脈沖信號參數(shù)測試儀

2012年廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計競賽(jìngsài)

第一階段比賽題目(tímù)講解黃新2012.05.12第一頁，共五十六頁。脈沖信號(xìnhào)參數(shù)測試儀一、任務(wù)設(shè)計制作一個脈沖(màichōng)信號測試儀，可以測量脈沖(màichōng)信號的幅值、頻率、周期、占空比、上升和下降時間等參數(shù)。2第二頁，共五十六頁。整理課件3第三頁，共五十六頁。整理課件二、要求(yāoqiú)1.基本功能（1）脈沖信號幅值范圍為：0.2VP～5VP，測量精度≤±2%；（2）脈沖信號頻率(pínlǜ)范圍為：1Hz～100KHz；頻率測量精度≤±0.1%，周期測量精度≤±0.1%（3）占空比測量范圍為：10％～90％，測量誤差≤10％；（4）比較電平設(shè)置范圍：0.2V～5V，步進(jìn)小于0.2V；（5）上升時間和下降時間測量范圍為1us～1ms，測量誤差≤1us；4第四頁，共五十六頁。整理課件2.發(fā)揮(fāhuī)部分（1）脈沖信號頻率(pínlǜ)范圍為：1Hz～500KHz；頻率測量精度≤±0.01%，周期測量精度≤±0.01%；（2）占空比測量范圍為：5％～95％，測量誤差≤5％；（3）上升時間和下降時間測量范圍為20ns～1ms，測量誤差≤20ns；（4）其它。5第五頁，共五十六頁。整理課件三、脈沖信號參數(shù)測量(cèliáng)原理3.1脈沖(màichōng)參數(shù)（1）脈沖信號幅度Vm（2）脈沖信號頻率f，周期T，脈沖寬度tw

；（3）脈沖信號占空比q＝

tw/T；（4）脈沖信號上升時間tr，下降時間tf。6第六頁，共五十六頁。整理課件3.2脈沖幅度測量方法3.2.1峰值檢波法輸入脈沖信號為單極性信號，可利用峰值檢波器檢測輸入脈沖信號的峰值，然后利用A/D測量峰值從而(cóngér)得到脈沖信號的幅度，對脈沖波形該方法會造成幅度誤差，對題目給定的單極性三角波，可直接將峰值作為脈沖幅度。7第七頁，共五十六頁。整理課件3.2.2脈沖幅度比較法預(yù)置比較電平(diànpínɡ)，當(dāng)比較器輸出低電平(diànpínɡ)時，說明脈沖信號幅度大于比較電平(diànpínɡ)，按一定步進(jìn)增加比較電平(diànpínɡ)，直至比較器輸出高電平(diànpínɡ)，此時比較電平(diànpínɡ)為脈沖信號的峰值。8第八頁，共五十六頁。整理課件3.2.3高速(ɡāosù)A/D采集被測信號頻率為1Hz～500KHz，一個周期采集10個點，至少需要500KHz×10＝5MHz的采樣率。（1）被測信號為脈沖信號在峰值點開始連續(xù)采集2M＋1個點，通過計算2M＋1個點的算術(shù)平均值獲得(huòdé)被測脈沖信號的幅度頂值（即單極性信號的幅度值）（2）被測信號為三角波至少采集半個周期以上數(shù)據(jù)點，極大值與極小值的差即為三角波的幅度9第九頁，共五十六頁。整理課件3.3脈寬及上升(shàngshēng)和下降時間測量原理10第十頁，共五十六頁。整理課件3.4占空比測量(cèliáng)原理11第十一頁，共五十六頁。整理課件3.5

