基于MCP6S21制作150kHz采集电路

卓晴

1045人浏览 · 2025-12-16 17:40:58

卓晴 · 2025-12-16 17:40:58 发布

简介：本文介绍了导航信号采样系统的设计与测试。系统采用STC32G12单片机作为核心，通过两级放大电路（包括可编程运放MCP6S21）采集150kHz导航信号。电路设计中包含LC谐振接收回路、ADC缓冲隔离和TL431提供的2.5V参考地。实验结果表明，增加ADC缓冲能有效隔离接收信号，防止阻抗变化影响。通过采集256个数据点进行傅里叶变换分析，可准确计算出信号幅度。该系统能实现大动态范围内高频导航信号的稳定测量，为导航信号处理提供了有效的硬件解决方案。

关键词： 150kHz，导航信号，MCP6S21

基于MCP6S21的导航信号采集

AD\Test\2025\December\Sample150kHzSTC32G12MCP6S21.SchDoc

01 导航信号采样

一、背景介绍

前面测试了带有外部晶体的 STC32G 单片机采集 150kHz导航信号的稳定性。通过对采集到的 256 个信号数据，与同频率的 cosine，sine 信号进行相关，从而计算出对应的信号的幅度。在计算过程中，通过选择适当的数据窗口以及数据长度，可以获得非常稳定的信号测量结果。下面设计一个带有两级放大环节的信号采集电路，特别是其中一个环节可以通过软件编程改变放大系数，从而可以测量很大动态范围内的高频导航信号。

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二、电路设计

设计测试电路。 MCU依然采用 STC32G12 单片机。导航信号采用 LC 谐振回路接收。 2.5V参考地是由 TL431提供。原始信号、放大10倍信号以及有 MCP6S21 提供的可编程放大信号，分别输入到单片机的三个 ADC 通道。最后，由单片机从采集到的信号中估计出 150kHz 导航信号的幅度。

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设计单面PCB，由于线路比较密集，其中包括有很多跳线。后面将会使用 0欧姆电阻完成跳线。一分钟之后得到实验电路板。电路板制作的非常完美。

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三、焊接测试

焊接电路，清洗之后进行调试。使用 ISP 程序下载模块验证了单片机现在工作正常了。使用外部晶体工作模式。

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在这次设计中， LC接收回路的信号经过 ADC 缓冲之后连接到单片机的 ADC 输入。设置 ADC 分频系数为 2，采集 256个数据，可以看到采集到的数据幅度是恒定的。这说明了增加了 ADC 缓冲对于接收信号进行隔离，防止 ADC 输入通道的阻抗变化对于接收信号的影响的确有效果。
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▲ 图1.3.1 采集到的数据 256个数据， ADC分频系数：2

▲ 图1.3.1 采集到的数据 256个数据， ADC分频系数：2

from headm import *
from tsmodule.tsstm32       import *

def getdata():
    ispclearreceive()
    ispsend()
    time.sleep(.5)
    ispcopyreceive()
    time.sleep(.25)

    strall = clipboard.paste().split("\r\n")

    data = []

    for s in strall:
        if len(s) < 20: continue
        ss = s.split(" ")

        for sss in ss:
            if len(sss) != 2: continue
            data.append(int(sss, 16))

    return [a*256+b for a,b, in zip(data[:-1:2], data[1::2])]

ddim = []

for i in range(1):
    d = getdata()
    ddim.append(d[:256])
    printf(i)

tspsave("sample7", ddim=ddim)

printf(d, len(d))

plt.plot(d[:256], lw=3)

plt.xlabel("N", color="steelblue", fontsize=24)
plt.ylabel("ADC", color="steelblue", fontsize=24)
plt.grid(True, which='both', linestyle='--', alpha=0.7)
plt.tight_layout()
plt.show()

四、输出处理

首先对采集到的 256 个数据通过补零，扩展长度 128倍，通过求取傅里叶变换，可以得到对应的峰值频率。这个频率就是采集数据的归一化频率，为 0.17545。

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from headm import *

ddim = tspload('sample7', 'ddim')

d = ddim[0] - mean(ddim[0])
d0 = [0] * len(d)
d = list(d)

for _ in range(127):
    d.extend(d0)

dfft = abs(fft.fft(d))
dfft2 = dfft[:len(dfft)//2]
maxid = where(dfft2==max(dfft2))[0][0]

omiga = maxid/128*2*pi/256
printf(omiga)

plt.plot(dfft, lw=3)

plt.xlabel("N", color="steelblue", fontsize=24)
plt.ylabel("ADC", color="steelblue", fontsize=24)
plt.grid(True, which='both', linestyle='--', alpha=0.7)
plt.tight_layout()
plt.show()

from headm import *
from tsmodule.tsstm32       import *

ispclearreceive()
ispsend()
time.sleep(.5)
ispcopyreceive()
time.sleep(.25)

strall = clipboard.paste().split("\r\n")

printf(strall)

fdim = []

for s in strall:
    if len(s) < 15: continue

    ss = s.split(' ')
    for sss in ss:
        if len(sss) > 0:
            fdim.append(float(sss))

plt.plot(fdim, lw=3)

printf(fdim, len(fdim))

plt.xlabel("N", color="steelblue", fontsize=24)
plt.ylabel("Value", color="steelblue", fontsize=24)
plt.grid(True, which='both', linestyle='--', alpha=0.7)
plt.tight_layout()
plt.show()

from headm import *

strall = clipboard.paste().split("\r\n")

fdim = []

for s in strall:
    if len(s) < 10: continue
    for ss in s.split(" "):
        if len(ss) > 0:
            fdim.append(float(ss))

printf(len(fdim))
printff(mean(fdim), std(fdim))

plt.plot(fdim, lw=3)

plt.xlabel("N", color="steelblue", fontsize=24)
plt.ylabel("Value", color="steelblue", fontsize=24)
plt.grid(True, which='both', linestyle='--', alpha=0.7)
plt.tight_layout()
plt.show()

根据之前讨论的方法，对采集到的数据分别使用 sine，cosine 数据进行加权累加，计算两个分量，对数据使用三角形加窗，这样可以得到信号中 150kHz 正弦信号的分量。这里采集了 256 次数据。平均值为 448.1，标准方差为 0.2242. 由此，验证了电路板中的硬件和软件的功能都正常了。

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利用电路板上的 LCD显示三个通道的信号幅度。第一个通道是接收到信号跟随放大信号，第二个通道是放大11倍之后的信号，第三个通道是经过 MCP6S21的信号，现在选择放大倍数为 1. 可以看到，三个通道测量到的数据的大小，满足他们之间相互的增益比例关系。