本系统主要是以STM32为核心控制器件，通过功率放大电路、I/V转换电路、程控放大电路、滤波电路、偏置电路、比较器等模块，实现对电流信号的检测，并显示电流信号的峰峰值、频率、谐波分量及失真度。在比赛过程中，将自己所学的理论知识运用于实践当中，使自己在学校以及实验室所学的东西得以巩固。在此感谢，学校对赛事的支持，老师的指点，队友的信任。
一、系统方案论证（1）功率放大电路设计方案： 方案一：利用三极管实现功率放大。利用三极管可以构成OTL甲乙类互补对称功率放大电路，可以减小交越失真，改善输出波形。但是，如果此电路静态工作点失调或电路内元器件损坏，将造成一个较大电流长时间流过负载，可能造成电路损坏，而且电路设计较为复杂，所用元器件较多，受温度影响明显。 方案二：利用集成功放芯片实现功率放大。通过参考TI公司OPA548数据手册的参数，分析之后，OPA548带载能力好，输出电流稳定，且OPA548的各项参数指标都符合设计的要求，并且电路结构相对简单，性能优越，效果稳定。因此选取OPA548作为功放的主要芯片。 综上所述，故选择方案二。 （2）程控放大电路设计方案： 方案一：采用可控增益放大器AD603。单级集成可控增益放大器AD603具有-10dB到+30dBdB的增益控制范围，且具有90MHz的高增益控制带宽。AD603构成的可控增益放大器外围电路简单，但控制增益是改变1、2脚的电压差，还需额外的DA配合AD603，另外AD603价格昂贵，性价比低。 方案二：采用模拟开关。采用模拟开关CD4052，一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。采用运放NE5532构成放大电路，选择不同的通道来选择不同的反馈电阻，来改变NE5532的放大倍数。此方案电路简单，且能够满足带宽要求。 综上所述，选择方案二。 （3）滤波器的选择： 方案一：无源滤波器 。无源滤波器由于只需几个电容及电感即可搭接阶数较多的电路，衰减陡度比较大，可以更好的滤掉噪声等无用信号。但是无源滤波器调试复杂，成本较高。 方案二：有源滤波器。使用运算放大器搭建的有源滤波电路有良好的性能特性，在低频率下很是广泛使用。 综上所述，选择方案二。 （4）数据处理设计方案： 方案一：扫频法。扫频法信号分析仪相当于扫频接收机，根据外差原理输入信号与本地振荡信号在混频器的作用线经变频后由低通滤波器输出。其优点扫频范围大，但对硬件电路要求较高，对低通滤波器要有很好的特性。次方案适合测量高频及稳定的信号，在此系统中由于信号频率低，所以不适合。 方案二：采用32位16位DSP作为系统的核心控制芯片。首先，微弱信号经DSP内部AD直接采集信号，再由DSP控制12864液晶显示电流值，该方案功能完善。但是，相对于功能完善，DSP的技术含量太高，设计困难。 方案三：基于STM32及DSP库。采用ST公司的STM32完成音频信号的采集，以及利用ST官方提供的DSP库的基四FFT变换，其FFT变换的效率极高，1024点FFT变换只需不到3ms的时间。另外FFT变换后还涉及到取模运算，运算量大，且所要求的RAM空间大，所以选择STM32F103单片机，具有处理速度快等特点，完全满足要求。 综上所述，选择方案三。 二、系统理论分析与计算（1）FFT变换原理 快速傅里叶是计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需的乘法次数大为减少，特别是但抽样点数N也多时FFT算法计算量的节省就越显著。对有限长序列file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA76.tmp.png的N点DFT为 file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA77.tmp.png k=0，1，…，N-1 （3.1） 考虑x（n）为复数序列的一般情况，对某一个k值直接按（3.1）式计算X（k）的1个值需要N次复数乘法和N-1次复数加法。因此，计算X（k）的所有N个值，共需要file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA78.tmp.png次复数乘法和N（N-1）次复数加法运算。当N》1时，N（N-1）file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA88.tmp.pngfile:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA89.tmp.png。由上述可见，N点DFT的乘法和加法运算次数均为file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA9A.tmp.png。当N较大时，运算相当可观。例如N=1024时，file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAA9B.tmp.png=1048576。这对应实时信号处理来说，必须对处理设备的计算速度提出难以实现的要求。所有必须减少其运算量，才能使DFT在各种科学和工程计算中得到应用。显然，把N点DFT分解为几个较短的DFT，可使乘法次数大大减少。另外，旋转因子file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAAAC.tmp.png具有明显的周期性和对称性。 所以，FFT算法就是不断地把长序列的DFT分解成几个短序列的DFT，并利用file:///C:\Users\**I~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsAB1E.tmp.png的周期性和对称性来减少DFT运算次数。算法最简单最常用的是基2FFT。基2FFT算法分为两类：时域抽取法FFT（DIT-FFT）；频域抽取法FFT（DIF-FFT）。 （2）低噪声放大技术 低噪声放大技术是微弱信号检测系统设计的一个重要环节，主要分为两个方面：第一是最大限度地减小引入的噪声，提高输入信噪比；第二是最大限度地放大有用信号，即在有效抑制噪声的条件下，放大有用信号。本电路选取的器件模拟部分分为运算放大器、电容、电阻；数字部分分为单片机、电源芯片和数字电位器等，所以要设计低噪声的放大电路，就需要弄清楚电路噪声的来源和怎么样避免与抑制噪声。 运算放大器噪声：运算放大器电路噪声主要包括，散弹噪声、低频 1/f 噪声、内部电阻热噪声、反馈电阻热噪声。 散弹噪声源：由于运算放大器内部包含大量的晶体管构成，因此有大量的 PN 结。在大多数半导体器件中，它是主要的噪声来源。在低频和中频下，散粒噪声与频率无关（白噪声），高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。散弹噪声是指单位时间内通过PN 结的载流子在平均值附近的随机起伏引起的。它的大小与晶体管的静态工作点有关，功率谱密度为： S=2qI 其中：I 为流过 PN 结的电流，q 为电子电荷量。 闪烁噪声：闪烁噪声（flicker noise）也叫 1/f 噪声，由两种导体接触点电导的随机涨落引起的噪声由于运算放大器的引脚与内部连接涉及到不同金属的接触，1/f 噪声必然存在，是有源器件中载波密度的随机波动而产生的，它会对中心频率信号进行调制，并在中心频率上形成两个边带，降低了振荡器的 Q 值。由于 1/f 噪声是在中心频率附近的主要噪声，因此在设计器件模型时必须考虑它的影响。研究表明 1/f 噪声电流幅度分布类型为高斯分布。
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