頻率(pínlǜ)測量原理（1）直接測頻根據(jù)頻率的定義(dìngyì)，若某一信號在T秒時間內(nèi)重復(fù)變化了N次，則該信號的頻率12第十二頁，共五十六頁。整理課件（2）直接(zhíjiē)測周13第十三頁，共五十六頁。整理課件（3）中界頻率(pínlǜ)14fx>fM采用(cǎiyòng)測頻fx<fM采用測周第十四頁，共五十六頁。整理課件（4）測頻測周方案(fāngàn)15第十五頁，共五十六頁。整理課件（5）等精度(jīnɡdù)測頻法16第十六頁，共五十六頁。整理課件四、系統(tǒng)(xìtǒng)組成及原理4.1峰值檢波器17第十七頁，共五十六頁。整理課件18第十八頁，共五十六頁。整理課件2）方法(fāngfǎ)219第十九頁，共五十六頁。整理課件4.2輸入衰減(shuāijiǎn)電路脈沖輸入信號為單極性信號，0.2Vp～5.0Vp，由于部分ADC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<5.0V，最好(zuìhǎo)再設(shè)計2倍的輸入衰減電路。20第二十頁，共五十六頁。整理課件4.3高速(ɡāosù)比較器基本部分(bùfen)：脈沖信號頻率1Hz～100KHz，最小周期為10us發(fā)揮部分：脈沖信號頻率1Hz～500KHz，最小周期為2us信號周期至少為比較器響應(yīng)時間的2倍以上，因此比較器響應(yīng)時間<1us21第二十一頁，共五十六頁。整理課件比較(bǐjiào)器型號LT1715－采用(cǎiyòng)獨立輸入/輸出電源的4ns響應(yīng)時間、150MHz雙通道比較器LM393－2通道，1.3us延時LM319－2通道，80ns響應(yīng)時間ADI模擬器件公司比較器產(chǎn)品選型指南22第二十二頁，共五十六頁。整理課件4.4ADC轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)電路（1）ADC位數(shù)已知脈沖信號(xìnhào)為單極性0.2Vp～5.0Vp，幅度測量精度≤±2%；±2%×0.2Vp＝±0.004V，5.0/0.004=1250<212，A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)12位（2）參考電壓源應(yīng)采用基準(zhǔn)電壓源23第二十三頁，共五十六頁。整理課件（3）

轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)速度1）采用峰值檢波方式：AD測量值為直流信號一般ADC均可滿足要求；2）采用高速ADC采樣方式：基本(jīběn)部分：1Hz～100KHzfs＝10fimax＝1000KHz發(fā)揮部分：1Hz～500KHzfs＝10fimax＝5MHz24第二十四頁，共五十六頁。整理課件（4）ADC型號(xínghào)ADC0809：60us（1MHz時鐘(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第二十五頁，共五十六頁。整理課件4.5比較(bǐjiào)電平設(shè)置比較器電平設(shè)置通過(tōngguò)D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，電平范圍為0～5.0V，共兩個通道。（1）DAC位數(shù)

當(dāng)輸入被測脈沖幅度為0.2Vp時，最小比較電平為10％×0.2Vp＝0.02V，則5/0.02=250，至少需要8位DAC。（2）DAC速度要求不高26第二十六頁，共五十六頁。整理課件（3）主要(zhǔyào)DAC型號TLV56268位1us2路DAC，SPI接口，電壓(diànyā)輸出DAC55748位8us4路DAC，I2C接口，電壓輸出LTC26318位3.2us1路DAC，I2C接口，電壓輸出AD53378位6us2路DAC，I2C接口，電壓輸出27第二十七頁，共五十六頁。整理課件4.6

顯示(xiǎnshì)電路該題目主要顯示脈沖幅度，上升和下降時間，脈沖寬度，頻率，周期，占空比等信息。采用(cǎiyòng)字符型液晶顯示即可。ArduinoLCD1602：IIC接口SMC1602SA：3線接口LCD1602：并行接口12232F：122×32串并行接口12864：128×64串并行接口28第二十八頁，共五十六頁。整理課件4.7

微處理器（1）

AT89S5129通用IO32SRAM128BFLASH4KB接口UARTADC0DAC016位定時/計數(shù)器2捕獲/比較寄存器0最大時鐘頻率fsclk33MHz最大計數(shù)頻率fsclk/24最小定時周期Tsclk第二十九頁，共五十六頁。整理課件（2）C8051F02030通用IO64SRAM4K+256BFLASH64KB接口SPI，IIC，UARTADC12位100KSPS，8位500KSPSDAC12位2個16位定時/計數(shù)器5捕獲/比較寄存器有最大時鐘頻率fsclk25MHz最大計數(shù)頻率fsclk/4最小定時周期Tsclk第三十頁，共五十六頁。整理課件（3）

