脈沖信號參數測試儀畢業(yè)論文

1、編號： 畢業(yè)設計說明書 題 目： 脈沖信號參數測試儀脈沖信號參數測試儀 院 （系）： 電子工程與自動化學院 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 學生姓名： xxxxxxxxxxxx 學 號： xxxxxxxxx 指導教師： xxxxxxxxxxxxxx 職 稱： xxxxxxxxxxxx 題目類型：題目類型： 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 2013 年 5 月 20 日 摘 要 脈沖參數測試儀是在信號類常用的一種儀器，用它可以測量峰峰值、有效值、頻 率、上升沿和下降沿時間，占空比等的儀器。這種功能比較齊全的儀器現在大多數都 是比較大型的臺式的，手提便攜式的功能還沒那么完善，便

2、攜式的比較少，能測得東 西也沒那么多，而且便攜式的測量精度沒有臺式的測量精度高?，F在便攜式的測量儀 器普遍用的就是萬用表，可以測量直流電壓、電阻、電流、電容等等。本次是用超低 功耗的控制芯片 msp430f5438a 做為主控芯片，可以測量峰峰值、頻率、占空比、上 升沿和下降沿時間的參數，由于板子做得不怎么好，所以測的量精度不高。 關鍵詞：msp430f5438a；脈沖信號參數測試儀；峰峰值；頻率；占空比 abstract the pulse parameter tester is an instrument commonly used in the signal class，it can m

3、easure the peak-to-peak, rms, frequency, rise and fall times, the duty cycle of the instrument.this function relatively complete instrument now most of them are relatively large-scale desktop,hand-held portable function is not so perfect, portable are much few, can be measured not so much things, th

4、e measurement accuracy of the desktop and portable measurement accuracy is not high.now portable measuring instruments commonly used is the multimeter,can measure dc voltage, resistance, current, capacitance, and so on.the use the ultra low power control chip msp430f5438a of as master chip,can measu

5、re the peak-to- peak, frequency, duty cycle, rising and falling edge time parameters, the board is doing not so good, so the measurement accuracy is not high. key words: msp430f5438a; pulse signal parameter tester; peak-to-peak; frequency; duty 目 錄 引言.1 1 背景知識及系統(tǒng)設計要求.1 1.1 背景知識.1 1.2 msp430 系列單片機介紹.

6、2 1.3 系統(tǒng)設計要求.2 1.4 系統(tǒng)設計方案.2 2 主要器件的選擇及論證.3 2.1 微處理器的選擇.3 2.2 比較器的選擇.3 2.3 占空比測量模塊的選擇.4 2.4 占峰峰值測量的設置.4 3 脈沖信號參數測試儀的硬件電路設計.4 3.1 msp430f5438a 主控模塊設計.4 3.1.1 msp430f5438a 最小系統(tǒng)芯片部分.4 3.1.2 msp430f5438a 最小系統(tǒng) i/o 口部分.5 3.1.3 msp430f5438a 最小系統(tǒng)復位電路和仿真電路.6 3.2 比較器電路.7 3.3 峰值檢波電路.8 3.4 有效值測量電路.9 3.5 a/d 模數轉換

7、電路.10 3.5 d/a 數模轉換電路.11 4 脈沖信號參數測試儀的軟件設計.12 4.1 脈沖信號參數測試儀的總體流程圖.12 5 脈沖信號參數測試儀的調試過程.15 5.1 硬件調試過程.15 5.2 軟件調試過程.17 6 對系統(tǒng)的總結與展望.19 6.1 總結.19 6.2 展望.19 謝 辭.20 參考文獻.21 附 錄.22 引言 單片機微型計算機是計算機的一個很重要的分支，單片機微型計算機簡稱單片機， 非常適用于自動化控制領域，所以又稱為微控制器。單片機由集成電路芯片構成，內 部包含了計算機的基本功能模塊：中央處理器 cpu、存儲器、io 接口電路，定時器中 斷電，有些單片機

8、里還集成了內部 a/d 轉換功能等等。單片機只是一個控制芯片，相 當于人的大腦，人只有大腦還是完成不了所需要的功能的，還需要手、腳、嘴巴、耳 朵等等的器官，單片機也是一樣，必須還要外接一些模塊才能實現想要的功能。單片 機外接的模塊根據要實現的功能的不同選擇不同的外部芯片組成不同的外部模塊，這 些外部的模塊只能完成某一方面的工作，就像人的嘴巴只能說話吃飯不能聽到聲音， 耳朵只能聽到聲音不能吃飯，外部的模塊統(tǒng)一由單片機控制，使外部的模塊能統(tǒng)一協(xié) 調的完成工作。由于單片機穩(wěn)定性好，物美價廉，功耗低，控制簡單易用，所以單片 機已經廣泛應用到了各行各業(yè)，如自動化控制、智能玩具、各種家居、手機、儀器儀 表

9、等各種儀器。 現在的電子產品的種類越來越多，各種儀器的應用也就越來越多，在信號類的儀 器都要用到脈沖信號測量的儀器，本課題研究的是脈沖參數測試儀，主要是測量各種 脈沖信號的參數。因為脈沖信號很微小的變化都會影響到信號的質量，所以脈沖參數 測試儀對芯片和電路的要求都比較高。 1 背景知識及系統(tǒng)設計要求 1.1 背景知識 隨著電子技術的發(fā)展，對脈沖信號的測量精度要求也越來越高，脈沖參數測試的 儀器應用也越來越廣泛，最常見的也最常用的就是示波器，示波器有模擬示波器和數 字示波器。數字示波器比較智能，功能比較多，精度也會比模擬示波器的高。現在也 有一些是便攜式的數字示波器，大小和手機差不多一樣，不過本

