脉冲信号参数测试仪

2012年广西区大学生电子设计竞赛(jìngsài)

第一阶段比赛题目(tímù)讲解黄新2012.05.12第一页，共五十六页。脉冲信号(xìnhào)参数测试仪一、任务设计制作一个脉冲(màichōng)信号测试仪，可以测量脉冲(màichōng)信号的幅值、频率、周期、占空比、上升和下降时间等参数。2第二页，共五十六页。整理课件3第三页，共五十六页。整理课件二、要求(yāoqiú)1.基本功能（1）脉冲信号幅值范围为：0.2VP～5VP，测量精度≤±2%；（2）脉冲信号频率(pínlǜ)范围为：1Hz～100KHz；频率测量精度≤±0.1%，周期测量精度≤±0.1%（3）占空比测量范围为：10％～90％，测量误差≤10％；（4）比较电平设置范围：0.2V～5V，步进小于0.2V；（5）上升时间和下降时间测量范围为1us～1ms，测量误差≤1us；4第四页，共五十六页。整理课件2.发挥(fāhuī)部分（1）脉冲信号频率(pínlǜ)范围为：1Hz～500KHz；频率测量精度≤±0.01%，周期测量精度≤±0.01%；（2）占空比测量范围为：5％～95％，测量误差≤5％；（3）上升时间和下降时间测量范围为20ns～1ms，测量误差≤20ns；（4）其它。5第五页，共五十六页。整理课件三、脉冲信号参数测量(cèliáng)原理3.1脉冲(màichōng)参数（1）脉冲信号幅度Vm（2）脉冲信号频率f，周期T，脉冲宽度tw

；（3）脉冲信号占空比q＝

tw/T；（4）脉冲信号上升时间tr，下降时间tf。6第六页，共五十六页。整理课件3.2脉冲幅度测量方法3.2.1峰值检波法输入脉冲信号为单极性信号，可利用峰值检波器检测输入脉冲信号的峰值，然后利用A/D测量峰值从而(cóngér)得到脉冲信号的幅度，对脉冲波形该方法会造成幅度误差，对题目给定的单极性三角波，可直接将峰值作为脉冲幅度。7第七页，共五十六页。整理课件3.2.2脉冲幅度比较法预置比较电平(diànpínɡ)，当比较器输出低电平(diànpínɡ)时，说明脉冲信号幅度大于比较电平(diànpínɡ)，按一定步进增加比较电平(diànpínɡ)，直至比较器输出高电平(diànpínɡ)，此时比较电平(diànpínɡ)为脉冲信号的峰值。8第八页，共五十六页。整理课件3.2.3高速(ɡāosù)A/D采集被测信号频率为1Hz～500KHz，一个周期采集10个点，至少需要500KHz×10＝5MHz的采样率。（1）被测信号为脉冲信号在峰值点开始连续采集2M＋1个点，通过计算2M＋1个点的算术平均值获得(huòdé)被测脉冲信号的幅度顶值（即单极性信号的幅度值）（2）被测信号为三角波至少采集半个周期以上数据点，极大值与极小值的差即为三角波的幅度9第九页，共五十六页。整理课件3.3脉宽及上升(shàngshēng)和下降时间测量原理10第十页，共五十六页。整理课件3.4占空比测量(cèliáng)原理11第十一页，共五十六页。整理课件3.5

频率(pínlǜ)测量原理（1）直接测频根据频率的定义(dìngyì)，若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则该信号的频率12第十二页，共五十六页。整理课件（2）直接(zhíjiē)测周13第十三页，共五十六页。整理课件（3）中界频率(pínlǜ)14fx>fM采用(cǎiyòng)测频fx<fM采用测周第十四页，共五十六页。整理课件（4）测频测周方案(fāngàn)15第十五页，共五十六页。整理课件（5）等精度(jīnɡdù)测频法16第十六页，共五十六页。整理课件四、系统(xìtǒng)组成及原理4.1峰值检波器17第十七页，共五十六页。整理课件18第十八页，共五十六页。整理课件2）方法(fāngfǎ)219第十九页，共五十六页。整理课件4.2输入衰减(shuāijiǎn)电路脉冲输入信号为单极性信号，0.2Vp～5.0Vp，由于部分ADC转换器最大输入电压为2.5V/3.3V，部分比较器最大输入电压<5.0V，最好(zuìhǎo)再设计2倍的输入衰减电路。20第二十页，共五十六页。整理课件4.3高速(ɡāosù)比较器基本部分(bùfen)：脉冲信号频率1Hz～100KHz，最小周期为10us发挥部分：脉冲信号频率1Hz～500KHz，最小周期为2us信号周期至少为比较器响应时间的2倍以上，因此比较器响应时间<1us21第二十一页，共五十六页。整理课件比较(bǐjiào)器型号LT1715－采用(cǎiyòng)独立输入/输出电源的4ns响应时间、150MHz双通道比较器LM393－2通道，1.3us延时LM319－2通道，80ns响应时间ADI模拟器件公司比较器产品选型指南22第二十二页，共五十六页。整理课件4.4ADC转换(zhuǎnhuàn)电路（1）ADC位数已知脉冲信号(xìnhào)为单极性0.2Vp～5.0Vp，幅度测量精度≤±2%；±2%×0.2Vp＝±0.004V，5.0/0.004=1250<212，A/D转换器位数12位（2）参考电压源应采用基准电压源23第二十三页，共五十六页。整理课件（3）

