脉冲信号参数测试仪
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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。
———
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
———
二、要求
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。
———
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。
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；
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
———
（3）主要DAC型号
TLV5626 8位1us2路DAC，SPI接口，电压输出 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
四、系统组成及原理
4.1峰值检波器
———
———
2）方法2
———
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。
———
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
———
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
———
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
———
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。
———
三、脉冲信号参数测量原理
90%Vm + Vin -
+ 10%Vm -
Vo2
Vo1
Vo
Vo1
Vo2 Vo
10%Vm
tr=N1TC ———
tf=N2TC
3.4占空比测量原理
90%Vm
Vm 50%Vm tw
Vo2
+ Vin -
+ 50%Vm -
Tx Vo1
Vo2
———
占空比q＝tw/Tx
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
N
50%Vm
fx T
0 0
t
fx
t
T
0
fx fx
T
1
fx
fc fc
0
N
t
———
（2）直接测周
Ux
0
t
Ux
0
T x NTc
Tx
t
0 uC
t
Tc
0
t
N
Tc
0
Tx
t
Tx Tx
1
Tx fc
fc fc
———
（3）中界频率
1 | fc | 1 | fc |
Tf x
fc
Tx fc
fc
fM fx
fc T
fx>fM采用测频 fx<fM采用测周
———
（4）测频测周方案
比比
T0
8051 比比
INT0
比比比
Q CK QD
———
（5）等精度测频法
T0
8051
INT1
P1.0
比比比
Q CK QD
预置闸门
fx
Nx N cTc
fx fx
来自百度文库
1
Nc
fc fc
———
预置闸门 同步闸门
NxTx T=NcTc
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
———
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
———
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 时，说明脉冲信号 Vr
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。
+
VC
-
10%Vm
Vc Vc
———
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
———
3.3脉宽及上升和下降时间测量原理
90%Vm
tr
tf
Vm 50%Vm tw
———
（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
———
（4） ADC型号
ADC0809：60us（1MHz时钟）
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。
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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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二、要求
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。
———
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。
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；
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
———
（3）主要DAC型号
TLV5626 8位1us2路DAC，SPI接口，电压输出 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
四、系统组成及原理
4.1峰值检波器
———
———
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
———
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
———
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
———
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
90%Vm + Vin -
+ 10%Vm -
Vo2
Vo1
Vo
Vo1
Vo2 Vo
10%Vm
tr=N1TC ———
tf=N2TC
3.4占空比测量原理
90%Vm
Vm 50%Vm tw
Vo2
+ Vin -
+ 50%Vm -
Tx Vo1
Vo2
———
占空比q＝tw/Tx
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
N
50%Vm
fx T
0 0
t
fx
t
T
0
fx fx
T
1
fx
fc fc
0
N
t
———
（2）直接测周
Ux
0
t
Ux
0
T x NTc
Tx
t
0 uC
t
Tc
0
t
N
Tc
0
Tx
t
Tx Tx
1
Tx fc
fc fc
———
（3）中界频率
1 | fc | 1 | fc |
Tf x
fc
Tx fc
fc
fM fx
fc T
fx>fM采用测频 fx<fM采用测周
———
（4）测频测周方案
比比
T0
8051 比比
INT0
比比比
Q CK QD
———
（5）等精度测频法
T0
8051
INT1
P1.0
比比比
Q CK QD
预置闸门
fx
Nx N cTc
fx fx
来自百度文库
1
Nc
fc fc
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预置闸门 同步闸门
NxTx T=NcTc
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
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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
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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 时，说明脉冲信号 Vr
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。
+
VC
-
10%Vm
Vc Vc
———
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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3.3脉宽及上升和下降时间测量原理
90%Vm
tr
tf
Vm 50%Vm tw
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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）