10、人沒用過，不知道好 不好用，不知道精度高不高。但本人覺得便攜式的還是沒有臺式的精度那么高的，本 人見過的那臺便攜式的示波器才幾百元，比示波器便宜多了，所以質量肯定沒有臺式 的好，精度也沒有臺式的高。但是也可能有一些比較貴的，精度應該也和臺式的示波 器差不多，功能也會比較多。脈沖信號參數測試儀器對電路板的布局要求比較高，因 為是信號類的，所以電阻電容的數值也會對測量結果產生比較大的影響，所以電路板 稍微做得不怎么好，就可能實現不了功能或者精度會變得很差，所以做脈沖參數測試 儀時要多查看資料，要比較細心，盡量做到完美精度才會比較高。 由于現在很多領域都要進行信號的檢測，特別是高科技領域，所以信號的

11、檢測和 測量應用越來越廣泛，微弱信號領域對脈沖信號檢測的精度要求很高，像雷達等的信 號，對信號檢測的要求很高很高，所以像每國 p-3c 偵察機反潛機只有少數的幾個國家 能做得出來，因為對小信號的檢測分析處理的技術要求是很高的。一些是知道原理但 工藝不夠好也做不出來。 本次做的是用超低功耗的控制芯片 msp430f5438a 作為控制芯片，加上其他一些 外圍的電路模塊做成的。 因為本人技術有限，做的板子不是很好，所用的芯片也不怎 么好，好的芯片太貴了，買不起，所以精度不怎么好。不能用到好東西，板子又做得 不好，所以調板子的時候太難調了，調了很久很久都調得不怎么好，最后只能調到精 度還算相差不是很

12、大就行了。 1.2 msp430 系列單片機介紹 msp430 系列單片機是 ti（德州儀器）公司近年來推出的一系列優(yōu)秀的混合微型 處理器。他不僅具有 16 位微型處理器高效的處理器系統(tǒng)，還具有很多功能強大的、豐 富的外設，其中包括很多高性能的模擬外設。在大部分熱門產品應用中都可以單芯片 完成設計，更可貴的是他能夠以極低的功耗運行，因而被廣泛應用在電池供電的手持 設備上。即使是在某些不需要低功耗的場合，msp430 單片機仍然可以作為一款高性能 單片機使用。隨著自動控制的高速化和低功耗化，msp430 系列將會得到越來約多人的 喜愛，其應用的領域也會越來越大。 1.3 系統(tǒng)設計要求 在學過的單

13、片機的一些知識的基礎上，通過自主學習，學會另外一些單片機的應 用，學會那種單片機的一種或者幾種語言的編程，學會運用學到的新的單片機控制外 圍的芯片、電路模塊，制作完成一個脈沖參數測試儀。脈沖信號幅值范圍為： 0.2vp3.3vp，測量精度2%；脈沖信號頻率范圍為 100hz100khz；頻率測量精度 0.1%，周期測量精度0.1%；占空比測量范圍為 1090，測量誤差10； 上升時間和下降時間測量范圍為 1us1ms，測量誤差1us；脈沖信號頻率范圍為 10hz500khz；頻率測量精度0.03%，周期測量精度0.03%； 1.4 系統(tǒng)設計方案 系統(tǒng)設計方案如圖所示： 圖 1.1 系統(tǒng)框圖 由

14、圖 1.1 所示，本設計涉及七個部分，da 輸出峰峰值的 10%和 90%的電壓值給比 較器模塊，信號輸入到比較器模塊，比較器模塊有峰峰值的 10%和 90%的兩路輸出比 較電壓，比較器輸出這兩路的比較脈沖信號，這兩路脈沖信號通過 74hc08 相與后輸 出上升沿下降沿的脈沖信號。將比較器比較后的輸出電壓輸入到有效值檢測模塊，用 a/d 模塊測出有效值，再用測出來的有效值求出占空比。脈沖信號輸入到峰值檢測模 塊測量脈沖信號的峰峰值。將比較器輸出的比較脈沖信號和 a/d 所測量的數值輸入到 msp430f5438a 微處理器，實現求頻率、上升沿下降沿時間和進行一些數據處理。最 后把處理后的結果通

15、過顯示模塊顯示出來。 2主要器件的選擇及論證 2.1 微處理器的選擇 一開始本人考慮的是用 51 單片機來作為主控的微處理器，因為 51 單片機的應用 簡單，操作起來簡單容易，而且 51 單片機是本人用得最多的，很容易上手。后來發(fā)現 51 單片機的速度不夠快，功能也沒那么多，所以后來選擇了 ti 的 msp430 系列單片機， msp430 系列單片機的功能比較強大，而且工作的功耗超低。選好了微處理器后，本人 就在 ti 官網申請了 2 片 msp430f5438a 微處理器芯片。 2.2 比較器的選擇 在這么多的模塊當中，本人覺得比較器模塊是最難調的了。本人用萬用板搭過 lm393 模塊調了

16、一下，出來的波形很不好，很多紋波。后來聽別人說 tlc372 不錯， 本人就試了一下，還把電路圖 pcb 畫好了，做好了板子，本人以為這個是絕對沒什么 問題的了，因為以前也有人用過。然后本人再拿到實驗室去調試，調試出來的結果太 令本人失望了，比較出來的脈沖邊沿有很多振蕩的紋波，而且紋波的幅度也很高。本 人沒試過在脈沖信號邊緣去振蕩紋波的方法，所以調了很久都調不出來。那時本人也 沒有什么其他的比較器了，所以本人想一定要把這個 tlc372 調好才可以。本人問了 以前做過的那些人，他們說他們也是那樣子畫的圖，他們的就可以，本人的為什么不 可以，而且板子都檢查過很多遍了，都沒有畫錯、連錯、短路或者斷

