彭惠芹

摘  要 脉冲响应辨识综合教学实验系统依据课程教学要求，设计的M序列信号发生器由脉冲源电路模块、反馈移位寄存器电路模块、整形电路模块及衰减电路模块构成，二阶系统模块由运算放大器和部分电阻电容构成，配合STM32软件编程和采用TFT液晶屏，构建脉冲响应辨识显示系统。实验系统采用MATLAB仿真进行M序列参数的估算，Protel做电路原理图绘制，Multisim用作系统模块电路的仿真。系统实测表明：实验内容可以覆盖自动控制、电子技术、单片机、电路仿真等特定的知识点，具有适应学科知识交叉渗透的实用价值和培养学生实际操作能力的教学使用价值。经过统计，系统可以实现教学实验20多项。

关键词 脉冲响应辨识综合教学实验系统;MATLAB;M序列信号发生器;反馈移位寄存器电路;二阶系统

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）24-0019-04

Development of Impulse Response Recognition Experimental Teaching System//PENG Huiqin

Abstract Impulse Response Recognition Experimental Teaching Sys-

tem consists of msequence generator， impulse generator block， feed-

back register shifting circuit block， wave-shaping circuit block and attenuation circuit block， according to the teaching requirements of the course. Two-order system block is constructed via operational amplifiers， resistors and capacities. By utilizing STM32 and TFT

screen， impulse responses recognition and display system is designed.

The experimental system realizes Estimation of M sequence para-meters on MATLAB platform， the circuit schema is designed on Pro-

tel， and the circuit simulation verifying is assigned to Multisim. The

system measurement indicates： the content of experiment can per-

fectly include automatic control， electronic technology， microcon-troller， circuit simulation and other specific knowledge fields， which has the practical values of adapting to the cross-penetration of sub-

ject knowledge and the teaching value of cultivating students’ prac-tical operation ability. According to statistics， this system can fulfill more than 20 experimental requirements.

Key words impulse response recognition experimental teaching sys-

tem; MATLAB; M sequence generator; feedback shifting register; second order system

0  引言

脈冲响应辨识综合教学实验系统根据教学实验的需要且立足硬件资源，采用模块化设计，不同模块可进行不同项目实验，各模块可连接、可选择、可升级。实验内容可以覆盖自动控制、电子技术、单片机、电路仿真等特定的知识点，具有适应学科知识交叉渗透的实用价值和培养学生实际操作能力的教学使用价值，系统具有一定的先进性和灵活性[1]。

1  辨识电路原理分析

辨识输入信号选择合理是获得好的辨识结果的关键之一[2]，式（1）列出M序列的自相关函数：

当NP→∞时，近似于δ函数，可得M序列，可以用作辨识输入信号，适当选择M序列的循环周期NP Δt及移位脉冲周期（时钟节拍）Δt和幅度a，就能获得比较理想的辨识结果[3]。

待辨识的二阶系统其时间常数T1=2.0 ms，T2=1.0 ms，静态增益K=5.0，其传递函数为：

将系数代入得：

再由公式T1 = R2 · C1 ，T2 = R4 · C2，以及K=K1·K2=

，选择二阶系统参数R1=10 kΩ，R2=20 kΩ，R3=2 kΩ，

R4=5 kΩ，以及C1=0.1 μF，C2=0.2 μF。

待辨识的二阶系统为两个一阶惯性环节的级联，其原理图如图1所示。

1）过渡过程解析。借助MATLAB仿真对二阶系统做分析，以便获得所需参数。将式（2）传递函数变形：

在MATLAB中的命令窗口输入命令：

>> num=[2500000];den=[1，1500，500000];

