脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀

1、比賽題目講解黃黃 新新2012.05.122012.05.12脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀一、任務(wù)一、任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)脈沖信號(hào)測(cè)試儀，可以測(cè)量脈沖設(shè)計(jì)制作一個(gè)脈沖信號(hào)測(cè)試儀，可以測(cè)量脈沖信號(hào)的幅值、頻率、周期、占空比、上升和下信號(hào)的幅值、頻率、周期、占空比、上升和下降時(shí)間等參數(shù)。降時(shí)間等參數(shù)。23二、要求二、要求1.基本功能基本功能（1）脈沖信號(hào)幅值范圍為：）脈沖信號(hào)幅值范圍為：0.2VP5VP，測(cè)量精度，測(cè)量精度2%；（2）脈沖信號(hào)頻率范圍為：）脈沖信號(hào)頻率范圍為：1Hz100KHz；頻率測(cè)量；頻率測(cè)量精度精度0.1%，周期測(cè)量精度，周期測(cè)量精度0.1%（3）占空比測(cè)量范圍為：）占空

2、比測(cè)量范圍為：1090，測(cè)量誤差，測(cè)量誤差10；（4）比較電平設(shè)置范圍：）比較電平設(shè)置范圍：0.2V5V，步進(jìn)小于，步進(jìn)小于0.2V； （5）上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量范圍為）上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量范圍為1us1ms，測(cè)，測(cè)量誤差量誤差1us；42.發(fā)揮部分發(fā)揮部分（1）脈沖信號(hào)頻率范圍為：）脈沖信號(hào)頻率范圍為：1Hz500KHz；頻；頻率測(cè)量精度率測(cè)量精度0.01%，周期測(cè)量精度，周期測(cè)量精度0.01%；（2）占空比測(cè)量范圍為：）占空比測(cè)量范圍為：595，測(cè)量誤，測(cè)量誤差差5； （3）上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量范圍為）上升時(shí)間和下降時(shí)間測(cè)量范圍為20ns1ms，測(cè)量誤差，測(cè)量誤差20ns；（4）其它

3、。）其它。5三、脈沖信號(hào)三、脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)量原理參數(shù)測(cè)量原理3.1脈沖參數(shù)脈沖參數(shù)（1）脈沖）脈沖信號(hào)信號(hào)幅度幅度Vm（2）脈沖信號(hào)頻率）脈沖信號(hào)頻率f，周期周期T，脈沖寬度脈沖寬度tw ；（3）脈沖信號(hào)占空比）脈沖信號(hào)占空比q tw/ T ；（4）脈沖信號(hào)上升時(shí)間）脈沖信號(hào)上升時(shí)間tr，下降時(shí)間，下降時(shí)間tf。63.2脈沖幅度測(cè)量方法脈沖幅度測(cè)量方法3.2.1峰值檢波法峰值檢波法 輸入脈沖信號(hào)為單極性信號(hào)，可利用峰值輸入脈沖信號(hào)為單極性信號(hào)，可利用峰值檢波器檢測(cè)輸入脈沖信號(hào)的峰值，然后利用檢波器檢測(cè)輸入脈沖信號(hào)的峰值，然后利用A/D測(cè)量峰值從而得到脈沖信號(hào)的幅度，測(cè)量峰值從而得到脈沖信號(hào)的幅

4、度， 對(duì)脈對(duì)脈沖波形該方法會(huì)造成幅度誤差，對(duì)題目給定的沖波形該方法會(huì)造成幅度誤差，對(duì)題目給定的單極性三角波，可直接將峰值作為脈沖幅度。單極性三角波，可直接將峰值作為脈沖幅度。73.2.2脈沖幅度脈沖幅度比較法比較法預(yù)置比較電平，當(dāng)預(yù)置比較電平，當(dāng)比較器輸出低電平比較器輸出低電平時(shí)，說(shuō)明脈沖信號(hào)時(shí)，說(shuō)明脈沖信號(hào)幅度大于比較電平，幅度大于比較電平，按一定步進(jìn)增加比按一定步進(jìn)增加比較電平，直至比較較電平，直至比較器輸出高電平，此器輸出高電平，此時(shí)比較電平為脈沖時(shí)比較電平為脈沖信號(hào)的峰值。信號(hào)的峰值。83.2.3 高速高速A/D采集采集 被測(cè)信號(hào)頻率為被測(cè)信號(hào)頻率為1Hz500KHz，一個(gè)周期采集，一