17、路等，所以他們 也不知道是什么原因，本人自己也是調了 2 天檢查了 2 天都檢查不出來，然后不想調 了，本人想再調也是沒結果的了，反而是浪費時間。然后再從網上查了一些比較器的 資料，看到一款用運放做的比較器貌似不錯，叫做滯回比較器。絕大多數比較器中都 設計帶有滯回電路, 通常滯回電壓為 5mv 到 10mv。內部滯回電路可以避免由于輸入 端的寄生反饋所造成的比較器輸出振蕩。但是內部滯回電路雖然可以使比較器免于自 激振蕩, 卻很容易被外部振幅較大的噪聲淹沒。這種情況下需要增加外部滯回, 以提高 系統(tǒng)的抗干擾性能。然后本人就參考網上的一些電路圖和一些資料，做了一個滯回比 較器，做好后就馬上拿去實驗

18、室調試，調試的結果很好，邊緣一點振蕩都沒有。再接 著測了幾組數據，發(fā)現 1vpp 一下的小信號很難測試，然后就再重新畫個 pcb，加上 個繼電器，當信號小于 0.8vpp 時就選用另一個通道，這個通道經過一個運放將電壓放 大后在輸入到比較器進行比較。但那個運放放大的倍數不大，當 1vpp 的信號放大到 2.5vpp 以上信號底部就失真了，0.6vpp 也是放大到 2.5vpp 以上信號底部就失真，為 了能使 0.2vpp 的信號能放大的倍數大一點，所以就選擇 0.8vpp 以上的信號通過繼電 器選擇放大的通道。 2.3 占空比測量模塊的選擇 本人一開始想的是用一個周期高電平的時間再除以周期來求

19、占空比的，但是有些占 空比太小了，單片機很難把一個周期的高電平時間測出來，所以就得想過另外的辦法。 對于脈沖信號而言，占空比=(有效值/峰峰值)2/100，然后選擇用 ad637 來測量脈沖信 號的峰峰值，然后根據上一個公式來求脈沖信號的占空比。這種方法比較容易，測起 來也比較方便。 2.4 占峰峰值測量的設置 峰峰值測量本人選用的是峰值檢波，峰值檢波的充電時間常數很小，即使是很窄 的脈沖也能很快充電到穩(wěn)定值，當中頻信號消失后，由于電路的放電時間常數很大， 檢波的輸出電壓可在很長一段時間內保持在峰值上。峰值檢波的電路本人選用的是無 二極管型的，無二極管型是利用比較器輸出的開集 bjt 或者開漏

20、 mosfet 代替二極管， 進一步提高性價比。 3脈沖信號參數測試儀的硬件電路設計 3.1 msp430f5438a 主控模塊設計 3.1 .1 msp430f5438a 最小系統(tǒng)芯片部分 msp430f5438a 主控模塊本人把它做成了一個最小系統(tǒng)版，用最小系統(tǒng)版來控制 調試外部的小模塊。因為本人以前沒用過 msp430 的芯片，又沒有開發(fā)板，所以如果 把外部的模塊和主控模塊集成在一起很可能是不能用的，結果又浪費了很多金錢很多 時間又要重新做板子，所以先做成最小的系統(tǒng)版，先把最小系統(tǒng)版做出來調好，再做 外部的模塊，外部的模塊也是一個小模塊一個小模塊的做，這樣既能做得快一點做不 成功也可以快

21、一點再做另一塊，而且板子用不了再重新做也不用花那么多的錢，節(jié)約 了的成本。在 msp430f5438a 最小系統(tǒng)版中，主要由一下幾大部分構成。 如圖 3-1-1 所示，msp430f5438a 芯片有 100 個引腳，其擁有 16 位精簡指令集結 構，可以擴展外部存儲器，可以達到 25mhz 系統(tǒng)時鐘，靈活得電源管理系統(tǒng)（pmm） ， 由 dvcc 在 ldo 作用下產生 vcore 電源，供低電壓模塊使用，低功耗/低頻率內部時 鐘源 vlo，低頻率內部時鐘源 refo -xt132768hz 晶振，xt2 高頻晶振可以達到 25mhz，16 位 timer0_a5 有 5 個捕獲/比較寄存器

22、，16 位 timer1_a3 有 3 個捕獲/ 比較寄存器，16 位 timer_b7 有 7 個捕獲/比較寄存器，達到 4 個通用通信接口，內 部 uart，支持自動波特率檢測，具有 irda 編碼和解碼，spi 通信，i2c 通信，12 位模數轉換，采用內部參考電壓，12 外部通道，4 個內部通道，256kb flash 存儲 器，16kb sram 存儲器，片內實時時鐘 rtc，也可做通用計數器使用。從上面的數 據可見，msp430f5438a 單片機一改以往 430 系列“本人很省飯，但本人也不太能干” 的林黛玉作風，配備了豐富的片內資源，又具備了相當可觀的性能，變身為既省飯又 能干

23、的全能戰(zhàn)士，在發(fā)揚光大 430 系列杰出的超低功耗特性的同時，大幅度提高了性 能，以往 430 系列單片機幾乎不可能完成的任務，如流暢 gui、復雜網絡應用、實時 多任務操作系統(tǒng)等等，54xx 系列單片機已經完全可以應對自如，這就大大拓寬了 430 系列單片機的應用領域。msp430f5438a 主控芯片部分如下圖所示： 圖 3.1 msp430f5438a 芯片部分 3.1.2 msp430f5438a 最小系統(tǒng) i/o 口部分 i/o 口擴展部分如下圖所示： 圖 3.2 msp430f5438a 最小系統(tǒng)的 i/o 口擴展 如圖 3.2，msp430f5438a 最小系統(tǒng)把芯片的 87 個

