【正文】 制簡單易用，所以單片機已經(jīng)廣泛應用到了各行各業(yè)，如自動化控制、智能玩具、各種家居、手機、儀器儀表等各種儀器。 現(xiàn)在的電子產(chǎn)品的種類越來 越多，各種儀器的應用也就越來越多，在信號類的儀器都要用到脈沖信號測量的儀器，本課題研究的是脈沖參數(shù)測試儀，主要是測量各種脈沖信號的參數(shù)。因為脈沖信號很微小的變化都會影響到信號的質(zhì)量，所以脈沖參數(shù)測試儀對芯片和電路的要求都比較高。 1 背景知識及系統(tǒng)設計要求 背景知識 隨著電子技術的發(fā)展，對脈沖信號的測量精度要求也越來越高，脈沖參數(shù)測試的儀器應用也越來越廣泛，最常見的也最常用的就是示波器，示波器有模擬示波器和數(shù)字示波器。數(shù)字示波器比較智能，功能比較多，精度也會比模擬示波器的高?，F(xiàn)在也有一些是便攜式的 數(shù)字示波器，大小和手機差不多一樣，不過本人沒用過，不知道好不好用，不知道精度高不高。但本人覺得便攜式的還是沒有臺式的精度那么高的，本人見過的那臺便攜式的示波器才幾百元，比示波器便宜多了，所以質(zhì)量肯定沒有臺式的好，精度也沒有臺式的高。但是也可能有一些比較貴的，精度應該也和臺式的示波器差不多，功能也會比較多。脈沖信號參數(shù)測試儀器對電路板的布局要求比較高，因為是信號類的，所以電阻電容的數(shù)值也會對測量結果產(chǎn)生比較大的影響，所以電路板稍微做得不怎么好，就可能實現(xiàn)不了功能或者精度會變得很差，所以做脈沖參數(shù)測試儀時要多查 看資料，要比較細心，盡量做到完美精度才會比較高。 由于現(xiàn)在很多領域都要進行信號的檢測，特別是高科技領域，所以信號的檢測和測量應用越來越廣泛，微弱信號領域對脈沖信號檢測的精度要求很高，像雷達等的信號，對信號檢測的要求很高很高，所以像每國 P3C 偵察機反潛機只有少數(shù)的幾個國家能做得出來，因為對小信號的檢測分析處理的技術要求是很高的。一些是知道原理但工藝不夠好也做不出來。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 28 頁 本次做的是用超低功耗的控制芯片 MSP430F5438A 作為控制芯片，加上其他一些外圍的電路模塊做成的。 因為本人技術有限，做的板子不是很好，所 用的芯片也不怎么好，好的芯片太貴了，買不起，所以精度不怎么好。不能用到好東西，板子又做得不好，所以調(diào)板子的時候太難調(diào)了，調(diào)了很久很久都調(diào)得不怎么好，最后只能調(diào)到精度還算相差不是很大就行了。 MSP430 系列單片機介紹 MSP430 系列單片機是 TI（德州儀器）公司近年來推出的一系列優(yōu)秀的混合微型處理器。他不僅具有 16 位微型處理器高效的處理器系統(tǒng)，還具有很多功能強大的、豐富的外設，其中包括很多高性能的模擬外設。在大部分熱門產(chǎn)品應用中都可以單芯片完成設計，更可貴的是他能夠以極低的功耗運行，因而被廣泛應用在 電池供電的手持設備上。即使是在某些不需要低功耗的場合， MSP430 單片機仍然可以作為一款高性能單片機使用。隨著自動控制的高速化和低功耗化， MSP430 系列將會得到越來約多人的喜愛，其應用的領域也會越來越大。 系統(tǒng)設計要求 在學過的單片機的一些知識的基礎上，通過自主學習，學會另外一些單片機的應用，學會那種單片機的一種或者幾種語言的編程，學會運用學到的新的單片機控制外圍的芯片、電路模塊，制作完成一個脈沖參數(shù)測試儀。 脈沖信號幅值范圍為： ～ ，測量精度 ≤ 177。2%； 脈沖信號頻率范圍為 100Hz～ 100KHz；頻率 測量精度 ≤ 177。%，周期測量精度≤ 177。%； 占空比測量范圍為 10％ ～ 90％ ，測量誤差 ≤ 10％ ； 上升時間和下降時間測量范圍為 1us～ 1ms，測量誤差 ≤ 1us；脈沖信號頻率范圍為 10Hz～ 500KHz；頻率 測量精度 ≤ 177。%，周期測量精度≤ 177。%； 系統(tǒng)設計方案 系統(tǒng)設計方案如圖所示： 圖 系統(tǒng)框圖 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 28 頁 由圖 所示，本設計涉及七個部分， DA 輸出峰峰值的 10%和 90%的電壓值給比較器模塊，信號輸入到比較器模塊，比較器模塊有峰峰值的 10%和 90%的兩路輸出比較電壓， 比較器輸出這兩路的比較脈沖信號，這兩路脈沖信號通過 74HC08 相與后輸出上升沿下降沿的脈沖信號。