5、個(gè)周期采集10個(gè)點(diǎn)，至少需要個(gè)點(diǎn)，至少需要500KHz105MHz的采樣率。的采樣率。 （1）被測(cè)信號(hào)為脈沖信號(hào)）被測(cè)信號(hào)為脈沖信號(hào)在峰值點(diǎn)開始連續(xù)采集在峰值點(diǎn)開始連續(xù)采集2M1個(gè)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算個(gè)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算2M1個(gè)點(diǎn)的算術(shù)平均值獲得被測(cè)脈沖信號(hào)的幅度頂個(gè)點(diǎn)的算術(shù)平均值獲得被測(cè)脈沖信號(hào)的幅度頂值（即單極性信號(hào)的幅度值）值（即單極性信號(hào)的幅度值） （2）被測(cè)信號(hào)為三角波）被測(cè)信號(hào)為三角波至少采集半個(gè)周期以上數(shù)據(jù)點(diǎn)，極大值與極小值至少采集半個(gè)周期以上數(shù)據(jù)點(diǎn)，極大值與極小值的差即為三角波的幅度的差即為三角波的幅度93.3脈寬及上升和下降時(shí)間測(cè)量原理脈寬及上升和下降時(shí)間測(cè)量原理103.4占空比測(cè)量原理占

6、空比測(cè)量原理113.5 頻率測(cè)量原理頻率測(cè)量原理（1）直接測(cè)頻）直接測(cè)頻根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在根據(jù)頻率的定義，若某一信號(hào)在T秒時(shí)間內(nèi)重秒時(shí)間內(nèi)重復(fù)變化了復(fù)變化了N次，則該信號(hào)的頻率次，則該信號(hào)的頻率12TNfxccxxxffTfff1（2）直接測(cè)周）直接測(cè)周13cxNTT cccxxxfffTTT1（3）中界頻率）中界頻率14|1|1cccxccxfffTffTfTfffcxMfxfM采用測(cè)頻fxfM采用測(cè)周（4）測(cè)頻測(cè)周方案）測(cè)頻測(cè)周方案15（5）等精度測(cè)頻法）等精度測(cè)頻法16cccxxffNff1ccxxTNNf四四、系統(tǒng)組成及原理、系統(tǒng)組成及原理4.1峰值檢波器峰值檢波器17182

7、）方法）方法2194.2輸入衰減電路輸入衰減電路 脈沖輸入信號(hào)為單極性信號(hào)，脈沖輸入信號(hào)為單極性信號(hào)，0.2Vp5.0Vp，由于部分，由于部分ADC轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓為轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓為2.5V/3.3V，部分比較器最大輸入電壓，部分比較器最大輸入電壓5.0V，最好最好再再設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)2倍的輸入衰減電路。倍的輸入衰減電路。204.3高速比較器高速比較器基本部分：脈沖信號(hào)頻率基本部分：脈沖信號(hào)頻率1Hz100KHz，最小，最小周期為周期為10us發(fā)揮部分：發(fā)揮部分：脈沖信號(hào)頻率脈沖信號(hào)頻率1Hz500KHz，最小，最小周期周期為為2us信號(hào)周期至少為比較器響應(yīng)時(shí)間的信號(hào)周期至少為比較器響應(yīng)時(shí)間的2

8、倍以上，倍以上，因此比較器響應(yīng)時(shí)間因此比較器響應(yīng)時(shí)間1us21比較器型號(hào)比較器型號(hào)LT1715 采用采用獨(dú)立輸入獨(dú)立輸入/輸出電源的輸出電源的 4ns響應(yīng)時(shí)響應(yīng)時(shí)間、間、150MHz 雙通道比較器雙通道比較器LM3932通道通道，1.3us延時(shí)延時(shí)LM3192通道，通道，80ns響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間ADI 模擬器件公司比較器模擬器件公司比較器產(chǎn)品選型指南產(chǎn)品選型指南224.4 ADC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路（1）ADC位數(shù)位數(shù)已知已知脈沖信號(hào)為單極性脈沖信號(hào)為單極性0.2Vp5.0Vp，幅度測(cè)，幅度測(cè)量精度量精度2%；2%0.2Vp0.004V，5.0/0.004=1250100Vm，INT0對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)時(shí)間

