202X年脉冲信号参数测试仪(1)

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三、脉冲信号参数测量(cèliáng)原理
3.1脉冲(màichōng)参数 （1）脉冲信号幅度Vm
（2）脉冲信号频率f，周期T，脉冲宽度tw ； （3）脉冲信号占空比q＝ tw/ T ；
（4）脉冲信号上升时间tr，下降时间tf。
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3.2脉冲幅度测量方法
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4.5 比较 电平设置 (bǐjiào)
比较器电平设置通过(tōngguò)D/A转换器实现， 电平范围为0～5.0V，共两个通道。 （1）DAC位数
当输入被测脉冲幅度为0.2Vp时，最小比 较电平为10％×0.2Vp＝0.02V，则5/0.02=250， 至少需要8位DAC。 （2）DAC速度要求不高
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（4） ADC型号(xínghào)
ADC0809：60us（1MHz时钟(shízhōng)） AD574：35us ADC0832：20us ADS7950：0.8us 位
8位 12位 8位
12
ADS802：0.1us
12位并行接口
ADS7883：3MSPS 12位 SPI接口
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（4）STM32F103C8
通用IO SRAM FLASH 接口 ADC DAC 16位定时/计数器 捕获/比较寄存器 最大时钟频率fsclk 最大计数频率 最小定时周期
37 20KB 64KB SPI，IIC，UART 12位1MSPS 12位2个 4 有 72MHz Fsclk/2 13.9ns
基本部分(bù fen)：脉冲信号频率1Hz～100KHz，最 小周期为10us 发挥部分：脉冲信号频率1Hz～500KHz，最小 周期为2us 信号周期至少为比较器响应时间的2倍以上， 因此比较器响应时间<1us
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比较 器型号 (bǐjiào)
LT1715 －采用(cǎiyòng)独立输入/输出电源的 4ns响 应时间、150MHz 双通道比较器 LM393－2通道，1.3us延时 LM319－2通道，80ns响应时间 ADI 模拟器件公司比较器产品选型指南
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4.10 基于(jīyú)FPGA的测试结构
DAC
90%Vm
+
Vin
-
+ 10%Vm
ADC驱动 DAC驱动
时钟 分频器
2分频
定时 采样 比较电 平设置
频率 计数器0 上升时间 计数器1 下降时间 计数器2
周期 计数器3
脉宽 计数器4
控制 模块
LCD 驱动
LCD
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4.6 显示 电路 (xiǎnshì)
该题目主要显示脉冲幅度，上升和下降时 间，脉冲宽度，频率，周期，占空比等信息。 采用(cǎiyòng)字符型液晶显示即可。 Arduino LCD1602：IIC接口 SMC1602SA：3线接口 LCD1602：并行接口 12232F：122×32 串并行接口 12864：128×64 串并行接口
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3.3脉宽及上升(shàngshēng)和下降时间测量原 理
90%Vm
tr
tf
Vm 50%Vm tw
90%Vm + Vin -
+ 10%Vm -
Vo2
Vo1
Vo
Vo1
Vo2 Vo
10%Vm
tr=N1TC
tf=N2TC
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3.4占空比测量(cèliáng)原理
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4.8基于(jīyú)AT89S51的系统结构
（1）系统结构
DAC1
90%Vm +
Vin
-
+ 10%Vm -
DAC2
T1
Vo
INT0 AT89S51
P1.1 C1Q INT1
D
LCD
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（2）测试步骤
1）DAC2逐步逼近检测VM 2）DAC2 10％Vm，DAC1 90％Vm 3）定时器0内部定时，INT0作为闸门时间，测 上升和下降时间，INT0中断时读数，通过检测 P1.0和P3.5（T1）识别(shíbié)上升和下降时间；计 数器1外部计数，测频率f 4）DAC2 50％Vm，DAC1 >100％Vm，INT0对应 时间为脉宽tw，INT1对应时间为周期T
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2.发挥(fāhuī)部分
（1）脉冲信号频率(pínlǜ)范围为：1Hz～500KHz； 频率测量精度≤±0.01%，周期测量精度 ≤±0.01%； （2）占空比测量范围为：5％～95％，测量误 差≤5％； （3）上升时间和下降时间测量范围为20ns～ 1ms，测量误差≤20ns； （4）其它。
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4.9基于MSP430G2553的测试(cèshì)结构
90%Vm +
Vin
-
+ 10%Vm -
DAC12_0OUT DAC12_1OUT
TACLK
Vo TA0.0 MSP430
LCD
C1Q TA0.1 D
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1）MSP-EXP430G2开发板MSP430G2553单片机 管脚为20，IO口16个； 2）采用I2C接口或SPI接口的双路DAC； 3）采用串行接口的液晶模块； 4）在IO允许情况下可采用少量独立(dúlì)按键。
1.基本功能 （1）脉冲信号幅值范围为：0.2VP～5VP，测量精度 ≤±2%； （2）脉冲信号频率(pínlǜ)范围为：1Hz～100KHz；频率测 量精度≤±0.1%，周期测量精度≤±0.1% （3）占空比测量范围为：10％～90％，测量误差≤10％； （4）比较电平设置范围：0.2V～5V，步进小于0.2V； （5）上升时间和下降时间测量范围为1us～1ms，测量 误差≤1us；
平 时，说明脉 (diàn pínɡ)
Vr
冲信号幅度大于比 Vin
较电平(diàn pínɡ)，按一 定步进增加比较电
平(diàn pínɡ)，直至比较 器输出高电平(diàn ， pínɡ) 此时比较电平(diàn pínɡ) 为脉冲信号的峰值。
+
VC
-
10%Vm
Vc Vc
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3.2.3 高速(ɡāo sù)A/D采集
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（3） 转换 速度 (zhuǎnhuàn)
1）采用峰值检波方式：AD测量值为直流信号 一般ADC均可满足要求； 2）采用高速ADC采样方式： 基本(jīběn)部分： 1Hz～100KHz fs ＝10fimax ＝1000KHz 发挥部分： 1Hz～500KHz fs ＝10 fimax ＝5MHz
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5 软件设计