24、通用 i/o 口全部擴展出來了， 可以說 msp430f5438a 的通用 i/o 口是很多很豐富的，可以滿足同時控制多個模塊的 要求。3.1.3 msp430f5438a 最小系統(tǒng)復位電路和仿真電路 復位電路和仿真電路如下圖所示： 圖 3.3msp430f5438a 最小系統(tǒng)的仿真電路和復位電路 msp430 單片機有兩種程序下載仿真的方法，如圖 3.3，第一種是通過 jtag 下載 仿真，第二種是通過 test 和 rst 兩根線來下載并在線仿真。本人是用第二種來下載 程序并仿真。msp430 有兩種復位方式，上電復位信號 por(power on reset)和上電清 除信號 puc(p

25、ower up clear)。por 信號是器件的復位信號，此信號只有在以下的事件 發(fā)生時才會產生：器件上電時。rst/nmi 引腳配置為復位模式，當 rst/nmi 引腳生 產低電平時。rst/nmi 引腳配置為復位模式，當 rst/nmi 引腳生產低電平時。 3.2 比較器電路 比較器電路如下圖所示： 圖 3.4 比較器電路 這是個滯回比較器，由 max942 運放組成，其中脈沖信號幅度小的要通過一個運放 將電壓放大后再送入比較器進行比較，通過一個繼電器進行選擇，當脈沖信號是小信 號時，在繼電器選擇端加高電平，使比較器接到電壓放大電路那邊，當脈沖信號不是 小信號時，就給繼電器加個低電平信號

26、，使比較器接在沒經過電壓放大的那邊。比較 器模塊有脈沖信號輸入，兩個輸入比較電壓的輸入。兩個輸出比較電壓的輸出，兩個 輸出比較電壓經過 74hc08 相與后的輸出脈沖，還有一個是其中一個輸出比較電壓經過 74hc74 的 d 觸發(fā)器后輸出的方波信號，可以用這個信號來測量脈沖信號的頻率。本人 在軟件部分設為當信號峰峰值小于 0.8vpp 時就經過一個運放放大，放大的倍數大概是 2.7 倍左右，運放的輸入和輸出都接一個電壓跟隨器，防止信號能量的損失。當信號的 峰峰值不小于 0.8vpp 時就不用經過運放放大，不過將信號送給比較器之前也接了一個 電壓跟隨器，也是為了防止信號能量的損失。 3.3 峰值

27、檢波電路 峰值檢波電路如下圖所示： 圖 3.5 峰值檢波模塊 如圖 3.5 所示，本人采用的是無二極管型的峰值檢波電路。峰值檢測電路 （pkd，peak detector）的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產生輸出 vo = vpeak，為了實現這樣的目標，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現 或電路復位。這個峰值檢波電路本人一共做了兩塊。第一塊做完的時候拿去實驗室調 試時發(fā)現信號在 2vpp 以上的電壓測量還算準，但信號在 2vpp 一下的就不準了，在 2vpp 一下的信號，測得的電壓值最大都不超過 1v，本人反反復復測了很多數據都是不 準的。信號峰峰值在 2vpp 以下，有時候

28、所測得的電壓值是峰峰值的一般多一點，有時 候所測得的電壓值是峰峰值的一般少一點。對照原理圖和 pcb 和一些找來的資料檢查 了以下，發(fā)現電路圖和 pcb 一點都沒花錯，電路也沒有短路和斷路，所以檢查了很久 都檢查不出是什么原因，然后再去問了幾次那些比較厲害的同學，他們也不知道是什 么原因。最后實在是檢查不出來，只好重新做一塊試試看，而且芯片也新買一些新的， 可能是因為那些舊的芯片有問題調不出來的。做第二塊板時本人還專門再檢查了幾次 電路圖。做好板子后，再拿到實驗室去調試，測出來的結果和上次的那個板子是一樣 的，都是信號在 2vpp 一下就測得很不準，大概就是峰峰值的一般左右，調了幾次都調 不出

29、來，問別人也不知道，所以只能用這個板子來測了。因為信號再 2vpp 一下所測得 的電壓值差不多是峰峰值的一般左右，所以就把所測得的電壓值在單片機里處理一下， 信號在 2vpp 一下，將所測得的電壓值乘上差不多兩倍，相乘后的數差不多就等于峰峰 值了，然后大于等于 2vpp 的信號就不變。 3.4 有效值測量電路 測有效值的電路如下圖所示： 圖 3.6 測有效值電路 如圖 3.6，本人只采用 ad637 來測量有效值的。ad637 是 adi 公司生產的真有效 值-直流轉換芯片，它的功能是把外部輸入的交流信號有效值變成直流信號輸出，可以 計算各種復雜波形的真有效值。其最高精度高于 0.1%，是當前

30、國際上集成真有效值轉 換器中性能最高的?？蓽y量的輸入信號有效值可高達 7v,對于 1vrms 的信號，它的 3db 帶寬為 8mhz,并且可以對輸入信號的電平以 db 形式指示，當輸入電壓為 100mv 時，帶寬標值為 600khz；輸入電壓為 2v 時，帶寬標稱值為 8mhz。另外，ad637 通 過片選（cs）管腳作用，可以使靜態(tài)電流從 2.2ma 降至 350a。因此，在數據采集和 儀器儀表等場合，有很廣泛的應用。ad637 集成電路具有低成本、低功耗和高（激光 調整）精度特性，使得真有效值（rms）計算成為一項實用、可行的技術，可用來獲 取波形的功率測量值或標準偏差。以前，采用模塊式、

31、混合式、或分立式器件的真有 效值（rms）轉換器不僅成本高，而且相對復雜。rms（真有效值）是對交流信號幅 度的基本量度，可以分別從實用角度和數學角度予以定義。從實用角度定義是：一個 交流信號的真有效值等于在同一負載上產生同等熱量所需的直流量。例如，1 v 真有效 值交流信號與 1 v 直流信號在同一電阻上產生的熱量相同。波形的波峰因數定義為峰 值與其真有效值值之比。振幅對稱方波或直流水平波形等信號的波峰因數為 1。輸入電 壓范圍是隨供電電源變化的。當電源用+15v 和-15v 供電時，輸入電壓為 0-7v，當供 電電源為+5v 和-5v 時，輸入電壓范圍為 0-4v。當輸入電壓為 2v 時，

