脉冲信号参数测试仪.pptx

20122012年广西区大学生电子设计竞赛年广西区大学生电子设计竞赛年广西区大学生电子设计竞赛年广西区大学生电子设计竞赛(j(j(j ngsngsngs i)i)i)第一阶段第一阶段第一阶段第一阶段比赛题目比赛题目(t(tmm)讲解讲解黄黄 新新2012.05.122012.05.12第一页，共五十六页。脉冲信号脉冲信号(x nh o)参数测试仪参数测试仪一、任务一、任务设计制作一个脉冲设计制作一个脉冲(m ich ng)信号测试仪，可以测量信号测试仪，可以测量脉冲脉冲(m ich ng)信号的幅值、频率、周期、占空比、信号的幅值、频率、周期、占空比、上升和下降时间等参数。上升和下降时间等参数。2第二页，共五十六页。3第三页，共五十六页。二、要求二、要求(y oqi)1.基本功能基本功能（1）脉冲信号幅值范围为：）脉冲信号幅值范围为：0.2VP5VP，测量精度，测量精度2%；（2）脉冲信号频率）脉冲信号频率(p nl)范围为：范围为：1Hz100KHz；频率测；频率测量精度量精度0.1%，周期测量精度，周期测量精度0.1%（3）占空比测量范围为：）占空比测量范围为：1090，测量误差，测量误差10；（4）比较电平设置范围：）比较电平设置范围：0.2V5V，步进小于，步进小于0.2V；（5）上升时间和下降时间测量范围为）上升时间和下降时间测量范围为1us1ms，测量，测量误差误差1us；4第四页，共五十六页。2.发挥发挥(f hu)部分部分（1）脉冲信号频率）脉冲信号频率(p nl)范围为：范围为：1Hz500KHz；频率测量精度；频率测量精度0.01%，周期测量精度，周期测量精度0.01%；（2）占空比测量范围为：）占空比测量范围为：595，测量误，测量误差差5；（3）上升时间和下降时间测量范围为）上升时间和下降时间测量范围为20ns1ms，测量误差，测量误差20ns；（4）其它。）其它。5第五页，共五十六页。三、脉冲信号三、脉冲信号参数测量参数测量(c li ng)原理原理3.1脉冲脉冲(m ich ng)参数参数（1）脉冲）脉冲信号信号幅度幅度Vm（2）脉冲信号频率）脉冲信号频率f，周期周期T，脉冲宽度脉冲宽度tw；（3）脉冲信号占空比）脉冲信号占空比q tw/T；（4）脉冲信号上升时间）脉冲信号上升时间tr，下降时间，下降时间tf。6第六页，共五十六页。3.2脉冲幅度测量方法脉冲幅度测量方法3.2.1峰值检波法峰值检波法 输入脉冲信号为单极性信号，可利用峰值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测量峰值从而测量峰值从而(c ng r)得到脉冲信号的幅度，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定的单极性三角波，可直接将峰值作为脉冲幅度。度。7第七页，共五十六页。3.2.2脉冲幅度脉冲幅度比较法比较法预置比较电平预置比较电平(di n p n)，当比较器输出低电，当比较器输出低电平平(di n p n)时，说明脉时，说明脉冲信号幅度大于比较冲信号幅度大于比较电平电平(di n p n)，按一定，按一定步进增加比较电平步进增加比较电平(di n p n)，直至比较器，直至比较器输出高电平输出高电平(di n p n)，此时比较电平此时比较电平(di n p n)为脉冲信号的峰值。为脉冲信号的峰值。8第八页，共五十六页。3.2.3 高速高速(o s)A/D采集采集 被测信号频率为被测信号频率为1Hz500KHz，一个周期采集，一个周期采集10个点，至少需要个点，至少需要500KHz105MHz的采样率。的采样率。（1）被测信号为脉冲信号）被测信号为脉冲信号在峰值点开始连续采集在峰值点开始连续采集2M1个点，通过计算个点，通过计算2M1个点的算术平均值获得个点的算术平均值获得(hu d)被测脉冲信号的幅被测脉冲信号的幅度顶值（即单极性信号的幅度值）度顶值（即单极性信号的幅度值）（2）被测信号为三角波）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的差即为三角波的幅度9第九页，共五十六页。3.3脉宽及上升脉宽及上升(sh ngsh ng)和下降时间测量原和下降时间测量原理理10第十页，共五十六页。