脈沖信號參數(shù)測試儀

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

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

3、。）其它。5三、脈沖信號三、脈沖信號參數(shù)測量原理參數(shù)測量原理3.1脈沖參數(shù)脈沖參數(shù)（1）脈沖）脈沖信號信號幅度幅度Vm（2）脈沖信號頻率）脈沖信號頻率f，周期周期T，脈沖寬度脈沖寬度tw ；（3）脈沖信號占空比）脈沖信號占空比q tw/ T ；（4）脈沖信號上升時間）脈沖信號上升時間tr，下降時間，下降時間tf。63.2脈沖幅度測量方法脈沖幅度測量方法3.2.1峰值檢波法峰值檢波法 輸入脈沖信號為單極性信號，可利用峰值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測量峰值從而得到脈沖信號的幅度，測量峰值從而得到脈沖信號的幅

4、度， 對脈對脈沖波形該方法會造成幅度誤差，對題目給定的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。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，說明脈沖信號時，說明脈沖信號幅度大于比較電平，幅度大于比較電平，按一定步進增加比按一定步進增加比較電平，直至比較較電平，直至比較器輸出高電平，此器輸出高電平，此時比較電平為脈沖時比較電平為脈沖信號的峰值。信號的峰值。83.2.3 高速高速A/D采集采集 被測信號頻率為被測信號頻率為1Hz500KHz，一個周期采集，一

5、個周期采集10個點，至少需要個點，至少需要500KHz105MHz的采樣率。的采樣率。 （1）被測信號為脈沖信號）被測信號為脈沖信號在峰值點開始連續(xù)采集在峰值點開始連續(xù)采集2M1個點，通過計算個點，通過計算2M1個點的算術(shù)平均值獲得被測脈沖信號的幅度頂個點的算術(shù)平均值獲得被測脈沖信號的幅度頂值（即單極性信號的幅度值）值（即單極性信號的幅度值） （2）被測信號為三角波）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的差即為三角波的幅度93.3脈寬及上升和下降時間測量原理脈寬及上升和下降時間測量原理103.4占空比測量原理占

6、空比測量原理113.5 頻率測量原理頻率測量原理（1）直接測頻）直接測頻根據(jù)頻率的定義，若某一信號在根據(jù)頻率的定義，若某一信號在T秒時間內(nèi)重秒時間內(nèi)重復(fù)變化了復(fù)變化了N次，則該信號的頻率次，則該信號的頻率12TNfxccxxxffTfff1（2）直接測周）直接測周13cxNTT cccxxxfffTTT1（3）中界頻率）中界頻率14|1|1cccxccxfffTffTfTfffcxMfxfM采用測頻fxfM采用測周（4）測頻測周方案）測頻測周方案15（5）等精度測頻法）等精度測頻法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 脈沖輸入信號為單極性信號，脈沖輸入信號為單極性信號，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)計設(shè)計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：脈沖信號頻率基本部分：脈沖信號頻率1Hz100KHz，最小，最小周期為周期為10us發(fā)揮部分：發(fā)揮部分：脈沖信號頻率脈沖信號頻率1Hz500KHz，最小，最小周期周期為為2us信號周期至少為比較器響應(yīng)時間的信號周期至少為比較器響應(yīng)時間的2

8、倍以上，倍以上，因此比較器響應(yīng)時間因此比較器響應(yīng)時間1us21比較器型號比較器型號LT1715 采用采用獨立輸入獨立輸入/輸出電源的輸出電源的 4ns響應(yīng)時響應(yīng)時間、間、150MHz 雙通道比較器雙通道比較器LM3932通道通道，1.3us延時延時LM3192通道，通道，80ns響應(yīng)時間響應(yīng)時間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)已知已知脈沖信號為單極性脈沖信號為單極性0.2Vp5.0Vp，幅度測，幅度測量精度量精度2%；2%0.2Vp0.004V，5.0/0.004=1250100Vm，INT0對應(yīng)對應(yīng)時間

9、為脈寬時間為脈寬tw，INT1對應(yīng)時間為周期對應(yīng)時間為周期T344.9基于基于MSP430G2553的測試結(jié)構(gòu)的測試結(jié)構(gòu)351）MSP-EXP430G2開發(fā)板開發(fā)板MSP430G2553單片機單片機管腳為管腳為20，IO口口16個；個；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立按鍵。允許情況下可采用少量獨立按鍵。364.10 基于基于FPGA的測試結(jié)構(gòu)的測試結(jié)構(gòu)375 軟件設(shè)計軟件設(shè)計5.1 顯示模塊顯示模塊（1）底層驅(qū)動）底層驅(qū)動解決液晶讀寫操作，時序匹配，如果檢測忙標(biāo)解決液晶

10、讀寫操作，時序匹配，如果檢測忙標(biāo)志，盡量加入超時檢測志，盡量加入超時檢測（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）定點顯示字符串函數(shù)）定點顯示字符串函數(shù)用來在指定位置顯示相關(guān)提示信息用來在指定位置顯示相關(guān)提示信息（4）定點顯示十進制數(shù)函數(shù)）定點顯示十進制數(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)動程序驅(qū)動程序（1）底層驅(qū)動）底層驅(qū)動ADC信號定義；利用單片機信號定義；利用單片機IO口實現(xiàn)口實現(xiàn)ADC接口接口時序時序，ADC采集函數(shù)返回二進制采集結(jié)果；采集函數(shù)返回二進制采集結(jié)果；（2）應(yīng)用程序）應(yīng)用程序1）定時采集函數(shù)）定時

