STM32 关于ADC采交直流问题探讨(二)

青旅半醒 2022-05-20 05:56 1448阅读 0赞

# 5. 硬件电路设计 #

## 5.1 电压比较器电路 ##

电压比较器的功能是对两个输入电压的大小进行比较，并根据比较结果输出高低电平。  
       通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。 阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电 压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。估算阈值主要应抓住输入信号使输出电压发生跳变时的临界条件。这个临界条件 是集成运放两个输入端的电位相等(两个输入端的电流也视为零)，即U+=U–。

### 5.1.1 零电平比较器(过零比较器) ###

电压比较器是将一个模拟输入信号ui与一个固定的参考电压UR进行比较和鉴别的电路。    
       参考电压为零的比较器称为零 电平比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种零电位比较器  
![4][]

### 5.1.2 任意电平比较器(俘零比较器) ###

将零电平比较器中的接地端改接为一个参考电压UR(设 为直流电压)，由于UR的大小和极性均可调整，电路成为任意电平比较器或称俘零比较器。  
![5][]

### 5.1.3 滞回电压比较器 ###

滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。  
       滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。     
       UR是某一固定电压，改变UR值能改变阈值及回差大小。  
![6][]  
本次中，我们选择电力电子中常用的LM393比较芯片，下图为比较原理图  
![7][]  
在输入端，我们直接输入交流正弦型号，，Dz稳压二极管会将电压抬至一定高度，供芯片比较。  
       如下图所示  
![8][]

## 5.2 交流采样电路 ##

当输出电压、电流是双极性的交流信号，AD只能采单极性的交流信号。采用如下图所示的直流偏移电路可以把信号转换一下。  
![9][]  
电解电容C取470uF/16V，R1、R2取2k，这样高通截止频率为2Hz左右，用于采样20Hz以上的信号。  
![10][]  
计算过程中，先用求平均的方式把直流偏置算出来，然后扣除该值就得到交流信号的实际值了。不过要注意这部分电路要放尽量在单片机那头。

# 6.软件设计 #

根据题目要求，我们配置ADC成ADC1和ADC2双重模式，即由主ADC1带动从ADC2进行交替采样，详细代码见源文件，具体配置过程参照前面博客，这里是[链接][Link 1]。

## 6.1 直流采样问题 ##

直流采样，让ADC一直循环取值，相关程序如下

double adc_getvalue[10];
        u32 adSumDC[10];
    
        memset(&adSumDC,0,sizeof(adSumDC));
        for(k=0;k<10;k++){
                for(j=0;j<40;j++)
                    adSumDC[k] += aADCConvertedValue[2];
                adc_getvalue[k]=(double)adSumDC[k]*33/(4096*400);
        }
        memset(&adSumDC,0,sizeof(adSumDC));
        AdLight=adc_filter(10,adc_getvalue);

同时为直流采样设计滤波函数，代码如下

double adc_filter(u32 num,double *adc_num_value)
    {
      u8 i,j,k;
      u8 noswap=1;
        double adc_sum_tmp=0,adc_ave_tmp=0;
    
      for(i=0;i<num-1;++i){
    
          for(j=0;j<num-i-1;++j)
          {
              if(adc_num_value[j]>adc_num_value[j+1]){
                  adc_num_value[j]=adc_num_value[j]+adc_num_value[j+1];
                  adc_num_value[j+1]=adc_num_value[j]-adc_num_value[j+1];
                  adc_num_value[j]=adc_num_value[j]-adc_num_value[j+1];
                  noswap=0;
              }
           }
          if(noswap) break;
      }
      for(k=2;k<num-2;k++)adc_sum_tmp += adc_num_value[k];
      //adc_sum_tmp -= (adc_num_value[0]+adc_num_value[1]+adc_num_value[num-2]+adc_num_value[num-1]); 
      adc_ave_tmp=adc_sum_tmp/(num-4);
    
      adc_sum_tmp=0;
    
        return adc_ave_tmp;
    }

我们直接将采样引脚连接到3.3v和0vde得到如下结果  
![11][]

# 6.2 交流频率测量 #

对于测交流正弦波信号的频率，我们将双极性的正弦波通过电压比较整形成脉冲波供单片机采样。  
       这里利用定时器的输入捕获功能，相应定时器的底层配置可参照之前博客，这里是[链接][Link 2]。

相关计算频率过程代码如下  
相关计算频率过程代

void TIM2_IRQHandler(void)
    {
        if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC2) != RESET)
        {
            TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE); 
            //ADStartTim4Flag=1;
                TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC2);
        }
        IC2Value=TIM_GetCapture2(TIM2);
        IC1Value=TIM_GetCapture1(TIM2);
        //GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1);
        if(IC2Value!=0){
            DutyCycle=(float)IC1Value*100/IC2Value;
            Frequency =(float)1000000/IC2Value;
        }
        else{
            GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1);
            DutyCycle=0;
            Frequency=0;
        }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }

显示函数如下

OLED_ShowString(0,0,"MeasureResult:",16);
        OLED_ShowString(0,16,"IC2Value:",16);
        OLED_ShowNum(72,16,IC2Value,7,16);
        OLED_ShowString(0,32,"DutyCycle:",16);
        OLED_ShowFloatNum(80,32,DutyCycle,7,16);
        OLED_ShowString(0,48,"Frequency:",16);
        OLED_ShowFloatNum(80,48,Frequency,7,16);

实验现象图  
![12][]

## 6.3 交流采样问题 ##

对于交流采样，采取的是同步采样过程，具体步骤是电压比较电路触发定时器TIM4实时，定时器根据输入信号频率计算定时间隔，等间隔采样。

### 6.3.1定时器中断程序 ###

/*****************************************************
    * 函数功能：TIM4中断程序，同步采样处理
    * 作者：klaus 邮箱：xcf2016a@outlook.com
    * 功能介绍：触发同步采样
    * 版本：1.1(暂无改动)
    ******************************************************/
    void TIM4_IRQHandler(void)
    {
     if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)==SET) 
     { 
     ADArrayStay[ArrayCnt]=aADCConvertedValue[3];
     ArrayCnt++;
     if(ArrayCnt>=ADPointGet){ 
     ArrayCnt=0;ADGetDowmFlag=1;
     TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,DISABLE); 
     cnt_test++;
     if(cnt_test%2==0)GPIO_ResetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1);else GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_1); 
     } 
     } 
     TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update); 
    }

### 6.3.2 AD计算程序 ###

if(ADGetDowmFlag==1)
        {
            sampleMax=sampleMin=ADArrayStay[0];
            for(k=1;k<ADPointGet;k++)
            {
                    if(ADArrayStay[k]>=sampleMax)sampleMax=ADArrayStay[k];
                    if(ADArrayStay[k]<=sampleMin && ADArrayStay[k]!=0)sampleMin=ADArrayStay[k];
            }
            sampleIndex=3.3f*(sampleMax-sampleMin)/4096;
            VppValue=sampleIndex;
            VoltageRms[AdCnt]=sampleIndex/2.828f;
            AdCnt++;
            if(AdCnt>=FILTER_POINTS){AdCnt=0;ADVoltage=adc_filter(FILTER_POINTS,VoltageRms);}
     }ADGetDowmFlag=0;

### 6.3.3 显示函数 ###

OLED_ShowString(0,0,"ACModeTake:",16);
    OLED_ShowString(0,16,"VppVal:",16);
    OLED_ShowFloatNum(56,16,VppValue,7,16);
    OLED_ShowString(104,16,"v",16);
    OLED_ShowString(0,32,"RmsVal:",16);
    OLED_ShowFloatNum(56,32,ADVoltage,7,16);
    OLED_ShowString(104,32,"v",16);
    OLED_ShowString(0,48,"Frequ:",16);
    OLED_ShowFloatNum(48,48,Frequency,7,16);
    OLED_ShowString(96,48,"Hz",16);

实验现象图  
![13][]  
至于造成峰峰值不准的原因是：没供地，即博主单片机是电脑jlink供电，电路是电源供电，输入信号是信号源供电，三者地没有连在一起。

## 6.4 正弦波画图函数 ##

将AD采样回来的函数进行相应数值变化以适合OLED显示，先画点，连线成图  
程序代码如下

void sin_table_plot{ OLED_ShowChar(0,0,'^',16,1); OLED_DrawLine(4,1,4,62,1); OLED_DrawLine(4,60,70,60,1); OLED_ShowChar(70,54,'>',12,1); for(i=4;i<66;i++){ xi=i; yi=60*ADArrayStay[i-4]/4096; OLED_DrawLine(xn,yn,xi,yi,1); xn=i; yn=yi; } }

实验现象图  
![14][]

# 7.实验总图 #

![15][]

[4]: /images/20220520/c410a49af08e473d98dee7775970d168.png
[5]: /images/20220520/6d3cdc331b5242e188e665c070cfe339.png
[6]: /images/20220520/2996e770583b455a861544f61669fb6c.png
[7]: /images/20220520/9f77071604d84f1580956b6b808a36ca.png
[8]: /images/20220520/d18310c87f934107a1be9bf704689cba.png
[9]: /images/20220520/8b78f8914e354a2583aadbf3d796b23e.png
[10]: /images/20220520/3dc0073fb0344b818ea3a02b9075c5a1.png
[Link 1]: https://blog.csdn.net/klaus_x/article/details/78822115
[11]: /images/20220520/36fbd333e0fe431785ab2acb5eaa1d78.png
[Link 2]: https://blog.csdn.net/klaus_x/article/details/80044481
[12]: /images/20220520/4fe2c2f49de24bab839ade7c8677eff1.png
[13]: /images/20220520/d81993b2d7e04b388b5ce25889ddcb0e.png
[14]: /images/20220520/ea12c587b9ba410a8ae1daf113cbb87c.png
[15]: /images/20220520/12aab720a9484bf2b3a26eb2fd0e4ac0.png