3.4占空比测量占空比测量(c li ng)原理原理11第十一页，共五十六页。3.5 频率频率(p nl)测量原理测量原理（1）直接测频）直接测频根据频率的定义根据频率的定义(d ngy)，若某一信号在，若某一信号在T秒时间内秒时间内重复变化了重复变化了N次，则该信号的频率次，则该信号的频率12第十二页，共五十六页。（2）直接）直接(zh ji)测周测周13第十三页，共五十六页。（3）中界频率）中界频率(p nl)14fxfM采用(ciyng)测频fxfM采用测周第十四页，共五十六页。（4）测频测周方案）测频测周方案(f ng n)15第十五页，共五十六页。（5）等精度）等精度(j n d)测频法测频法16第十六页，共五十六页。四四、系统、系统(x tng)组成及原理组成及原理4.1峰值检波器峰值检波器17第十七页，共五十六页。18第十八页，共五十六页。2）方法）方法(f ngf)219第十九页，共五十六页。4.2输入衰减输入衰减(shu i jin)电路电路 脉冲输入信号为单极性信号，脉冲输入信号为单极性信号，0.2Vp5.0Vp，由于部分，由于部分ADC转换器最大输入电压为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，部分比较器最大输入电压5.0V，最，最好好(zu ho)再再设计设计2倍的输入衰减电路。倍的输入衰减电路。20第二十页，共五十六页。4.3高速高速(o s)比较器比较器基本部分基本部分(b fen)：脉冲信号频率：脉冲信号频率1Hz100KHz，最，最小周期为小周期为10us发挥部分：发挥部分：脉冲信号频率脉冲信号频率1Hz500KHz，最小，最小周期周期为为2us信号周期至少为比较器响应时间的信号周期至少为比较器响应时间的2倍以上，因倍以上，因此比较器响应时间此比较器响应时间1us21第二十一页，共五十六页。比较比较(bji o)器型号器型号LT1715 采用采用(ciy ng)独立输入独立输入/输出电源的输出电源的 4ns响响应时间、应时间、150MHz 双通道比较器双通道比较器LM3932通道通道，1.3us延时延时LM3192通道，通道，80ns响应时间响应时间ADI 模拟器件公司比较器模拟器件公司比较器产品选型指南产品选型指南22第二十二页，共五十六页。4.4 ADC转换转换(zhunhu n)电路电路（1）ADC位数位数已知已知脉冲信号脉冲信号(x nh o)为单极性为单极性0.2Vp5.0Vp，幅，幅度测量精度度测量精度2%；2%0.2Vp0.004V，5.0/0.004=1250100Vm，INT0对应对应时间为脉宽时间为脉宽tw，INT1对应时间为周期对应时间为周期T34第三十四页，共五十六页。4.9基于基于MSP430G2553的测试的测试(c sh)结构结构35第三十五页，共五十六页。1）MSP-EXP430G2开发板开发板MSP430G2553单片机单片机管脚为管脚为20，IO口口16个；个；2）采用）采用I2C接口或接口或SPI接口的双路接口的双路DAC；3）采用串行接口的液晶模块；）采用串行接口的液晶模块；4）在）在IO允许情况下可采用少量独立允许情况下可采用少量独立(d l)按键。按键。36第三十六页，共五十六页。4.10 基于基于(j y)FPGA的测试结构的测试结构37第三十七页，共五十六页。5 软件设计软件设计5.1 显示模块显示模块（1）底层驱动）底层驱动解决液晶读写操作，时序解决液晶读写操作，时序(sh x)匹配，如果检测匹配，如果检测忙标志，尽量加入超时检测忙标志，尽量加入超时检测（2）初始化程序函数）初始化程序函数完成液晶的初始化设置完成液晶的初始化设置38第三十八页，共五十六页。（3）定点显示字符串函数）定点显示字符串函数用来在指定用来在指定(zhd ng)位置显示相关提示信息位置显示相关提示信息（4）定点显示十进制数函数）定点显示十进制数函数便于调试中显示相关结果便于调试中显示相关结果39第三十九页，共五十六页。5.2 ADC驱动程序驱动程序（1）底层驱动）底层驱动ADC信号定义；利用单片机信号定义；利用单片机IO口实现口实现ADC接口时接口时序序，ADC采集函数采集函数(h nsh)返回二进制采集结果；返回二进制采集结果；（2）应用程序）应用程序1）定时采集函数）定时采集函数利用定时中断利用定时中断方式实现采样，可方便修改采样方式实现采样，可方便修改采样频率。