MSP430G2553IPW2031通用IO16SRAM512BFLASH16KB接口SPI，IIC，UARTADC10位200KSPSDAC12位2個16位定時/計數(shù)器2捕獲/比較寄存器3最大時鐘頻率fsclk16MHz最大計數(shù)頻率fsclk最小定時周期20ns第三十一頁，共五十六頁。整理課件（4）STM32F103C832通用IO37SRAM20KBFLASH64KB接口SPI，IIC，UARTADC12位1MSPSDAC12位2個16位定時/計數(shù)器4捕獲/比較寄存器有最大時鐘頻率fsclk72MHz最大計數(shù)頻率Fsclk/2最小定時周期13.9ns第三十二頁，共五十六頁。整理課件4.8基于(jīyú)AT89S51的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)33第三十三頁，共五十六頁。整理課件（2）測試步驟1）DAC2逐步逼近檢測VM2）DAC210％Vm，DAC190％Vm3）定時器0內(nèi)部定時，INT0作為閘門時間，測上升和下降時間，INT0中斷時讀數(shù)，通過檢測P1.0和P3.5（T1）識別(shíbié)上升和下降時間；計數(shù)器1外部計數(shù)，測頻率f4）DAC250％Vm，DAC1>100％Vm，INT0對應(yīng)時間為脈寬tw，INT1對應(yīng)時間為周期T34第三十四頁，共五十六頁。整理課件4.9基于MSP430G2553的測試(cèshì)結(jié)構(gòu)35第三十五頁，共五十六頁。整理課件1）MSP-EXP430G2開發(fā)板MSP430G2553單片機(jī)管腳為20，IO口16個；2）采用I2C接口或SPI接口的雙路DAC；3）采用串行接口的液晶模塊；4）在IO允許情況下可采用少量獨立(dúlì)按鍵。36第三十六頁，共五十六頁。整理課件4.10基于(jīyú)FPGA的測試結(jié)構(gòu)37第三十七頁，共五十六頁。整理課件5

軟件設(shè)計5.1顯示模塊（1）底層驅(qū)動解決液晶讀寫操作，時序(shíxù)匹配，如果檢測忙標(biāo)志，盡量加入超時檢測（2）初始化程序函數(shù)完成液晶的初始化設(shè)置38第三十八頁，共五十六頁。整理課件（3）定點顯示字符串函數(shù)用來在指定(zhǐdìng)位置顯示相關(guān)提示信息（4）定點顯示十進(jìn)制數(shù)函數(shù)便于調(diào)試中顯示相關(guān)結(jié)果39第三十九頁，共五十六頁。整理課件5.2ADC驅(qū)動程序（1）底層驅(qū)動ADC信號定義；利用單片機(jī)IO口實現(xiàn)ADC接口時序，ADC采集函數(shù)(hánshù)返回二進(jìn)制采集結(jié)果；（2）應(yīng)用程序1）定時采集函數(shù)利用定時中斷方式實現(xiàn)采樣，可方便修改采樣頻率。40第四十頁，共五十六頁。整理課件2）脈沖幅度計算(jìsuàn)采用高速采樣的方式測量脈沖幅度，可采取算術(shù)平均值或滑動平均值方式進(jìn)行處理。3）測量結(jié)果－電壓轉(zhuǎn)換41第四十一頁，共五十六頁。整理課件5.3DAC驅(qū)動程序（1）底層驅(qū)動DAC信號定義；利用單片機(jī)IO口實現(xiàn)DAC接口時序，DAC輸出函數(shù)；（2）應(yīng)用程序1）電平設(shè)置函數(shù)入口(rùkǒu)參數(shù)：上限和下限電平百分比，脈沖幅度。根據(jù)需要編寫單獨的上限和下限電平設(shè)置函數(shù)。2）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)出口參數(shù)：脈沖峰值調(diào)用：比較器結(jié)果檢測42第四十二頁，共五十六頁。整理課件5.4