32、產生 1%的附加 誤差的帶寬為 200khz。 對于脈沖信號而言，占空比=(有效值/峰峰值)2/100，利用這個公式可以求出脈沖 信號的占空比。 3.5 a/d 模數轉換電路 max197 的電路如下圖所示： 圖 3.7 max197 電路 如圖 3.7 所示，a/d 模數轉換模塊是用 max197 做的，本人一開始是用 ad7898 這款 a/d 轉換器，因為這款是 spi 通信的，只要三根線就可以實現模數轉換，可以節(jié) 省了大量的單片機 i/o 端口。ad7898 芯片的板子已經做好了，然后本人看了芯片的資 料，對照資料上的時序圖編寫程序，程序完全是按照資料上的時序圖寫的，但下載調 試的時候

33、總是調試不出來，一點反應都沒有。這塊 ad7898 整整花了本人 3 天的時間， 還是一點進展都沒有，然后本人不想再浪費時間了，想換別的 a/d 芯片看看，然后想 到用 adc0809，但這款 a/d 是 8 為了，可能小信號測得不是很準。正好同學免費申請 有 2 塊貼片的 max197 模數轉換芯片，他就給了一片本人，然后就打算用 max197 試 試看。max197 是 maxim 公司推出的具有 12 位測量精度的高速 a/d 轉換芯片，只需 單一電源供電，且轉換時間很短(6us)，具有 8 路輸入通道，還提供了標準的并行接口 8 位三態(tài)數據 i/o 口，可以和大部分單片機直接接口，使用

34、十分方便。 max197 無需外接元器件就可獨立完成 a/d 轉換功能。它可分為內部采樣模式和外部采樣模式， 采樣模式由控制寄存器的 d5 位決定。在內部采樣控制模式(控制位置 0)中，由寫脈沖 啟動采樣間隔，經過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為 2mhz 時，為 3ms)，即開始 a/d 轉 換。在外部采樣模式(d5=1)中，由兩個寫脈沖分別控制采樣和 a/d 轉換。在第一個寫 脈沖出現時，寫入 acqmod 為 1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現時，寫入控制 字 acqmod 為 0，max197 停止采樣，開始 a/d 轉換。這兩個寫脈沖之間的時間間 隔為一次采樣時間。當一次轉換結束后，ma

35、x197 相應的 int 引腳置低電平，通知處 理器可以讀取轉換結果。 本人采用的是內部參考電壓，內部參考電壓有 2.5v 和 4.096v，其中 4.096v 是通過片內緩沖器（增益=1.638）放大而輸出的。這個芯片的程 序同學寫過，不過是 80c51f020 單片機的 c 語言程序，本人用的是 msp430 的，不能 直接拿來用，本人對照了一下那個 80c51f020 的程序后，把 msp430 的 max197 程序 寫出來，然后再調試幾下就成功了。 3.5 d/a 數模轉換電路 d/a 模塊的電路如下圖所示： 圖 3.8 dac8562 電路 d/a 轉換電路本人也換過幾塊，開始是想

36、用 max5802，這是一個雙通道的 d/a 轉 換器，外部產考電壓是可達到 5v，這個芯片是用 i2c 通信的，本人看了這個芯片的一 些資料，又對照本人以前寫的 24c08 的 i2c 程序把這個 d/a 的芯片寫好，然后在下載 到單片機調試，但也調試了兩天都調不出來，i2c 程序也都沒錯，跟以前那個 24c08 的幾乎一樣，看來 i2c 的程序對于本人來說真的很難調，兩天都調不出來后本人就決 定還另一塊芯片，這塊是 ti 公司的 dac8562。dac8562 系列與同類器件相比，積分 非線性度 (inl) 提升 25%，偏移誤差降低 60%。此外，這些 dac 還具有業(yè)界最低 功耗與超小

37、外形，是無線基站、可編程邏輯控制 (plc) 模擬輸出模塊、電機控制、高 精度儀表以及便攜式醫(yī)療設備等空間及電源受限系統(tǒng)的理想選擇。 業(yè)界最高精度：支 持每秒 0.1 nv 短時脈沖波形干擾、4 mv 最大偏移誤差、12 位時 0.75 lsb 最大 inl 以及每攝氏度 10 ppm 的最大參考漂移，可提高系統(tǒng)精確度; 業(yè)界最低功耗：每 通道流耗僅為 0.1 ma，不但可最大限度地降低無線基站中 vga 控制所需的功耗，而 且還可運行可調諧激光器模塊、cnc 設備，以及示波器與便攜式血液分析儀等便攜式 醫(yī)療設備; 可降低成本，縮小板級空間：提供支持 20 ma 汲極/源極功能的集成型高 精度

38、參考，無需外部緩沖器; 支持不同的控制環(huán)路：提供零標度復位與中標度復位選項， 可顯著提高設計靈活性; 針對惡劣工業(yè)環(huán)境進行了優(yōu)化：工作溫度高達 125 攝氏度， 比同類競爭產品高 20 度。 除 dac 外，片內還集成了一個軌到軌放大器、鎖存器和 基準電壓源?；鶞孰妷?refout)調整至 2.5 v，片內放大器則將 dac 輸出提升至 4.095 v 滿量程。用戶只需提供+5 v 電源。 dac8562 是 spi 通信的,只要 3 根控制線 就可以控制，由于本人只要 0-3.3v 的電壓，所以本人用 3.3v 供電就可以了。spi 通信 的程序不是很難寫，本人寫好程序后，開始調試，但不成功