频率。40第四十页，共五十六页。2）脉冲幅度计算）脉冲幅度计算(j su n)采用高速采样的方式测量脉冲幅度，可采取算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。术平均值或滑动平均值方式进行处理。3）测量结果电压转换测量结果电压转换41第四十一页，共五十六页。5.3DAC驱动程序驱动程序（1）底层驱动）底层驱动DAC信号信号定义；利用单片机定义；利用单片机IO口口实现实现DAC接口接口时序时序，DAC输出函数；输出函数；（2）应用程序）应用程序1）电平设置函数）电平设置函数入口入口(r ku)参数：上限和下限电平百分比，脉冲幅度。根参数：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。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）峰值逼近函数入口参数：起始电压，终止电压，电压步进入口参数：起始电压，终止电压，电压步进出口参数：脉冲峰值出口参数：脉冲峰值调用：比较器结果检测调用：比较器结果检测42第四十二页，共五十六页。5.4 频率频率(p nl)测量测量5.4.1测频法测频法16位定时位定时(d n sh)/计数器计数器闸门闸门T 1秒秒：频率范围：频率范围：1Hz65.535KHz闸门闸门T 0.1秒秒：频率范围：频率范围：10Hz655.35KHz 闸门时间实现方式，定时中断或时基中断实现。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。5.4.2测周法测周法 选择内部时钟作为定时选择内部时钟作为定时/计数计数(j sh)器计数器计数(j sh)脉冲，以被测信号脉冲，以被测信号2分频信号作为闸门，闸门分频信号作为闸门，闸门的实现方式：的实现方式：AT89S51：闸门信号从：闸门信号从INT0或或INT1输入；输入；C8051F，MSP430，STM32均可通过捕获寄存器均可通过捕获寄存器实现，上升沿捕获读取计数器结果实现，上升沿捕获读取计数器结果N1，下降沿，下降沿捕获读取计数结果捕获读取计数结果N2，最后计数结果，最后计数结果NN2-N1。根据根据Tmax65535Tc，合理选择内部计数，合理选择内部计数时钟，时钟，Tc越小，测量精度越高，但周期测量范越小，测量精度越高，但周期测量范围越小。围越小。44第四十四页，共五十六页。5.4.3测频和测周法选择测频和测周法选择(xunz)（1）中界频率）中界频率如如AT89S51单片机，闸门时间单片机，闸门时间(sh ji n)为为0.1秒，内部计秒，内部计数脉冲数脉冲1us，中界频率为，中界频率为3.16KHz（2）测量方法选择）测量方法选择fx3.16KHz：测测频频45第四十五页，共五十六页。5.4.4时间间隔时间间隔(ji n g)测量测量（1）脉冲周期）脉冲周期T基本部分：基本部分：10us1s；发挥；发挥(f hu)部分：部分：2us1s；（2）脉冲宽度）脉冲宽度tw基本基本部分：部分：1090占空比，占空比，1us0.9s发挥发挥部分：部分：595占空比，占空比，0.1us0.95s（3）三角波上升时间）三角波上升时间tr和下降时间和下降时间tft0.4T 基本部分基本部分：4us0.4s；发挥部分；发挥部分：0.8us0.4s；（4）占空比）占空比qqtw/T46第四十六页，共五十六页。（5）时间）时间(sh ji n)间隔测量方法间隔测量方法 时间间隔的测量方法同周期测量法，根据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。测量结果选择时钟频率。1）AT89S51 Tmax655351us65.535ms，无法直接测，无法直接测65.535ms的时间间隔，可以的时间间隔，可以(k y)利用一个利用一个8位位计计数变量数变量TWH对溢出计数，即可扩展为对溢出计数，即可扩展为24位计数位计数结果，得到计数结果结果，得到计数结果NTWH65536TH256TL47第四十七页，共五十六页。