脉冲信号参数测试仪转换版(1)
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31
（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 16 20KB 64KB SPI，IIC，UART 12位1MSPS 12位2个 4 有 72MHz Fsclk/2 13.9ns
2012年广西区大学生电子设计竞赛 第一阶段
比赛题目讲解
黄 新 2012.05.12
脉冲信号参数测试仪
一、任务 设计制作一个脉冲信号测试仪，可以测量脉冲 信号的幅值、频率、周期、占空比、上升和下 降时间等参数。
2
脉冲 信号
峰值检测 比较器
A/D
微处理器 D/A 键盘电路
显示 电路
3
二、要求
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；
+ -
VC
10%Vm
Vc Vc
8
3.2.3 高速A/D采集
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
36
4.10 基于FPGA的测试结构
ADC驱动 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 2分频 周期 计数器3 脉宽 计数器4
DAC
90%Vm + + 10%Vm
DAC驱动 时钟 分频器
Vin
控制 模块
LCD 驱动
LCD
37
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
44
5.4.3测频和测周法选择
（1）中界频率
fM fc T 1 TcT
如AT89S51单片机，闸门时间为0.1秒，内部计 数脉冲1us，中界频率为3.16KHz （2）测量方法选择 fx<3.16KHz：测周 fx>3.16KHz：测频
45
5.4.4时间间隔测量
（1）脉冲周期T 基本部分：10us～1s；发挥部分：2us～1s； （2）脉冲宽度tw 基本部分：10％～90％占空比，1us～0.9s 发挥部分：5％～95％占空比，0.1us～0.95s （3）三角波上升时间tr和下降时间tf t＝0.4×T 基本部分：4us～0.4s；发挥部分：0.8us～0.4s； （4）占空比q q＝tw/T
42
5.4 频率测量
5.4.1测频法 16位定时/计数器 闸门T 1秒：频率范围：1Hz～65.535KHz 闸门T 0.1秒：频率范围： 10Hz～655.35KHz 闸门时间实现方式，定时中断或时基中断实现。
43
5.4.2测周法
选择内部时钟作为定时/计数器计数脉冲， 以被测信号2分频信号作为闸门，闸门的实现 方式：AT89S51：闸门信号从INT0或INT1输入； C8051F，MSP430，STM32均可通过捕获寄存器 实现，上升沿捕获读取计数器结果N1，下降沿 捕获读取计数结果N2，最后计数结果N＝N2N1。 根据Tmax＝65535×Tc，合理选择内部计 数时钟，Tc越小，测量精度越高，但周期测量 范围越小。
14
（4）测频测周方案
测频
T0 比较器
8051
INT0
测周
Q Q CK D
15
（5）等精度测频法
T0 比较器
8051
INT1 P1.0 预置闸门
Q Q CK D
预置闸门 同步闸门 NxTx T=NcTc
fx
fx
N
x
N cT c
fc fc
16
fx
1 N c
32
4.8基于AT89S51的系统结构
（1）系统结构
DAC1
90%Vm Vin + + T1 Vo P1.1 INT0 C1Q D INT1
AT89S51
LCD
10%Vm
DAC2
33
（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
6
3.2脉冲幅度测量方法
3.2.1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。
7
3.2.2脉冲幅度比较法
预置比较电平，当 比较器输出低电平 Vr 时，说明脉冲信号 Vin 幅度大于比较电平， 按一定步进增加比 较电平，直至比较 器输出高电平，此 时比较电平为脉冲 信号的峰值。
30
（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
23
（3） 转换速度
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： 基本部分： 1Hz～100KHz fs ＝4 fimax ＝400KHz 发挥部分： 1Hz～500KHz fs ＝4 fimax ＝2MHz
24
（4） ADC型号
ADC0809：60us（1MHz时钟） AD574：35us ADC0832：20us ADS7950：0.8us ADS802：0.1us 12位并行接口 ADS7883：3MSPS 12位 SPI接口 8位 12位 8位 12位
四、系统组成及原理
4.1峰值检波器
17
18
2）方法2
19
4.2输入衰减电路
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， 最好在设计2倍的输入衰减电路。
20
4.3高速比较器
基本部分：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
25
4.5 比较电平设置
比较器电平设置通过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
26
（3）主要DAC型号
21
比较器型号
LT1715 －采用独立输入/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
22
4.4 ADC转换电路
（1）ADC位数 已知脉冲信号为单极性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 若采用2倍输入衰减器，则2.5/0.004=625<210， A/D转换器位数10位 （2）参考电压源 应采用基准电压源
占空比q＝tw/Tx
Vo2
11
3.5 频率测量原理
（1）直接测频 根据频率的定义，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
fx
fx
N T
fc
50%Vm 0 t
0
fx T
t
fx
1 Tf x
fc
0
t
0
N
12
（2）直接测周
Ux 0 Ux t
38
（3）定点显示字符串函数 用来在指定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
39
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。
34
4.9基于MSP430G2553的测试结构
DAC
90%Vm Vin + + UCB0SCL UCB0SDA TACLK Vo C1Q D TA0.0 TA0.1
MSP430
LCD
10%Vm
35
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按键。
28
4.7 微处理器
（1） AT89S51
通用IO SRAM FLASH 32 128B 4KB UART 0 0 2 0 33MHz fsclk/24 Tsclk
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
29
（2） C8051F020
TLV5626 DAC5574 LTC2631 AD5337 8位1us2路DAC，SPI接口，电压输出 8位8us4路DAC，I2C接口，电压输出 8位3.2us1路DAC，I2C接口，电压输出 8位6us2路DAC，I2C接口，电压输出