39、，本人還以為是程序的問 題，所以本人程序都改了很多次，改了再調，調了又改，最后檢查電路是才發(fā)現引腳 lodac 要接地才可以的，引腳 lodac 接地后就可以調試成功了。 4脈沖信號參數測試儀的軟件設計 4.1 脈沖信號參數測試儀的總體流程圖 脈沖信號參數測試儀系統(tǒng)的流程圖如下圖所示： 圖 4.1 脈沖信號參數測試儀流程圖 如圖 4.1 所示，軟件系統(tǒng)主要分為八大部分，有些部分需要的軟件處理比較少，但 是比較難處理，因為是要校準的，而且不同頻率不同幅值的誤差都不一樣，所以不能 用統(tǒng)一的公式來處理，必須要分成很多小部分，每個部分都要用一個不同的公式，這 樣處理出來的結果會比較精確一點。特別是峰峰

40、值的測量，不同的幅度值所測得的峰 峰值誤差變化很大，頻率對峰峰值的測量也有一些變化，測頻率時本人用的是 timer0 計數器，外用外部時鐘引腳 p1.0，計數脈沖是被測的脈沖信號。這個板子在 測量時都要加上直流偏置，因為本人沒做測量負電壓的。 表 4-1 占空比的測量值 頻率 （khz ） 占空比 （%） 測量值 （%） 0.111050100300500 109999877 2019201919181717 3030303029292727 4040404040393837 5051515150504948 6061616161615959 7072727272717170 80838382

41、82828181 9093939393939393 如表 4-1 所示，最左邊一列是信號源輸出脈沖信號的占空比，右邊的是不同頻率 下脈沖信號參數測試儀所測得的占空比。從表中可以看出，20%以下的脈沖信號占空比 所測得的值比真實值偏小了一點，50%以上的脈沖信號占空比所測得的值比真實值偏大 了一點。頻率也會影響占空比所測得的數值，隨著頻率的增大，占空比也相應地減小 一點，但頻率影響的不是很大，所以本人想在程序設計時只判斷所測得的占空比的大 小，在不同大小范圍的占空比分別處理，把所測得的數據誤差減小。 占空比測量的軟件流程圖如下圖所示： 圖 4.2 占空比測量流程圖 表 4-2 峰峰值的測量的數據

42、表 頻率 （khz ） 峰峰值 （vpp ） 測量值 （v） 0.111050100250500 0.20.1130.1140.1130.1130.1120.1060.100 0.40.2240.2270.2230.2240.2240.2340.206 0.60.3340.3360.3350.3340.3340.3460.312 0.80.4470.4480.4470.4420.4400.4520.422 1.00.5590.5600.5590.5550.5520.5600.529 1.20.6670.6710.6680.6820.6590.6730.639 1.40.7970.8000.79

43、80.7940.7680.7790.744 1.60.9110.9140.9120.9090.9020.8870.871 1.81.021.021.021.021.011.000.981 2.02.042.042.042.042.042.022.00 2.52.522.532.532.532.522.502.48 3.03.023.023.033.033.033.013.00 3.23.213.213.213.233.213.203.19 如表 4-2 所示，最左邊一列是信號源輸出的正弦信號的峰峰值，右邊的每一列是 不同頻率下峰值檢波電路所測得的直流電壓值。這個峰值檢波的電路本人已經做了 2

44、個板子了，測量的結果都是一樣，最后實在找不出原因就只能用那些所測得的數值經 過數據處理大概得出索要測量的峰峰值就行了。這個數據以前也測過，也是在同一個 板子測的，正弦信號在 2vpp 以下都沒有所測得的數值都沒有超過 1v 的，這一次測的 電壓值在正弦信號小于 2vpp 的也有超過 1v 的，同一個板子，在不同的時間測量，所 測出來的結果都會有差別，這個本人真的不知道是為什么了。本人想在脈沖信號是 2vpp 以上的就保持輸出測量值不變，在 2vpp 一下的就乘于 1.75 左右。但現在調試的 還不是很準，信號在不同的峰峰值范圍下所測得的電壓值的誤差還是有比較大的差別。 5脈沖信號參數測試儀的調

45、試過程 5.1 硬件調試過程 本人最初的硬件是先做好了 msp430f5438a 最小系統(tǒng)板和電源模塊，然后再做其 他的外圍模塊。在做 msp430f5438a 最小系統(tǒng)板時并不是那么順利，因為 msp430f5438a 有 100 個引腳，而且是貼片的，引腳很小，引腳的腳間距也很小，這 是本人第一次焊接這么多引腳的貼片芯片，那晚本人從晚上 7 點多一直到晚上 11 點多 才把這個芯片焊接好，焊好芯片后第二天才把其他的部分焊好，但有些元件沒到所以 還不能馬上焊完，要等幾天元件到了后才能焊完。等做好最小系統(tǒng)板后拿去測試了一 下，發(fā)現不能用，下載不了程序，檢查了很久都檢查不出來，叫別人幫檢查也檢查

46、不 出來，這可是花了幾天時間做的板子，如果報廢了就浪費了本人幾天的時間了?？赡?是芯片是不是除了問題的吧，最后實在檢查不出來本人就只好重新做一塊最小系統(tǒng)板 了，重新做一塊也是花了幾天的時間，做好后測試出來的結果也不能用，和第一次一 樣，檢查了一下硬件檢查不出來，后來突然覺得是不是原理圖畫錯了，就去檢查一下 原理圖，再對比一下芯片資料和網上別人畫的最小系統(tǒng)板圖，發(fā)現原理圖上多了一個 電容，把那個電容拆了后，果然就可以下載程序了，可以用了，再把前一次做的板子 的那個電容給拆了，那個板子也能用了。原來就是一個電容害得本人花了這么多天的 時間重新做了一塊板。 做好了最小系統(tǒng)板后本人再做一個電源，電源的