9、為脈寬時(shí)間為脈寬tw，INT1對(duì)應(yīng)時(shí)間為周期對(duì)應(yīng)時(shí)間為周期T344.9基于基于MSP430G2553的測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)構(gòu)351）MSP-EXP430G2開發(fā)板開發(fā)板MSP430G2553單片機(jī)單片機(jī)管腳為管腳為20，IO口口16個(gè)；個(gè)；2）采用）采用I2C接口或接口或SPI接口的雙路接口的雙路DAC；3）采用串行接口的液晶模塊；）采用串行接口的液晶模塊；4）在）在IO允許情況下可采用少量獨(dú)立按鍵。允許情況下可采用少量獨(dú)立按鍵。364.10 基于基于FPGA的測(cè)試結(jié)構(gòu)的測(cè)試結(jié)構(gòu)375 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)5.1 顯示模塊顯示模塊（1）底層驅(qū)動(dòng)）底層驅(qū)動(dòng)解決液晶讀寫操作，時(shí)序匹配，如果檢測(cè)忙標(biāo)解決液晶

10、讀寫操作，時(shí)序匹配，如果檢測(cè)忙標(biāo)志，盡量加入超時(shí)檢測(cè)志，盡量加入超時(shí)檢測(cè)（2）初始化程序函數(shù)）初始化程序函數(shù)完成液晶的初始化設(shè)置完成液晶的初始化設(shè)置38（3）定點(diǎn)顯示字符串函數(shù)）定點(diǎn)顯示字符串函數(shù)用來(lái)在指定位置顯示相關(guān)提示信息用來(lái)在指定位置顯示相關(guān)提示信息（4）定點(diǎn)顯示十進(jìn)制數(shù)函數(shù)）定點(diǎn)顯示十進(jìn)制數(shù)函數(shù)便于調(diào)試中顯示相關(guān)結(jié)果便于調(diào)試中顯示相關(guān)結(jié)果395.2 ADC驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序（1）底層驅(qū)動(dòng)）底層驅(qū)動(dòng)ADC信號(hào)定義；利用單片機(jī)信號(hào)定義；利用單片機(jī)IO口實(shí)現(xiàn)口實(shí)現(xiàn)ADC接口接口時(shí)序時(shí)序，ADC采集函數(shù)返回二進(jìn)制采集結(jié)果；采集函數(shù)返回二進(jìn)制采集結(jié)果；（2）應(yīng)用程序）應(yīng)用程序1）定時(shí)采集函數(shù)）定時(shí)

11、采集函數(shù)利用定時(shí)中斷利用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)采樣，可方便修改采樣方式實(shí)現(xiàn)采樣，可方便修改采樣頻率。頻率。402）脈沖幅度計(jì)算）脈沖幅度計(jì)算采用高速采樣的方式測(cè)量脈沖幅度，可采取算采用高速采樣的方式測(cè)量脈沖幅度，可采取算術(shù)平均值或滑動(dòng)平均值方式進(jìn)行處理。術(shù)平均值或滑動(dòng)平均值方式進(jìn)行處理。3）測(cè)量結(jié)果電壓轉(zhuǎn)換測(cè)量結(jié)果電壓轉(zhuǎn)換4112nrefiVADDataV5.3DAC驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序（1）底層驅(qū)動(dòng)）底層驅(qū)動(dòng)DAC信號(hào)信號(hào)定義；利用單片機(jī)定義；利用單片機(jī)IO口口實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)DAC接口接口時(shí)序時(shí)序，DAC輸出函數(shù)；輸出函數(shù)；（2）應(yīng)用程序）應(yīng)用程序1）電平設(shè)置函數(shù)）電平設(shè)置函數(shù)入口參數(shù)：上限和下限電平百分比