27
4.6 显示电路
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
T x NT c
0
t
Tx 0 uC Tc t
0
N Tc 0 Tx
t
t
Tx
Tx
1 T f x c
fc fc
13
（3）中界频率
1 Tf
x
|
fc fc
|
fcFra Baidu bibliotekT
1 Tx fc
|
fc fc
|
fM fx
fx>fM采用测频 fx<fM采用测周
9
3.3脉宽及上升和下降时间测量原理
90%Vm tr tf
Vm 50%Vm tw
10%Vm
Vo2 90%Vm Vin 10%Vm + + Vo1 Vo Vo2 Vo1 Vo
tr=N1TC
tf=N2TC
10
3.4占空比测量原理
90%Vm
Vm 50%Vm tw
Vo2
Tx Vin 50%Vm + + Vo1
40
2）脉冲幅度计算 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。 3）测量结果－电压转换
Vi ADData V ref 2
n
1
41
5.3DAC驱动程序
（1）底层驱动 DAC信号定义；利用单片机IO口实现DAC接口时序， DAC输出函数； （2）应用程序 1）电平设置函数 入口参数：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。 2）峰值逼近函数 入口参数：起始电压，终止电压，电压步进 出口参数：脉冲峰值
4
2.发挥部分
（1）脉冲信号频率范围为：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。
5
三、脉冲信号参数测量原理
3.1脉冲参数 （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。
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
（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 16 20KB 64KB SPI，IIC，UART 12位1MSPS 12位2个 4 有 72MHz Fsclk/2 13.9ns
2012年广西区大学生电子设计竞赛 第一阶段
比赛题目讲解
黄 新 2012.05.12
脉冲信号参数测试仪
一、任务 设计制作一个脉冲信号测试仪，可以测量脉冲 信号的幅值、频率、周期、占空比、上升和下 降时间等参数。
2
脉冲 信号
峰值检测 比较器
A/D
微处理器 D/A 键盘电路
显示 电路
3
二、要求
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；
+ -
VC
10%Vm
Vc Vc
8
3.2.3 高速A/D采集
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
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4.10 基于FPGA的测试结构
ADC驱动 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 2分频 周期 计数器3 脉宽 计数器4
DAC
90%Vm + + 10%Vm
DAC驱动 时钟 分频器
Vin
控制 模块
LCD 驱动
LCD
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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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5.4.3测频和测周法选择
（1）中界频率
fM fc T 1 TcT
如AT89S51单片机，闸门时间为0.1秒，内部计 数脉冲1us，中界频率为3.16KHz （2）测量方法选择 fx<3.16KHz：测周 fx>3.16KHz：测频
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5.4.4时间间隔测量
（1）脉冲周期T 基本部分：10us～1s；发挥部分：2us～1s； （2）脉冲宽度tw 基本部分：10％～90％占空比，1us～0.9s 发挥部分：5％～95％占空比，0.1us～0.95s （3）三角波上升时间tr和下降时间tf t＝0.4×T 基本部分：4us～0.4s；发挥部分：0.8us～0.4s； （4）占空比q q＝tw/T
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5.4 频率测量
5.4.1测频法 16位定时/计数器 闸门T 1秒：频率范围：1Hz～65.535KHz 闸门T 0.1秒：频率范围： 10Hz～655.35KHz 闸门时间实现方式，定时中断或时基中断实现。
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5.4.2测周法
选择内部时钟作为定时/计数器计数脉冲， 以被测信号2分频信号作为闸门，闸门的实现 方式：AT89S51：闸门信号从INT0或INT1输入； C8051F，MSP430，STM32均可通过捕获寄存器 实现，上升沿捕获读取计数器结果N1，下降沿 捕获读取计数结果N2，最后计数结果N＝N2N1。 根据Tmax＝65535×Tc，合理选择内部计 数时钟，Tc越小，测量精度越高，但周期测量 范围越小。
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（4）测频测周方案
测频
T0 比较器
8051
INT0
测周
Q Q CK D
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（5）等精度测频法
T0 比较器
8051
INT1 P1.0 预置闸门
Q Q CK D
预置闸门 同步闸门 NxTx T=NcTc
fx
fx
N
x
N cT c
fc fc
16
fx
1 N c
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4.8基于AT89S51的系统结构
（1）系统结构
DAC1
90%Vm Vin + + T1 Vo P1.1 INT0 C1Q D INT1
AT89S51
LCD
10%Vm
DAC2
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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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3.2脉冲幅度测量方法
3.2.1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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3.2.2脉冲幅度比较法
预置比较电平，当 比较器输出低电平 Vr 时，说明脉冲信号 Vin 幅度大于比较电平， 按一定步进增加比 较电平，直至比较 器输出高电平，此 时比较电平为脉冲 信号的峰值。
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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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（3） 转换速度