47、元器件已經網購回來了，本人先 把元件的封裝畫好，然后根據那些穩(wěn)壓芯片的資料把原理圖畫好，再畫好 pcb。因為 電源的電路很簡單，也很容易做，以前本人也做過電源，所以這次再重新做一個并不 難，電源板子焊好后拿去測試也沒出現過爆電容現象，上次做的電源就爆了兩個電容， 因為電容負電壓端的接反了，電阻也燒了一個，因為穩(wěn)壓二極管接反了，而且上次做 的是 lt1083 的穩(wěn)壓芯片，最大電流高達 7.5a。上次的電源把低功耗的芯片已經燒了 幾個了，所以必須得重新做一個。因為汲取了上次的經驗，這次本人做的第一次測試 的時候就一點問題都沒出現，第一次測試后就不用修改就可以用了。 有了電源后其他的模塊就可以有電源

48、供電了，然后再做比較器模塊，本人第一次 做的是用 tlc372 的集成比較器，這個比較器很不穩(wěn)定在比較器比較出來的脈沖信號 波形邊緣有很多幅度很大的振蕩紋波，測試了幾次都是這樣，就把做好的板子和電路 圖和芯片資料上的典型電路圖參考了一下發(fā)現也沒什么錯誤，沒什么接錯的。芯片的 典型電路圖有很多個，但沒有本人想要的這種應用的典型電路圖，本人只是參照其中 的每個典型電路圖自己畫的，和資料上的典型電路圖都差不多，出來的結果這么的不 理想。聽同學說滯回比較器比較出來的脈沖信號波形邊緣沒有振蕩紋波，不過小信號 的很難比較出來，要接一個運放放大小信號才可以，然后本人就重新在做一個比較器， 用繼電器選擇小信號

49、放大，而且還加了電壓跟隨器防止能量的損失，板子做好后拿去 測試了一下，發(fā)現比較出來的波形真的很不錯，雖然不能保證百分之百沒有紋波，但 是紋波很小，幾乎可以忽略了。做好了比較器后開始調試一下測頻率的程序，發(fā)現測 量比較器比較出來的脈沖信號的頻率還是比較準的。不過第二次拿去測得時候有一個 電壓跟隨的芯片 ad817 會發(fā)燙，上電后不到半分鐘就燙得不得了，不得不趕緊把電源 給斷開。檢查了幾次電路，又一次一次的把那個芯片連接外部的引腳線用刀子割開， 再一次一次的上電測試，就連芯片只剩 2 跟電源線了還是會發(fā)燙，換了另一片 ad817 還是一樣，然后用 op37 來代替 ad817 就不發(fā)燙了，然后用這

50、個來測試一下頻率，發(fā) 現頻率低于 1khz 的就測得不準，再調試幾下連 10khz 的都測得不準了，再調試幾次 都調不好。然后再回去拿 ad817 換回來試試看，換回來后 ad817 又不發(fā)燙了，而且 測試的效果也都很好。 da 模塊是用雙通道的，一開始本人用的是 max5802，但是這個比較難調，前面 也說過了，調不出來后再用 da8562，這個比較好調，調一下就可以調好了。ad 模塊 一開始是用 ad7898，因為這個是串口通信的，但是這個也是調試了幾天都調不出來， 前面也都有說過的，然后再換成 max197，max197 是 12 位的 adc，8 位數據通信的， 所以要分兩次讀取數據，

51、而且 max197 有八個模擬輸入通道，已經足夠滿足本人的設 計要求了。max197 的程序也是不難調的，調試也不用多久就調試好了。 測量占空比的模塊是用 ad637 測量有效值，再用有效值來計算出占空比，用這個 方法來測量占空比比較方便，而且精度也不錯。頻率的測量是用 d 觸發(fā)器輸出的方波 來測量的，d 觸發(fā)器的輸入脈沖是比較器比較后的輸出脈沖，在每一次輸入上升沿的 時候 d 觸發(fā)器輸出的電平改變一次，所以 d 觸發(fā)器輸出的方波信號頻率是輸入脈沖信 號的頻率的一半，測量 d 觸發(fā)器輸出的方波信號的頻率時還要乘于 2 得到的才是輸入 的被測信號的頻率。 峰值檢波用的是無二極管型的峰值檢波電路，

52、用一個 tlc372 比較器和 lm358 運 放組成的，這個板子做得不怎么好，2vpp 一下的脈沖信號測得很不準，做了 2 個板子 都是這樣子，不過脈沖信號在 2vpp 一下的時候峰值檢波電路所測得的數值是其的一 半左右，所以在這段電壓內用幾個公式算出來正確的峰峰值就可以了。 5.2 軟件調試過程 峰峰值測量的時候在 2vpp 一下的所測得的數值大概是其的一半，上面表 4-2 本人 已經把所測得的數據寫出來了，上面所測得的數值是示波器測量的，程序里測量的是 max197 測出來的，max197 沒校準的數值肯定會有寫誤差，所以程序里得到的數據和上 面所測得的數據肯定會有差別。硬件測得不準只能

53、在軟件里修改一下，盡量把測量值 算出來的結果算得比較準就可以了。 頻率測量是用外部計數器 tm1 來測量，再用 tm0 來做一個 1s 的定時器，tm0 進入 中斷時就讀取計數器的數值，然后清零計數器再重新開始計數。周期則是通過頻率來 算出來。測頻率所用到的信號是 d 觸發(fā)器輸出的信號，d 觸發(fā)器的輸入脈沖信號就是被 測信號。 上升下降沿測量時也是和頻率測量用同一個計數器，當測量上升下降沿時就停止 頻率的測量，而且測量上升下降沿是用系統(tǒng)的內部時鐘。本人一開始是想用 10%、90% 這兩個的比較輸出脈沖和這兩個輸出脈沖相與后的脈沖來測量上升下降沿的。msp430 的 p1 和 p2 口也可以作為