12、，脈沖幅度。根據(jù)入口參數(shù)：上限和下限電平百分比，脈沖幅度。根據(jù)需要編寫單獨(dú)的上限和下限電平設(shè)置函數(shù)。需要編寫單獨(dú)的上限和下限電平設(shè)置函數(shù)。2）峰值逼近函數(shù)）峰值逼近函數(shù)入口參數(shù)：起始電壓，終止電壓，電壓步進(jìn)入口參數(shù)：起始電壓，終止電壓，電壓步進(jìn)出口參數(shù)：脈沖峰值出口參數(shù)：脈沖峰值調(diào)用：比較器結(jié)果檢測(cè)調(diào)用：比較器結(jié)果檢測(cè)425.4 頻率測(cè)量頻率測(cè)量5.4.1測(cè)頻法測(cè)頻法16位定時(shí)位定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器閘門閘門T 1秒秒：頻率范圍：頻率范圍：1Hz65.535KHz閘門閘門T 0.1秒秒：頻率范圍：頻率范圍： 10Hz655.35KHz 閘門時(shí)間實(shí)現(xiàn)方式，定時(shí)中斷或時(shí)基中斷實(shí)現(xiàn)。閘門時(shí)間實(shí)現(xiàn)方式，定

13、時(shí)中斷或時(shí)基中斷實(shí)現(xiàn)。435.4.2測(cè)周法測(cè)周法 選擇內(nèi)部時(shí)鐘作為定時(shí)選擇內(nèi)部時(shí)鐘作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖，以計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖，以被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)2分頻信號(hào)作為閘門，閘門的實(shí)現(xiàn)方式：分頻信號(hào)作為閘門，閘門的實(shí)現(xiàn)方式：AT89S51：閘門信號(hào)從：閘門信號(hào)從INT0或或INT1輸入；輸入；C8051F，MSP430，STM32均可通過(guò)捕獲寄存器實(shí)均可通過(guò)捕獲寄存器實(shí)現(xiàn)，上升沿捕獲讀取計(jì)數(shù)器結(jié)果現(xiàn)，上升沿捕獲讀取計(jì)數(shù)器結(jié)果N1，下降沿捕獲，下降沿捕獲讀取計(jì)數(shù)結(jié)果讀取計(jì)數(shù)結(jié)果N2，最后計(jì)數(shù)結(jié)果，最后計(jì)數(shù)結(jié)果NN2-N1。 根據(jù)根據(jù)Tmax65535Tc，合理選擇內(nèi)部計(jì)數(shù)，合理選擇內(nèi)部計(jì)數(shù)時(shí)鐘，時(shí)鐘，Tc

14、越小，測(cè)量精度越高，但周期測(cè)量范圍越小，測(cè)量精度越高，但周期測(cè)量范圍越小。越小。445.4.3測(cè)頻和測(cè)周法選擇測(cè)頻和測(cè)周法選擇（1）中界頻率）中界頻率如如AT89S51單片機(jī)，閘門時(shí)間為單片機(jī)，閘門時(shí)間為0.1秒，內(nèi)部計(jì)數(shù)脈秒，內(nèi)部計(jì)數(shù)脈沖沖1us，中界頻率為，中界頻率為3.16KHz（2）測(cè)量方法選擇）測(cè)量方法選擇fx3.16KHz：測(cè)測(cè)頻頻45TTTffccM15.4.4時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量（1）脈沖周期）脈沖周期T基本部分：基本部分：10us1s；發(fā)揮部分：；發(fā)揮部分：2us1s；（2）脈沖寬度）脈沖寬度tw基本基本部分：部分：1090占空比，占空比，1us0.9s發(fā)揮發(fā)揮部分：部分