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： 基本部分： 1Hz～100KHz fs ＝4 fimax ＝400KHz 发挥部分： 1Hz～500KHz fs ＝4 fimax ＝2MHz
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（4） ADC型号
ADC0809：60us（1MHz时钟） AD574：35us ADC0832：20us ADS7950：0.8us ADS802：0.1us 12位并行接口 ADS7883：3MSPS 12位 SPI接口 8位 12位 8位 12位
四、系统组成及原理
4.1峰值检波器
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2）方法2
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4.2输入衰减电路
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， 最好在设计2倍的输入衰减电路。
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4.3高速比较器
基本部分：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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4.5 比较电平设置
比较器电平设置通过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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（3）主要DAC型号
21
比较器型号
LT1715 －采用独立输入/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
22
4.4 ADC转换电路
（1）ADC位数 已知脉冲信号为单极性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 若采用2倍输入衰减器，则2.5/0.004=625<210， A/D转换器位数10位 （2）参考电压源 应采用基准电压源
占空比q＝tw/Tx
Vo2
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3.5 频率测量原理
（1）直接测频 根据频率的定义，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
fx
fx
N T
fc
50%Vm 0 t
0
fx T
t
fx
1 Tf x
fc
0
t
0
N
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（2）直接测周
Ux 0 Ux t
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（3）定点显示字符串函数 用来在指定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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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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4.9基于MSP430G2553的测试结构
DAC
90%Vm Vin + + UCB0SCL UCB0SDA TACLK Vo C1Q D TA0.0 TA0.1
MSP430
LCD
10%Vm
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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按键。
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4.7 微处理器
（1） AT89S51
通用IO SRAM FLASH 32 128B 4KB UART 0 0 2 0 33MHz fsclk/24 Tsclk
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
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（2） C8051F020
TLV5626 DAC5574 LTC2631 AD5337 8位1us2路DAC，SPI接口，电压输出 8位8us4路DAC，I2C接口，电压输出 8位3.2us1路DAC，I2C接口，电压输出 8位6us2路DAC，I2C接口，电压输出
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4.6 显示电路
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
T x NT c
0
t
Tx 0 uC Tc t
0
N Tc 0 Tx
t
t
Tx
Tx
1 T f x c
fc fc
13
（3）中界频率
1 Tf
x
|
fc fc
|
fcFra Baidu bibliotekT
1 Tx fc
|
fc fc
|
fM fx
fx>fM采用测频 fx<fM采用测周
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3.3脉宽及上升和下降时间测量原理
90%Vm tr tf
Vm 50%Vm tw
10%Vm
Vo2 90%Vm Vin 10%Vm + + Vo1 Vo Vo2 Vo1 Vo
tr=N1TC
tf=N2TC
10
3.4占空比测量原理
90%Vm
Vm 50%Vm tw
Vo2
Tx Vin 50%Vm + + Vo1
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2）脉冲幅度计算 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。 3）测量结果－电压转换
Vi ADData V ref 2
n
1
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5.3DAC驱动程序
（1）底层驱动 DAC信号定义；利用单片机IO口实现DAC接口时序， DAC输出函数； （2）应用程序 1）电平设置函数 入口参数：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。 2）峰值逼近函数 入口参数：起始电压，终止电压，电压步进 出口参数：脉冲峰值
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2.发挥部分
（1）脉冲信号频率范围为：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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三、脉冲信号参数测量原理
3.1脉冲参数 （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。
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