2016年TI杯大学生电子设计竞赛

2016年全国大学生电子设计竞赛脉冲信号参数测量仪（E题）【本科组】参赛学校：山东工商学院参赛队员：陈阳李新太张慧丽参赛编号：028E212016年7月28日1 / 13摘要由于现在时代的快速发展，越来越多的科技品用在日常生活中，满足了我们的需求，方便了我们的生产。

所以本文论述了脉冲信号参数测量仪的设计思路和过程.本设计是基于单片机STM mini 32的信号发生器及各种芯片和各个程序来设计和实现。

信号发生器基于芯片LM 311，TLV3501及外围电路设计的通过控制定时器中的捕获和分频电路可以改变频率。

对于占空比，是通过两个定时器，一个测频率周期，另一个测输入捕获。

对于幅度测量，只需求出峰值电路即可。

对于上升时间的测量，通过高速比较器来获得，最后我们用芯片AD9850又制作了一个矩形脉冲信号发生器。

本实验在误差允许的范围内具有可行性。

关键字：STM mini 32、LM311、TLV3501 ，AD9850。

AbstractThis article discusses the measuring instrument of pulse signal parameters designed idea and process. This design is based on single chip microcomputer STM mini 32 signal generator and frequency and amplitude measurement instrument design and implementation. Signal generator bases on chips and peripheral circuit design by controlling the timer in the capture and frequency division circuit can change the frequency. For duty ratio, it is through the two timers, a frequency measurement period, input capture another test. Circuit for amplitude measurement, which only needs a peak. For measuring rise time, getting through the high-speed comparator.Keywords: STM mini 32、LM311、TLV3501 ，AD9850。

目录一、方案论证 (1)1.1方案比较与选择 (1)1.2方案描述 (2)二、理论分析与计算 (2)2.1相关参数设计 (3)三、电路与程序设计 (3)3.1系统组成与原理框图 (4)3.2各部分的电路图 (4)3.3系统软件与流程图 (5)四、测试方案与测试结果 (5)4.1测试使用的仪器 (5)4.2测试结果记录 (5)4.3测试结果的分析 (6)五、总结与体会 (7)六、参考文献 (7)七、附录 (8)一、方案论证1.方案比较与选择方案一：频率的测量采用功能较强、兼容性较好、性价比高的STMmini32单片机，通过定时1s检测外部中断发生的次数求出频率，对于占空比的测量采用单片机对脉冲上升沿与下降沿的捕捉，通过定时器的定时分别测量出电平值和脉冲周期，通过计算得到占空比值。

对于幅度的测量采用LM311和LF398将信号经峰值保持电路整流成与原信号幅值相等的直流电信号再进行测量，用单片机采集由ad转换器转换得到的电压信号，在进行运算，显示。

可以实现对峰值的准确测量，能满足设计要求。

这种方案采用单片机技术，使得其具有智能化的优点，简化了硬件电路，提高了测量精度，同时也能用软件对测量误差进行补偿，这给调试维护及功能的扩展带来了极大的方便。

此方案很理想，可以满足设计要求。

方案二：对于频率的测量此方案对输入信号做分频整形后，再与1s的脉宽的信号共同输入与门，其输出作为计数脉冲，由计数器计数然后锁存译码输出到数码管显示。

该方案硬件结构简单，但工作速度低、精度差不能满足设计要求，所以此方案不理想.对于占空比的侧量采用锁相环电路与100进制加法计数电路，将输入信号100倍频，通过计数器测量待测信号在高电平态的倍频的脉冲个数，该方案操作较为复杂，容易产生误差对于幅度的测量采用取样法，设在时间间隔t内对待测的信号进行取样1次，设在时间T内对信号进行了N次取样，然后经单片机及相关软件处理数据并比较大小，取最大得值即是是所测峰值，此方案在低频段精度较高，但在高频段，取样的时间间隔不能满足高频率的要求，所测结果误差较大，方案不理想。

综合以上分析，本设计拟采用方案一予以实现。

2.系统描述此实验的用到的主要的电路图有高速比较器、峰值保持和四分频电路，下面主要介绍他们的用途和基本原理。

高速比较器：TLV350x系列推挽输出比较器, 有来自快速延迟时间为4.5ns传播延迟和操作+ 2.7V至+5.5V，由于超出摆幅输入共模范围使其非常适合低电压应用的理想选择。

轨对轨输出可直接驱动CMOS或TTL逻辑。

峰值电路：由单机片上的引脚发出“0”信号，使LF398的采样保持控制交给比较器LM311完成，这是LM311与LF398构成峰值保持电路，当输入信号V in处于上升期（或此刻V in大于原LF398所保持的最大值V out）时，比较器的同向端电压高于反向端，LOGIC上会得到高电频，使电路的输出跟踪输入，即V out=V in。

