信号失真度测量仪 — STM32

综合电路设计课程 A 题，与 2021 年 TI 杯信号类题目要求相似。基于 STM32 采集输入信号，通过 FFT 频谱分析计算总谐波失真度 (THD)，并在 LCD 上显示时域波形和频谱。

硬件方案

部件	型号	说明
主控	STM32G431	Cortex-M4F @ 80MHz，含 DSP 指令集 + FPU
ADC	板载 ADC	TIM 定时触发 + DMA 自动搬运
显示屏	TFT LCD	显示波形、频谱、THD 值
调试	UART	串口打印波形数据和频谱

工作原理

模拟信号输入 → 抗混叠滤波
  → TIM 触发 ADC 采样（多通道同步）
  → DMA 自动搬运到 SRAM 缓冲区
  → CMSIS-DSP FFT 运算（实数 FFT）
  → 基波 + 各次谐波幅值提取
  → THD 计算：√(∑ 谐波有效值²) / 基波有效值 × 100%
  → LCD 显示 + UART 输出

功能特性

1. 数据采集

• TIM 定时器产生固定频率触发信号
• ADC 多通道同步采样，DMA 环形缓冲区搬运
• 采样率可配置，满足不同频率信号分析需求

2. FFT 频谱分析

• 调用 CMSIS-DSP 库实 FFT 函数
• 支持窗函数（可配置，减少频谱泄漏）
• 提取基波和各次谐波的分量幅值
• 输出归一化频谱（基波 = 100%）

3. THD 计算

• 自动识别基波频率
• 提取 2~10 次谐波分量
• THD = √(V₂² + V₃² + ... + Vₙ²) / V₁ × 100%

4. LCD 显示

• 第一行：学号 + 姓名
• 波形区：输入信号时域波形
• 频谱区：归一化幅值频谱（含基波和谐波）
• 数据区：THDx（总谐波失真度）

5. 串口输出

• 输入波形数据（用于验证）
• 频谱数据（各频率分量幅值）
• 计算结果（THD 值）

开发环境

工具	版本
IDE	Keil MDK uVision 5
MCU SDK	STM32Cube FW_G4
配置	STM32CubeMX
DSP 库	CMSIS-DSP
PCB 设计	嘉立创 EDA

项目结构

├── Core/               HAL 配置 + main 函数
├── Drivers/            STM32G4 HAL 驱动
├── DSP/                CMSIS-DSP 库
├── Module/             LCD 驱动、按键等
├── App/                应用代码（FFT、THD 计算）
├── MDK-ARM/            Keil 工程文件
└── DistortionCalculator.ioc   CubeMX 配置文件

使用

用 Keil MDK 打开 MDK-ARM 目录下的工程文件，编译下载到 STM32G4 开发板。

输入被测信号（通过信号发生器或开发板 DAC 自产生），自动测量并显示 THD。