>> bode（num，den）;grid

获得二阶系统的Bode图（图2），在幅度下降了3 dB时可得角频率412 rad/s，则截止频率：

f=ω/2π=412/2π=65.61 Hz          （5）

由MATLAB可得二阶系统的阶跃响应曲线（图3），按照2%的误差带，过渡过程时间大约为9 ms。

2）M序列信号发生器电路原理。通过分析二阶系统的过渡过程特性，并估算用作对象输入的M序列信号所需的频率带宽，以此确定M序列参数。

由二阶系统截止频率65.61 Hz和过渡过程时间9 ms得：1/3Δt≥fmax，即1/3Δt≥65.61。可取Δt=1 ms。

由（Np-1）Δt≥（1.2～1.5）Ts，可取Np=16。

因此，确定M序列的各项参数：M序列的阶次为四级;移位脉冲（M序列节拍）的频率为1 kHz;循环周期长度为15;循环周期是16 ms;移位脉冲周期（时钟节拍）是

1 ms;幅度±1 V。

2  脉冲响应辨识实验系统开发

2.1  系统构成

脉冲响应辨识系统构成如图4所示，系统由M序列信号发生器电路、消振及衰减电路、二阶系统电路以及显示电路构成。其中的M序列信号发生器由脉冲源电路、反馈移位寄存器电路和整形电路构成。

2.2  M序列信号发生器电路

脉冲源电路如图5所示，设计采用灵活的经典集成块NE555构成，采集其输出实时数据见图6。忽略T管导通电阻，可以求得脉冲源电路振荡频率：

以此求得脉冲电路的频率范围：

即：频率范围为650 Hz～7.15 kHz;脉冲电路的脉冲幅度Um≈VCC。

依据M序列参数搭建四级反馈移位寄存器电路（图7），其仿真波形见图8，由此初步确定电路设计的正确性。硬件电路器件由74LS74、74LS32和四74LS86构成。

给定M序列的初始状态为100 0，则电路输出为“100 011 110 101 100”的循环序列信号。由图9的M序列实时输出波形可验证该设计的正确性。

为避免二阶系统工作在非线性区，四级M序列的输出需进行限幅处理，采用两级反向输入比例运放来实现，如图10所示，然后选用CD40106来完成波形的整形。

根据反向输入比例运放的运算关系可得式（9）：

经过限幅降压电路，输出电压降到输入电压的一半。

系统实测：在频率500 Hz时，输入M序列电压峰峰值为5.36 V，经过衰减电路后为2.6 V，基本满足设计要求[4]。

2.3  顯示系统

将M序列信号输入到待辨识二阶系统可见仿真波形（图11）。配合STM32软件编程，构建脉冲响应辨识显示系统，用于观测待辨识系统的测试结果。所构建的显示系统采用TFT液晶屏。写入单片机部分程序如下：

……

while（1）

{

Scan_x+=2;

adcx=Get_Adc_Average（ADC_Channel_1，1）;

adcx=（adcx>>5）+50;

LCD_DrawLine（sta_pot，Scan_x，adcx，Scan_x+2）;

sta_pot=adcx;

if （Scan_x>=320）{

Scan_x=1;

sta_pot=10;

LCD_Clear（WHITE）;

}

}

……

3  脉冲响应辨识实验系统实现

脉冲响应辨识实验系统基于硬件资源，系统可拆分成若干个单元模块进行独立实验，为学生提供了灵活的现场实践资源。表1归纳出系统可开设的基本实验项目，经过统计，系统可以完成教学实验20多项。

致谢：本教学实验系统的开发实战获得中国高等教育学会及浙江天煌科技实业有限公司的支持，特此感谢。■

参考文献

[1]朱绚梅子.低成本小型可移动箱载EFP系统设计与实现[D].济南：山东大学，2015，7.

[2]李伟，王洪民，唐峥.基于递推最小二乘法的转向系统参数辨识[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2019，

38（8）：124-128.

[3]彭善涛.电动汽车动力蓄电池等效电路模型参数估计研究[D].江苏：苏州大学，2017：45.

[4]梁城.基于ARM和DDS的频谱分析仪的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（9）：78-81.

[5]姚若河，林少龙.基于a-IGZO TFTs的低功耗D触发器设计[J].华南理工大学学报（自然科学版），2017，45（3）：

42-47.

[6]马敬敏.基于集成移位寄存器的扭环形计数器自启动设计[J].浙江大学学报（理学版），2013，40（1）：47-50.

[7]李琳芳，刘艳昌，崔微微.基于Multisim与Matlab的二阶系统响应分析与仿真[J].河南科技学院学报（自然科学版），2015，43（4）：59-63.