脉冲信号参数测试仪
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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。
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
50%Vm 0 t
0
fx T
t
fx
1 fc Tf fc x
0
t
0
N
12
（2）直接测周
Ux 0 Ux t
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 ＝10fimax ＝1000KHz 发挥部分： 1Hz～500KHz fs ＝10 fimax ＝5MHz
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
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
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 37 20KB 64KB SPI，IIC，UART 12位1MSPS 12位2个 4 有 72MHz Fsclk/2 13.9ns
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
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
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
Nx N cTc
1 fc N fc c
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。
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
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
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
Vref Vi n ADData 2 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 调用：比较器结果检测
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 （2）参考电压源 应采用基准电压源
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
34
4.9基于MSP430G2553的测试结构
DAC12_0OUT DAC12_1OUT
90%Vm Vin
+ + -
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。
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＝N2-N1。 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。
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
fx
16
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， 最好再设计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
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
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。
T x NTc
0
t
Tx 0 uC Tc t
0
N Tc 0 Tx
t
t
Tx
Tx
1 fc T f fc x c
13
（3）中界频率
f c f c 1 1 | | | | Tf x fc Tx f c fc
fM fx fc T
fx>fM采用测频 fx<fM采用测周
+ -
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
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；
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。
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
50%Vm 0 t
0
fx T
t
fx
1 fc Tf fc x
0
t
0
N
12
（2）直接测周
Ux 0 Ux t
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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 ＝10fimax ＝1000KHz 发挥部分： 1Hz～500KHz fs ＝10 fimax ＝5MHz
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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
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
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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
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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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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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（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
Nx N cTc
1 fc N fc c
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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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4.10 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
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
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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
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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
Vref Vi n ADData 2 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 调用：比较器结果检测
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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
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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 （2）参考电压源 应采用基准电压源
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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
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4.9基于MSP430G2553的测试结构
DAC12_0OUT DAC12_1OUT
90%Vm Vin
+ + -
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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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＝N2-N1。 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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（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
fx
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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， 最好再设计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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4.7 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
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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。
T x NTc
0
t
Tx 0 uC Tc t
0
N Tc 0 Tx
t
t
Tx
Tx
1 fc T f fc x c
13
（3）中界频率
f c f c 1 1 | | | | Tf x fc Tx f c fc
fM fx fc T
fx>fM采用测频 fx<fM采用测周
+ -
VC
10%Vm
Vc Vc
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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
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
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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；