转换(zhuǎnhuàn)速度1）采用峰值检波方式：AD测量值为直流信号一般ADC均可满足要求；2）采用高速ADC采样方式：基本(jīběn)部分：1Hz～100KHzfs＝10fimax＝1000KHz发挥部分：1Hz～500KHzfs＝10fimax＝5MHz24第二十四页，共五十六页。整理课件（4）ADC型号(xínghào)ADC0809：60us（1MHz时钟(shízhōng)） 8位AD574：35us 12位ADC0832：20us 8位ADS7950：0.8us 12位ADS802：0.1us 12位并行接口ADS7883：3MSPS12位SPI接口25第二十五页，共五十六页。整理课件4.5比较(bǐjiào)电平设置比较器电平设置通过(tōngguò)D/A转换器实现，电平范围为0～5.0V，共两个通道。（1）DAC位数

当输入被测脉冲幅度为0.2Vp时，最小比较电平为10％×0.2Vp＝0.02V，则5/0.02=250，至少需要8位DAC。（2）DAC速度要求不高26第二十六页，共五十六页。整理课件（3）主要(zhǔyào)DAC型号TLV56268位1us2路DAC，SPI接口，电压(diànyā)输出DAC55748位8us4路DAC，I2C接口，电压输出LTC26318位3.2us1路DAC，I2C接口，电压输出AD53378位6us2路DAC，I2C接口，电压输出27第二十七页，共五十六页。整理课件4.6

显示(xiǎnshì)电路该题目主要显示脉冲幅度，上升和下降时间，脉冲宽度，频率，周期，占空比等信息。采用(cǎiyòng)字符型液晶显示即可。ArduinoLCD1602：IIC接口SMC1602SA：3线接口LCD1602：并行接口12232F：122×32串并行接口12864：128×64串并行接口28第二十八页，共五十六页。整理课件4.7

微处理器（1）

AT89S5129通用IO32SRAM128BFLASH4KB接口UARTADC0DAC016位定时/计数器2捕获/比较寄存器0最大时钟频率fsclk33MHz最大计数频率fsclk/24最小定时周期Tsclk第二十九页，共五十六页。整理课件（2）C8051F02030通用IO64SRAM4K+256BFLASH64KB接口SPI，IIC，UARTADC12位100KSPS，8位500KSPSDAC12位2个16位定时/计数器5捕获/比较寄存器有最大时钟频率fsclk25MHz最大计数频率fsclk/4最小定时周期Tsclk第三十页，共五十六页。整理课件（3）

MSP430G2553IPW2031通用IO16SRAM512BFLASH16KB接口SPI，IIC，UARTADC10位200KSPSDAC12位2个16位定时/计数器2捕获/比较寄存器3最大时钟频率fsclk16MHz最大计数频率fsclk最小定时周期20ns第三十一页，共五十六页。整理课件（4）STM32F103C832通用IO37SRAM20KBFLASH64KB接口SPI，IIC，UARTADC12位1MSPSDAC12位2个16位定时/计数器4捕获/比较寄存器有最大时钟频率fsclk72MHz最大计数频率Fsclk/2最小定时周期13.9ns第三十二页，共五十六页。整理课件4.8基于(jīyú)AT89S51的系统结构（1）系统结构33第三十三页，共五十六页。整理课件（2）测试步骤1）DAC2逐步逼近检测VM2）DAC210％Vm，DAC190％Vm3）定时器0内部定时，INT0作为闸门时间，测上升和下降时间，INT0中断时读数，通过检测P1.0和P3.5（T1）识别(shíbié)上升和下降时间；计数器1外部计数，测频率f4）DAC250％Vm，DAC1>100％Vm，INT0对应时间为脉宽tw，INT1对应时间为周期T34第三十四页，共五十六页。整理课件4.9基于MSP430G2553的测试(cèshì)结构35第三十五页，共五十六页。整理课件1）MSP-EXP430G2开发板MSP430G2553单片机管脚为20，IO口16个；2）采用I2C接口或SPI接口的双路DAC；3）采用串行接口的液晶模块；4）在IO允许情况下可采用少量独立(dúlì)按键。36第三十六页，共五十六页。整理课件4.10基于(jīyú)FPGA的测试结构37第三十七页，共五十六页。整理课件5

