通过以上分析可知,利用波峰系数进行波形识别是一种行之有效的方法。

通过表1可以看出,正弦波、对称方波和对称三角波

a21+b1

u=u1=max

22π

总有效值为:

umax

ueff=

32 硬件电路设计

2.1 有效值测量电路

波形系数为:

/有效值测量电路的核心是T国内RMSDC转换器,

/外有很多种类的T本系统使用ARMSDC转换器,D736来实现有效值测量,图1为该芯片的引脚图,图2为有效值测量电路。

在图2中,输入信号经47kΩ的限流电阻R从2引脚

u1

γ=390=0.

ueff

如果是对称三角波:

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()touao.mesnet.com.cng

uT()utt+3u=- 2uTmax

()utt-u=max0T2

max

max

使芯片工作在交流方式。正电源端7引脚10μF的电容,

引入,输出信号从6引脚引出,1引脚与8引脚之间接有和负电源端4引脚与COM端8引脚之间均接有一个0.1

F的电容,5引脚Cav端通过33μF的电容接负电源端,3μ

2020年第1期

4 3

于I则LMNPUT-端信号,311的OUTPUT端输出高电执行“保持”操作。经过若干个周期的运算就可以得到信

”,平“该高电平使L采样”操作;否则,1F398执行“LF398号的峰值。

本系统以S把采集到的峰值和TM32F103为控制器,

2.3 STM32测频电路

有效值数据送入S从而实现TM32F103进行运算和处理,波形识别。同时,使用LM393对输入信号进行滞环过零比较,把它调理成矩形

图1 AD736引脚图

波,电路如图4所示,再使用STM32F103芯片PWM通道的脉冲捕获功能就可以进

9-10]

。行频率测量[

图4 过零比较器

结 语

用芯片A进而把数D736和LF398实现有效值和峰值的检测,据送入处理器进行波形识别和频率测量,是一种高精度和高

]11-12

。可靠性的测量识别方法,具有很高的应用价值[

本文的设计方案以S分别使TM32F103处理器为核心,

图2 有效值测量电路

参考文献

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2.2 峰值检波电路

器芯片,当8引脚L时采样,为“时保持。oic端为“1”0”g

峰值检波电路如图3所示。LF398是一款采样/保持

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支持集电极输出和发射LM311是一款电压比较器芯片,

极输出两种模式。该电路的工作过程如下:当前时刻的模拟信号送入LM上一时刻的采样信号311的INPUT+端,经L两F398的OUTPUT端送入LM311的INPUT-端,者在LM311的内部进行比较。如果INPUT+端信号大

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图3 峰值检波电路

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()责任编辑:薛士然 收稿日期:2019-08-12

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