5.1 显示模块 （1）底层驱动 解决液晶读写操作，时序(shíxù)匹配，如果检测忙 标志，尽量加入超时检测 （2）初始化程序函数 完成液晶的初始化设置
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（3）定点显示字符串函数 用来在指定(zhǐdìng)位置显示相关提示信息 （4）定点显示十进制数函数 便于调试中显示相关结果
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（3） MSP430G2553IPW20
通用IO SRAM FLASH 接口 ADC DAC 16位定时/计数器 捕获/比较寄存器 最大时钟频率fsclk 最大计数频率 最小定时周期
16 512B 16KB SPI，IIC，UART 10位200KSPS 12位2个 2 3 16MHz fsclk 20ns
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5.2 ADC驱动程序
（1）底层驱动 ADC信号定义；利用单片机IO口实现ADC接口时 序，ADC采集函数(hánshù)返回二进制采集结果； （2）应用程序 1）定时采集函数 利用定时中断方式实现采样，可方便修改采样 频率。
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2）脉冲幅度计算(jìsuàn)
18Βιβλιοθήκη 4.2输入衰减(shuāi 电路 jiǎn)
脉冲输入信号为单极性信号，0.2Vp～ 5.0Vp，由于部分ADC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<5.0V， 最好(zuì hǎo)再设计2倍的输入衰减电路。
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4.3高速(ɡāo sù)比较器
P1.0
比比比
Q CK QD
预置闸门
fx
Nx N cTc
fx fx
1
Nc
fc fc
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预置闸门 同步闸门 NxTx T=NcTc
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四、系统(xìtǒng)组成及原理
4.1峰值检波器
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2）方法(fāngfǎ)2
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fc
Tx fc
fc
fM fx
fc T
f >f 采用 测 x M
(cǎiyòng)
频
fx<fM采用测周
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（4）测频测周方案(fāng àn)
比比
T0
8051 比比
INT0
比比比
Q CK QD
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（5）等精度(jīnɡ dù)测频法
T0
8051
INT1
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4.4 ADC转换 电路 (zhuǎnhuàn)
（1）ADC位数 已知脉冲信号(xìnhào)为单极性0.2Vp～5.0Vp，幅度 测量精度≤±2%； ±2%×0.2Vp＝±0.004V， 5.0/0.004=1250<212，A/D转换器位数12位 （2）参考电压源 应采用基准电压源
t
T
0
fx fx
T
1
fx
fc fc
0
N
t
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（2）直接(zhíjiē)测周
Ux
0
t
Ux
0
T x NTc
Tx
t
0 uC
t
Tc
0
t
N
Tc
0
Tx
t
Tx Tx
T
1
x fc
fc fc
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（3）中界频率(pínlǜ)
1 | fc | 1 | fc |
Tf x
90%Vm
Vm 50%Vm tw
Vo2
+ Vin -
+ 50%Vm -
Tx Vo1
Vo2
占空比q＝tw/Tx
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3.5 频率(pínlǜ)测量原理
（1）直接测频
根据频率的定义(dìngyì)，若某一信号在T秒时间内
重复变化了N次，则该信号的频率
N
50%Vm
fx T
0 0
t
fx
峰值检波法 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 A/D测量峰值从而(cóng ér)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 定的单极性三角波，可直接将峰值作为脉冲幅 度。
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脉冲幅度比较法
预置比较电平(diàn ， pínɡ) 当比较器输出低电
脉冲信号(xìnhào)参数测试仪
一、任务 设计制作一个脉冲(màichōng)信号测试仪，可以测量 脉冲(màichōng)信号的幅值、频率、周期、占空比、 上升和下降时间等参数。
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脉冲 信号
峰值检测 比较器 D/A
A/D 微处理器 键盘电路
显示 电路
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2
二、要求(yāoqiú)
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4.7 微处理器
（1） AT89S51
通用IO
32
SRAM
128B
FLASH
4KB
接口
UART
ADC
0
DAC
0
16位定时/计数器
2
捕获/比较寄存器
0
最大时钟频率fsclk
33MHz
最大计数频率
fsclk/24
最小定时周期
Tsclk
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（2） C8051F020
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（3）主要(zhǔyào)DAC型号
TLV5626 8位1us2路DAC，SPI接口，电压(diànyā)输 出 DAC5574 8位8us4路DAC，I2C接口，电压输出 LTC2631 8位3.2us1路DAC，I2C接口，电压输出 AD5337 8位6us2路DAC，I2C接口，电压输出
被测信号频率为1Hz～500KHz，一个周期采集 10个点，至少需要500KHz×10＝5MHz的采样率。
（1）被测信号为脉冲信号 在峰值点开始连续采集2M＋1个点，通过计算2M ＋1个点的算术平均值获得(huòdé)被测脉冲信号的幅 度顶值（即单极性信号的幅度值）
（2）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 的差即为三角波的幅度
通用IO SRAM FLASH 接口 ADC DAC 16位定时/计数器 捕获/比较寄存器 最大时钟频率fsclk 最大计数频率 最小定时周期
64 4K+256B 64KB SPI，IIC，UART 12位100KSPS，8位500KSPS 12位2个 5 有 25MHz fsclk/4 Tsclk