54、外部中斷 io 口，可以設為上升沿或者下降沿來觸發(fā) io 口中 斷，本人想用這三個脈沖信號來作為三個 io 口的中斷信號，用這種方法來測量上升下 降沿時間，但是這種方法測得不準，有時候甚至測不出來。而且當頻率高時，程序就 頻繁進入 io 口中斷，這樣主函數根本沒多少機會執(zhí)行了。所以后來才想著和頻率測量 的用同一個計數器。這是只測量高電平的時間，因為一般的有規(guī)律的信號上升沿下降 沿的信號的時間都是一樣的。要區(qū)分上升下降沿的時候也還要用到 io 口中斷，也試著 用過，但是用的時候就是測得不準，甚至都測不出來，所以就把上升下降沿都用同一 個時間，就是只測量高電平的時間。比較器本來是輸入 10%和 9

55、0%兩路電壓來輸出比較 電平，但是在峰峰值小于 2vpp 時輸入 90%的那一路就比較不出來，改為 50%都比較不 出來，所以在脈沖信號小于 2vpp 的都是用 10%和 40%左右來輸入比較電平的，所以在 頻率相同的信號，在不同的峰峰值范圍所測得的占空比和上升下降沿都會有比較大的 差別。 占空比的測量是把 ad637 所測得的有效值在除于峰峰值，然后再把所得到的數值 平方所得。因為所測占空比的信號都是從比較器輸出來的，峰峰值都是不變的，所以 軟件里的峰峰值就用一個固定的數值就可以了。下面舉一個測試的例子。 當給比較器輸入一個 10khz、2vpp 的正弦信號時，脈沖信號參數測試儀所測得的 數

56、據是：頻率 10009hz，周期 0.1ms、峰峰值 2.013vpp，占空比 13%，上升沿的時間是 14.5us，下降沿的時間是 14.5us。示波器所測得的數據如下圖所示。由圖 4-2-1 可以 看出，被測的方波頻率為 5khz，因為這個方波信號是所被測信號的二分頻。由圖 4-2- 2 可以看出，用來測量上升下降沿的脈沖信號高電平時間是 15us，與脈沖信號參數測 試儀所測得的 14.5us 相差不是很大。實際占空比為 15us/100us=15%。所以頻率誤差： |10009-10000|/10000*100%=0.09%;周期誤差：|0.1-0.1|/0.1*100%=0;峰峰值誤差

57、： |2.013-2|/2*100%=0.65%;占空比誤差：|13-15|/15*100%=13.3%;上升下降沿時間誤差： |14.5-15|/15*100%=3.3%;從這個測得的數值看出，只有占空比誤差大了一點，其他的 誤差都沒那么大。但在不同峰峰值測量時他們的誤差都會有新的差別。 d 觸發(fā)器輸出的方波如下圖所示： 圖 5.1 d 觸發(fā)器輸出的方波信號 測上升下降沿所用到的脈沖信號如圖所示： 圖 5.2 測上升下降沿所用到的脈沖信號 6對系統(tǒng)的總結與展望 6.1 總結 現在本系統(tǒng)已經能測量一些脈沖信號的峰峰值、頻率、周期、占空比、上升沿下 降沿時間的參數，但是測量的精度還是不夠好，這與

58、本人做這塊板子的水平有很大的 關系。主要是硬件制約了測量的精度，硬件做得精度很差的話，軟件就算怎么修改都 不能把精度改得很好，而且靠軟件來修改精度的話比較麻煩，又不穩(wěn)定。這個系統(tǒng)還 有很多不穩(wěn)定的因素本人還沒找出來，比如說比較器部分的 ad817 電壓跟隨為什么有 時候會發(fā)燙，有時候又不發(fā)燙。所以板子做的還是不怎么好。 6.2 展望 隨著時代的發(fā)展，特別是對于測量小信號的要求越來越高，以后對脈沖信號參數 測試儀的要求也會越來越高，不僅精度上要求很高，而且速度上也要求很高。本人相 信以后會有比現在的示波器更好的脈沖參數測試儀出現的。 謝 辭 從論文選題到資料搜集，從做一次一次地板子到反反復復地調

59、程序，從寫稿到反復 修改，期間經歷了喜悅、痛苦、煩躁和彷徨，在畢業(yè)設計的過程中心情是如此的復雜， 特別是做板子和調程序的時候，喜怒哀樂都是經常變化的?，F在本次畢業(yè)設計的任務 已經完成了大部分，也將要驗收了。在做畢業(yè)設計的過程中，感謝老師為本人們提供 了實驗室，可以讓本人隨時都可以在實驗室測試板子，調試程序。感謝老師為本人開 放了一臺電腦，使本人能裝一個軟件到電腦去，使本人下次重新開那臺電腦時也不用 再安裝那個軟件了，不過可能那臺電腦太受歡迎了，本人裝有程序的那臺電腦經常有 人占著的，所以本人都很少能用，只能開別的電腦，每次開機都得重新裝過軟件，后 來習慣那臺本人沒裝有軟件的電腦了就經常在那臺上

60、了，就是每次開機都要重新裝過， 有點麻煩。這次畢業(yè)設計還得益于幾個同學的幫助，感謝那幾位同學能及時幫本人解 決疑難問題。感謝指導老師對本人畢業(yè)設計過程中的指導。最后還要感謝陪本人一起 熬夜測板子，調程序的同學們。 參考文獻 1 康華光.電子技術基礎模擬部分（第五版）m.高等教育出版社，2006：4589. 2 閻石.數字電子技術基礎（第五版）m.高等教育出版社，2006：3479. 3 譚浩強.c 程序設計（第三版）m.清華大學出版社，2005. 4 白駒珩，雷曉平.單片計算機及其應用（第二版）m.電子科技大學出版社,2005. 5 高晉占編著. 微弱信號檢測m.北京：清華大學出版社，2004