软件设计5.1显示模块（1）底层驱动解决液晶读写操作，时序(shíxù)匹配，如果检测忙标志，尽量加入超时检测（2）初始化程序函数完成液晶的初始化设置38第三十八页，共五十六页。整理课件（3）定点显示字符串函数用来在指定(zhǐdìng)位置显示相关提示信息（4）定点显示十进制数函数便于调试中显示相关结果39第三十九页，共五十六页。整理课件5.2ADC驱动程序（1）底层驱动ADC信号定义；利用单片机IO口实现ADC接口时序，ADC采集函数(hánshù)返回二进制采集结果；（2）应用程序1）定时采集函数利用定时中断方式实现采样，可方便修改采样频率。40第四十页，共五十六页。整理课件2）脉冲幅度计算(jìsuàn)采用高速采样的方式测量脉冲幅度，可采取算术平均值或滑动平均值方式进行处理。3）测量结果－电压转换41第四十一页，共五十六页。整理课件5.3DAC驱动程序（1）底层驱动DAC信号定义；利用单片机IO口实现DAC接口时序，DAC输出函数；（2）应用程序1）电平设置函数入口(rùkǒu)参数：上限和下限电平百分比，脉冲幅度。根据需要编写单独的上限和下限电平设置函数。2）峰值逼近函数入口参数：起始电压，终止电压，电压步进出口参数：脉冲峰值调用：比较器结果检测42第四十二页，共五十六页。整理课件5.4

频率(pínlǜ)测量5.4.1测频法16位定时(dìnɡshí)/计数器闸门T1秒：频率范围：1Hz～65.535KHz 闸门T0.1秒：频率范围：10Hz～655.35KHz闸门时间实现方式，定时中断或时基中断实现。43第四十三页，共五十六页。整理课件5.4.2测周法选择内部时钟作为定时/计数(jìshù)器计数(jìshù)脉冲，以被测信号2分频信号作为闸门，闸门的实现方式：AT89S51：闸门信号从INT0或INT1输入；C8051F，MSP430，STM32均可通过捕获寄存器实现，上升沿捕获读取计数器结果N1，下降沿捕获读取计数结果N2，最后计数结果N＝N2-N1。

根据Tmax＝65535×Tc，合理选择内部计数时钟，Tc越小，测量精度越高，但周期测量范围越小。44第四十四页，共五十六页。整理课件5.4.3测频和测周法选择(xuǎnzé)（1）中界频率如AT89S51单片机，闸门时间(shíjiān)为0.1秒，内部计数脉冲1us，中界频率为3.16KHz（2）测量方法选择fx<3.16KHz：测周fx>3.16KHz：测频45第四十五页，共五十六页。整理课件5.4.4时间间隔(jiàngé)测量（1）脉冲周期T基本部分：10us～1s；发挥(fāhuī)部分：2us～1s；（2）脉冲宽度tw基本部分：10％～90％占空比，1us～0.9s发挥部分：5％～95％占空比，0.1us～0.95s（3）三角波上升时间tr和下降时间tft＝0.4×T基本部分：4us～0.4s；发挥部分：0.8us～0.4s；（4）占空比qq＝tw/T46第四十六页，共五十六页。整理课件（5）时间(shíjiān)间隔测量方法时间间隔的测量方法同周期测量法，根据测量结果选择时钟频率。1）AT89S51

Tmax＝65535×1us＝65.535ms，无法直接测>65.535ms的时间间隔，可以(kěyǐ)利用一个8位计数变量TWH对溢出计数，即可扩展为24位计数结果，得到计数结果N＝TWH×65536＋TH×256＋TL47第四十七页，共五十六页。整理课件2）MSP430G2553

系统时钟为16MHz，定时器时钟设置为SMCLK，SMCLK时钟源为XT2CLK，定时器时钟源为SMCLK，SMCLK分频(fēnpín)DIVSx可选择1，2，4，8，定时器输入分频IDx可选择1，2，4，8。选择DIVSx＝8，

Idx＝8，则计数频率为0.25MHz，计数周期4us，最大时间间隔为262.14ms，为了测量更大的时间间隔，同样需要增加计数变量，以扩展计数器位数。48第四十八页，共五十六页。整理课件DIVSxIdx1248时间间隔10.06250.1250.250.5最小单位us20.1250.250.5140.250.51280.512414.0959388.19187516.3837532.7675最大单位ms28.19187516.3837532.767565.535416.3837532.767565.535131.07832.767565.535131.07262.1449第四十九页，共五十六页。整理课件6系统(xìtǒng)调试（1）安装前测试测电源(diànyuán)与地之间的电阻，判断是否短路；肉眼观察电路板，线与线之间是否短路，是否有线腐蚀断了。（2）安装器件1）按功能模块安装器件，按器件高度由低到高，体积由小到大的顺序安装器件2）安装好关键器件后检测电源和地之间是否短路3）安装时确定器件型号，参数，方向50第五十页，共五十六页。整理课件（3）安装(ānzhuāng)后测试1）首先(shǒuxiān)检测电源和地2）肉眼观察是否有短路，虚焊，器件型号，方向错误3）