2）MSP430G2553 系统时钟为系统时钟为16MHz，定时器时钟设置为，定时器时钟设置为SMCLK，SMCLK时钟源为时钟源为XT2CLK，定时器时钟源为，定时器时钟源为SMCLK，SMCLK分频分频(f n p n)DIVSx 可选择可选择1，2，4，8，定时器输入分频，定时器输入分频IDx可可选择选择1，2，4，8。选择选择DIVSx8，Idx8，则计数频率为，则计数频率为0.25MHz，计数周期计数周期4us，最大时间间隔为，最大时间间隔为262.14ms，为了测，为了测量更大的时间间隔，同样需要增加计数变量，以量更大的时间间隔，同样需要增加计数变量，以扩展计数器位数。扩展计数器位数。48第四十八页，共五十六页。DIVSxIdx1248时间间隔隔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。6 系统系统(x tng)调试调试（1）安装前测试）安装前测试 测电源测电源(di nyu n)与地之间的电阻，判断是否短路；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，是否有肉眼观察电路板，线与线之间是否短路，是否有线腐蚀断了。线腐蚀断了。（2）安装）安装器件器件 1）按功能模块安装）按功能模块安装器件，按器件，按器件高度由低到器件高度由低到高，体积由小到大的顺序安装器件高，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安装好关键器件后检测电源和地之间是否短路短路 3）安装安装时确定时确定器件型号，参数，方向器件型号，参数，方向50第五十页，共五十六页。（3）安装）安装(nzhu ng)后测试后测试1）首先）首先(shuxi n)检测电源和地检测电源和地2）肉眼观察是否有短路，虚焊，器件型号，方向）肉眼观察是否有短路，虚焊，器件型号，方向错误错误3）检测关键信号线）检测关键信号线4）加电测试）加电测试首先确定电源是否符合要求首先确定电源是否符合要求加电瞬间观察是否有异常，如发热等，有异常加电瞬间观察是否有异常，如发热等，有异常迅速断电检查迅速断电检查通电正常后，确认电路板电源电压通电正常后，确认电路板电源电压51第五十一页，共五十六页。（4）功能测试）功能测试1）单片机最小系统）单片机最小系统示波器测时钟脚应有振荡波形示波器测时钟脚应有振荡波形万用表测复位管脚，按键按下为高，释放为低万用表测复位管脚，按键按下为高，释放为低万用表测万用表测EA，应为高。，应为高。该部分该部分(b fen)正常单片机一般能工作。正常单片机一般能工作。2）显示模块）显示模块指定位置显示字符，指定位置显示字符，整数整数3）比较器模块）比较器模块利用示波器双踪观测比较器输入和输出波形利用示波器双踪观测比较器输入和输出波形52第五十二页，共五十六页。4）ADC测试测试模拟输入模拟输入电压分别接电压分别接VCC和和0，循环，循环调用调用A/D控控制程序，数据处理程序，制程序，数据处理程序，显示程序，观察显示程序，观察显示显示结果是否为结果是否为5.000，0.000。5）DAC测试测试利用利用DAC输出输出0，2.5V，5.0V等电压值，通过万等电压值，通过万用表测量用表测量(c li ng)输出结果是否正常。输出结果是否正常。53第五十三页，共五十六页。6）频率测量）频率测量输入方波信号输入方波信号(x nh o)，改变信号，改变信号(x nh o)频率，通过频率，通过液晶显示被测频率。液晶显示被测频率。7）时间间隔测量）时间间隔测量测量三角波上升时间测量三角波上升时间tr，利用液晶显示被测信，利用液晶显示被测信号周期号周期T和上升时间和上升时间tr，判断是否符合，判断是否符合tr0.4T。54第五十四页，共五十六页。谢谢谢谢(xi xie)大家！大家！55第五十五页，共五十六页。内容(nirng)总结2012年广西区大学生电子设计竞赛第一阶段。（4）比较(bjio)电平设置范围：0.2V5V，步进小于0.2V。（5）上升时间和下降时间测量范围为1us1ms，测量误差1us。（3）上升时间和下降时间测量范围为20ns1ms，测量误差20ns。已知脉冲信号为单极性0.2Vp5.0Vp，幅度测量精度2%。2%0.2Vp0.004V，。ADC0809：60us（1MHz时钟）8位。55第五十六页，共五十六页。