頻率(pínlǜ)測量5.4.1測頻法16位定時(dìnɡshí)/計數(shù)器閘門T1秒：頻率范圍：1Hz～65.535KHz 閘門T0.1秒：頻率范圍：10Hz～655.35KHz閘門時間實現(xiàn)方式，定時中斷或時基中斷實現(xiàn)。43第四十三頁，共五十六頁。整理課件5.4.2測周法選擇內(nèi)部時鐘作為定時/計數(shù)(jìshù)器計數(shù)(jìshù)脈沖，以被測信號2分頻信號作為閘門，閘門的實現(xiàn)方式：AT89S51：閘門信號從INT0或INT1輸入；C8051F，MSP430，STM32均可通過捕獲寄存器實現(xiàn)，上升沿捕獲讀取計數(shù)器結(jié)果N1，下降沿捕獲讀取計數(shù)結(jié)果N2，最后計數(shù)結(jié)果N＝N2-N1。

根據(jù)Tmax＝65535×Tc，合理選擇內(nèi)部計數(shù)時鐘，Tc越小，測量精度越高，但周期測量范圍越小。44第四十四頁，共五十六頁。整理課件5.4.3測頻和測周法選擇(xuǎnzé)（1）中界頻率如AT89S51單片機(jī)，閘門時間(shíjiān)為0.1秒，內(nèi)部計數(shù)脈沖1us，中界頻率為3.16KHz（2）測量方法選擇fx<3.16KHz：測周fx>3.16KHz：測頻45第四十五頁，共五十六頁。整理課件5.4.4時間間隔(jiàngé)測量（1）脈沖周期T基本部分：10us～1s；發(fā)揮(fāhuī)部分：2us～1s；（2）脈沖寬度tw基本部分：10％～90％占空比，1us～0.9s發(fā)揮部分：5％～95％占空比，0.1us～0.95s（3）三角波上升時間tr和下降時間tft＝0.4×T基本部分：4us～0.4s；發(fā)揮部分：0.8us～0.4s；（4）占空比qq＝tw/T46第四十六頁，共五十六頁。整理課件（5）時間(shíjiān)間隔測量方法時間間隔的測量方法同周期測量法，根據(jù)測量結(jié)果選擇時鐘頻率。1）AT89S51

Tmax＝65535×1us＝65.535ms，無法直接測>65.535ms的時間間隔，可以(kěyǐ)利用一個8位計數(shù)變量TWH對溢出計數(shù)，即可擴(kuò)展為24位計數(shù)結(jié)果，得到計數(shù)結(jié)果N＝TWH×65536＋TH×256＋TL47第四十七頁，共五十六頁。整理課件2）MSP430G2553

系統(tǒng)時鐘為16MHz，定時器時鐘設(shè)置為SMCLK，SMCLK時鐘源為XT2CLK，定時器時鐘源為SMCLK，SMCLK分頻(fēnpín)DIVSx可選擇1，2，4，8，定時器輸入分頻IDx可選擇1，2，4，8。選擇DIVSx＝8，

Idx＝8，則計數(shù)頻率為0.25MHz，計數(shù)周期4us，最大時間間隔為262.14ms，為了測量更大的時間間隔，同樣需要增加計數(shù)變量，以擴(kuò)展計數(shù)器位數(shù)。48第四十八頁，共五十六頁。整理課件DIVSxIdx1248時間間隔10.06250.1250.250.5最小單位us20.1250.250.5140.250.51280.512414.0959388.19187516.3837532.7675最大單位ms28.19187516.3837532.767565.535416.3837532.767565.535131.07832.767565.535131.07262.1449第四十九頁，共五十六頁。整理課件6系統(tǒng)(xìtǒng)調(diào)試（1）安裝前測試測電源(diànyuán)與地之間的電阻，判斷是否短路；肉眼觀察電路板，線與線之間是否短路，是否有線腐蝕斷了。（2）安裝器件1）按功能模塊安裝器件，按器件高度由低到高，體積由小到大的順序安裝器件2）安裝好關(guān)鍵器件后檢測電源和地之間是否短路3）安裝時確定器件型號，參數(shù)，方向50第五十頁，共五十六頁。整理課件（3）安裝(ānzhuāng)后測試1）首先(shǒuxiān)檢測電源和地2）肉眼觀察是否有短路，虛焊，器件型號，方向錯誤3）