11、采集函數(shù)利用定時中斷利用定時中斷方式實現(xiàn)采樣，可方便修改采樣方式實現(xiàn)采樣，可方便修改采樣頻率。頻率。402）脈沖幅度計算）脈沖幅度計算采用高速采樣的方式測量脈沖幅度，可采取算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行處理。術(shù)平均值或滑動平均值方式進行處理。3）測量結(jié)果電壓轉(zhuǎn)換測量結(jié)果電壓轉(zhuǎn)換4112nrefiVADDataV5.3DAC驅(qū)動程序驅(qū)動程序（1）底層驅(qū)動）底層驅(qū)動DAC信號信號定義；利用單片機定義；利用單片機IO口口實現(xiàn)實現(xiàn)DAC接口接口時序時序，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)需要編寫單獨的上限和下限電平設(shè)置函數(shù)。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)）峰值逼近函數(shù)入口參數(shù)：起始電壓，終止電壓，電壓步進入口參數(shù)：起始電壓，終止電壓，電壓步進出口參數(shù)：脈沖峰值出口參數(shù)：脈沖峰值調(diào)用：比較器結(jié)果檢測調(diào)用：比較器結(jié)果檢測425.4 頻率測量頻率測量5.4.1測頻法測頻法16位定時位定時/計數(shù)器計數(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 閘門時間實現(xiàn)方式，定時中斷或時基中斷實現(xiàn)。閘門時間實現(xiàn)方式，定

13、時中斷或時基中斷實現(xiàn)。435.4.2測周法測周法 選擇內(nèi)部時鐘作為定時選擇內(nèi)部時鐘作為定時/計數(shù)器計數(shù)脈沖，以計數(shù)器計數(shù)脈沖，以被測信號被測信號2分頻信號作為閘門，閘門的實現(xiàn)方式：分頻信號作為閘門，閘門的實現(xiàn)方式：AT89S51：閘門信號從：閘門信號從INT0或或INT1輸入；輸入；C8051F，MSP430，STM32均可通過捕獲寄存器實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)果現(xiàn)，上升沿捕獲讀取計數(shù)器結(jié)果N1，下降沿捕獲，下降沿捕獲讀取計數(shù)結(jié)果讀取計數(shù)結(jié)果N2，最后計數(shù)結(jié)果，最后計數(shù)結(jié)果NN2-N1。 根據(jù)根據(jù)Tmax65535Tc，合理選擇內(nèi)部計數(shù)，合理選擇內(nèi)部計數(shù)時鐘，時鐘，Tc

14、越小，測量精度越高，但周期測量范圍越小，測量精度越高，但周期測量范圍越小。越小。445.4.3測頻和測周法選擇測頻和測周法選擇（1）中界頻率）中界頻率如如AT89S51單片機，閘門時間為單片機，閘門時間為0.1秒，內(nèi)部計數(shù)脈秒，內(nèi)部計數(shù)脈沖沖1us，中界頻率為，中界頻率為3.16KHz（2）測量方法選擇）測量方法選擇fx3.16KHz：測測頻頻45TTTffccM15.4.4時間間隔測量時間間隔測量（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）三角波上升時間）三角波上升時間tr和下降時間和下降時間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）時間間隔測量方法）時間間隔測量方法 時間間隔的測量方法同周期測量法，根據(jù)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。測量結(jié)果選擇時鐘頻率。1）AT89S51 Tmax655351us65.535ms，無法直接，無法直接測測65.535ms的時間間隔，可以利用一個的時間間隔，可以利用一個8位位計計數(shù)變量數(shù)變量TWH對溢出計數(shù)，即可擴展為對溢出計數(shù)，即

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

17、計數(shù)變量，以量更大的時間間隔，同樣需要增加計數(shù)變量，以擴展計數(shù)器位數(shù)。擴展計數(shù)器位數(shù)。48 DIVSxIdx1248時間間隔時間間隔10.06250.1250.250.5最小單位us20.1250.250.5140.250.51280.512414.0959388.19187516.3837532.7675最大單位ms28.19187516.3837532.767565.535416.3837532.767565.535131.07832.767565.535131.07262.14496 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試（1）安裝前測試）安裝前測試 測電源與地之間的電阻，判斷是否短路；肉測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)鍵器件后檢測電源和地之間是否安裝好關(guān)鍵器件后檢測電源和地之間是否短路短路 3）安裝安裝時確定時確定器件型號，參數(shù)，方向器件型號，參數(shù)，方向50（3）安裝后測試）安裝后測試1）首先檢測電源和地）首先檢測電源和地2）肉眼觀察是否有短路，虛焊，器件型號，方向）肉眼觀察是否有短路，虛焊，器件型號，方向錯誤錯誤3）檢測關(guān)鍵信號線）檢測關(guān)鍵信號線4）加電測試）加電測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，