15、：595占空比，占空比，0.1us0.95s（3）三角波上升時(shí)間）三角波上升時(shí)間tr和下降時(shí)間和下降時(shí)間tft0.4T 基本部分基本部分：4us0.4s；發(fā)揮部分；發(fā)揮部分：0.8us0.4s；（4）占空比）占空比qqtw/T46（5）時(shí)間間隔測(cè)量方法）時(shí)間間隔測(cè)量方法 時(shí)間間隔的測(cè)量方法同周期測(cè)量法，根據(jù)時(shí)間間隔的測(cè)量方法同周期測(cè)量法，根據(jù)測(cè)量結(jié)果選擇時(shí)鐘頻率。測(cè)量結(jié)果選擇時(shí)鐘頻率。1）AT89S51 Tmax655351us65.535ms，無(wú)法直接，無(wú)法直接測(cè)測(cè)65.535ms的時(shí)間間隔，可以利用一個(gè)的時(shí)間間隔，可以利用一個(gè)8位位計(jì)計(jì)數(shù)變量數(shù)變量TWH對(duì)溢出計(jì)數(shù)，即可擴(kuò)展為對(duì)溢出計(jì)數(shù)，即

16、可擴(kuò)展為24位計(jì)數(shù)位計(jì)數(shù)結(jié)果，得到計(jì)數(shù)結(jié)果結(jié)果，得到計(jì)數(shù)結(jié)果NTWH65536TH256TL472） MSP430G2553 系統(tǒng)時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘為16MHz，定時(shí)器時(shí)鐘設(shè)置為，定時(shí)器時(shí)鐘設(shè)置為SMCLK，SMCLK時(shí)鐘源為時(shí)鐘源為XT2CLK，定時(shí)器時(shí)鐘源為，定時(shí)器時(shí)鐘源為SMCLK，SMCLK分頻分頻DIVSx 可選擇可選擇1，2，4，8，定，定時(shí)器輸入分頻時(shí)器輸入分頻IDx可可選擇選擇1，2，4，8。選擇選擇DIVSx8， Idx8，則計(jì)數(shù)頻率為，則計(jì)數(shù)頻率為0.25MHz，計(jì)數(shù)周期計(jì)數(shù)周期4us，最大時(shí)間間隔為，最大時(shí)間間隔為262.14ms，為了測(cè)，為了測(cè)量更大的時(shí)間間隔，同樣需要增加

17、計(jì)數(shù)變量，以量更大的時(shí)間間隔，同樣需要增加計(jì)數(shù)變量，以擴(kuò)展計(jì)數(shù)器位數(shù)。擴(kuò)展計(jì)數(shù)器位數(shù)。48 DIVSxIdx1248時(shí)間間隔時(shí)間間隔10.06250.1250.250.5最小單位us20.1250.250.5140.250.51280.512414.0959388.19187516.3837532.7675最大單位ms28.19187516.3837532.767565.535416.3837532.767565.535131.07832.767565.535131.07262.14496 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試（1）安裝前測(cè)試）安裝前測(cè)試 測(cè)電源與地之間的電阻，判斷是否短路；肉測(cè)電源與地之間的電阻

18、，判斷是否短路；肉眼觀察電路板，線與線之間是否短路，是否有線眼觀察電路板，線與線之間是否短路，是否有線腐蝕斷了。腐蝕斷了。（2）安裝）安裝器件器件 1）按功能模塊安裝）按功能模塊安裝器件，按器件，按器件高度由低到器件高度由低到高，體積由小到大的順序安裝器件高，體積由小到大的順序安裝器件 2）安裝好關(guān)鍵器件后檢測(cè)電源和地之間是否安裝好關(guān)鍵器件后檢測(cè)電源和地之間是否短路短路 3）安裝安裝時(shí)確定時(shí)確定器件型號(hào)，參數(shù)，方向器件型號(hào)，參數(shù)，方向50（3）安裝后測(cè)試）安裝后測(cè)試1）首先檢測(cè)電源和地）首先檢測(cè)電源和地2）肉眼觀察是否有短路，虛焊，器件型號(hào)，方向）肉眼觀察是否有短路，虛焊，器件型號(hào)，方向錯(cuò)誤錯(cuò)誤3）檢測(cè)關(guān)鍵信號(hào)線）檢測(cè)關(guān)鍵信號(hào)線4）加電測(cè)試）加電測(cè)試首先確定電源是否符合要求首先確定電源是否符合要求加電瞬間觀察是否有異常，如發(fā)熱等，有異常加電瞬間觀察是否有異常，如發(fā)熱等，有異常迅速斷電檢查迅速斷電檢查通電正常后，