四分频电路：分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。

四分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发4个周期时，电路输出1个周期信号。

二、理论描述2.1.系统相关参数设计用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如下图所示频率设计图2-1正弦波：直流电源就是震荡能源，在电路中存在噪声当w=w0=1/RC这一频率成分经过放大。

通过选频网络最后输出正弦波振荡频率。

一般采用改变电容C 作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。

方波：V T1=V REF+V OHV T2=V REF+V OL本电路中V REF=0，所以V T1=V OHV T2=V OL令初始时间t=0,两个时刻t1,t2。

假设t=0时，Vi<VOL ，输出V0,当Vi<VOL时保持V0不变。

当t=t1, Vi>VOH，输出从V0变为-V0，之后Vi在大于V内变化时，保持-V0不变。

当t=t2时，Vi< VOL，输出又从-V0变为V0。

之后不断的重复，形成方波。

图2-2三、电路与程序设计3.1系统组成与原理框图输入被测信号的范围是2MHZ~10MHZ，信号需经512分频才能测量。

端口Input2可输入被测信号的范围50KHZ~2MHZ，信号需经16分频才能测量。

端口Input3可输入被测信号的范围是2HZ~50KHZ。

图3-1（频率的步骤图）电路图：（四分频）通过定时1s检测外部中断发生的次数求出频率，分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。

以下如图所述：图3-2(其中一部分四分频的电路图)图3-3（四分频的电路图）3.2系统软件流程图:图3-5（系统流程图）通过定时1s检测外部中断发生的次数求出频率，占空比的侧量采用单片机对脉冲上升沿与下降沿的捕捉，通过定时器的定时分别测量出电平值和脉冲周期，通过计算得到占空比值，采用LM311和LF398将信号经峰值保持电路整流成与原信号幅值相等的直流电信号再进行测量，用单片机采集由ad转换器转换得到的电压信号，在进行运算，显示。

四、测试方案与测试结果4.1.测试使用的仪器（示波器）1.任意发生器2012-12-032.示波器型号TFG6930 型号GDS-1102A-U4.2.测试结果与记录如表4-2表4-2（各参数的数据）4.3.测试结果的完整性与分析电子计数器测频法主要是将被测频率信号加到计数器的计数输入端，然后让计数器在标准时间Ts1内进行计数，所得的计数值N1。

与被测信号的频率fx1的关系如下：而电子计数器测周法则是将标准频率信号fs2送到计数器的计数输入端，而让被测频率信号fx2控制计数器的计数时间，所得的计数值N2与fx2的关系如下：事实上，无论用哪种方法进行频率测量，其主要误差源都是由于计数器只能进行整数计数而引起的±1误差：可见，在同样的Ts下，测频法fx1的低频端，误差远大于高频端，而测周法在fx2的高频端，其误差远大于低频端如进行n次重复测量然后取平均，则±1误差会减小n倍。

如给定±1误差ε，则要求ε≤ε0ο对测频法要fx1≥ 对测周法则要求fx2≤ε0fs2ο因此，对一给定频率信号fs进行测量时，用测频法fs1越低越好，用测周法则fs2越高越好2.STMmini32单片机的测频范围和测频时间STMmini32单片机的定时器／计数器接口，在特定晶振频率fc=12 MHz时，可输人信号的频率上限是fx≤fc／24=500 kHz。

如用测频法，则频率的上限取决于STMmini32，故测频法的测量范围是：即：fx1≤500 kHz。

用测频法测频时，定时器／计数器的计数时间间隔可由STMmini32的另外一个定时器／计数器完成，外接100分频器的情况下，fx1的频率范围可扩展到50MHz 用测周法设计时，其频率的下限取决STMmini32计数器的极限。

考虑到STMmini32内部为16位，加上TF标志位，计数范围为217，因此其最大计数时间为秒。

而如果采用半周期测量，则测频范围是：在测周法中，标准频率信号fs2由STMmini32的内部定时结构产生，f s2恒为fc／12，因此，在给定ε0为0．0 1时，fx2既有一定的上限频率，也有一定的下限频率。

即：并由此可见得出：4Hz≤fx1≤10 kHz理论上可以达到无穷大，即fs1可以达到无穷低，因此，fx1可达到无穷小，因此，可以认为测频法的测频范围只有上限频率，没有下限频率。

而再这样，两个频率范围相叠加即可得到该频率计的测频范围;4 Hz≤fx1≤50 MHz。

精度可以达到1Hz。

从以上分析可以看出，测频法测量的频率覆盖范围较宽，且在高频端的测量精度较高，而在低频段的测量精度较低，同时测量时间较长。

测周法测量的频率覆盖范围较窄，在高频段的测量精度较低，在低频段的测量精度较高，测量时间短。

由于我们的实验能力有限，有些数据还不是特别的精确，所以我们还会继续学习。