將比較器比較后的輸出電壓輸入到有效值檢測模塊，用 A/D 模塊測出有效值，再用測出來的有效值求出占空比。脈沖信號輸入到峰值檢測模塊測量脈沖信號的峰峰值。將比較器輸出的比較脈沖信號和 A/D 所測量的數(shù)值輸入到MSP430F5438A 微處理器，實現(xiàn)求頻率、上升沿下降沿時間和進行一些數(shù)據(jù)處理。最后把處理后的結果通過顯示模塊顯示出來。 2 主要器件的選擇及論證 微處理器的選擇 一開始本人考慮的是用 51 單片機來作為主控的微處 理器，因為 51 單片機的應用簡單，操作起來簡單容易，而且 51 單片機是本人用得最多的，很容易上手。后來發(fā)現(xiàn) 51單片機的速度不夠快，功能也沒那么多，所以后來選擇了 TI 的 MSP430 系列單片機，MSP430 系列單片機的功能比較強大，而且工作的功耗超低。選好了微處理器后，本人就在 TI 官網(wǎng)申請了 2 片 MSP430F5438A 微處理器芯片。 比較器的選擇 在這么多的模塊當中，本人覺得比較器模塊是最難調(diào)的了。本人用萬用板搭過LM393 模塊調(diào)了一下，出來的波形很不好，很多紋波。后來聽別人說 TLC372 不錯，本人就試了一 下，還把電路圖 PCB 畫好了，做好了板子，本人以為這個是絕對沒什么問題的了，因為以前也有人用過。然后本人再拿到實驗室去調(diào)試，調(diào)試出來的結果太令本人失望了，比較出來的脈沖邊沿有很多振蕩的紋波，而且紋波的幅度也很高。本人沒試過在脈沖信號邊緣去振蕩紋波的方法，所以調(diào)了很久都調(diào)不出來。那時本人也沒有什么其他的比較器了，所以本人想一定要把這個 TLC372 調(diào)好才可以。本人問了以前做過的那些人，他們說他們也是那樣子畫的圖，他們的就可以，本人的為什么不可以，而且板子都檢查過很多遍了，都沒有畫錯、連錯、短路或者斷路等，所以他們 也不知道是什么原因，本人自己也是調(diào)了 2 天檢查了 2 天都檢查不出來，然后不想調(diào)了，本人想再調(diào)也是沒結果的了，反而是浪費時間。然后再從網(wǎng)上查了一些比較器的資料，看到一款用運放做的比較器貌似不錯，叫做滯回比較器。 絕大多數(shù)比較器中都設計帶有滯回電路 , 通常滯回電壓為 5mV 到 10mV。內(nèi)部滯回電路可以避免由于輸入端的寄生反饋所造成的比較器輸出振蕩。但是內(nèi)部滯回電路雖然可以使比較器免于自激振蕩 , 卻很容易被外部振幅較大的噪聲淹沒。這種情況下需要增加外部滯回 , 以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。然后本人就參考網(wǎng)上的一些電路圖和一些資 料，做了一個 滯回比較器，做好后就馬上拿去實驗室調(diào)試，調(diào)試的結果很好，邊緣一點振蕩都沒有。再接著測了幾組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn) 1VPP 一 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 28 頁 下的小信號很難測試，然后就再重新畫個 PCB，加上個繼電器，當信號小于 時就選用另一個通道，這個通道經(jīng)過一個運放將電壓放大后在輸入到比較器進行比較。但那個運放放大的倍數(shù)不大，當 1VPP 的信號放大到 以上信號底部就失真了， 也是放大到 以上信號底部就失真，為了能使 的信號能放大的倍數(shù)大一點，所以就選擇 以上的信號通過繼電器選擇放大的 通道。 占空比測量模塊的選擇 本人一開始想的是用一個周期高電平的時間再除以周期來求占空比的，但是有些占空比太小了，單片機很難把一個周期的高電平時間測出來，所以就得想過另外的辦法。對于脈沖信號而言，占空比 =(有效值 /峰峰值 )^2/100，然后選擇用 AD637 來測量脈沖信號的峰峰值，然后根據(jù)上一個公式來求脈沖信號的占空比。這種方法比較容易，測起來也比較方便。 占峰峰值測量的設置 峰峰值測量本人選用的是峰值檢波， 峰值檢波的充電時間常數(shù)很小，即使是很窄的脈沖也能很快充電到穩(wěn)定值，當中頻信號消失后， 由于電路的放電時間常數(shù)很大，檢波的輸出電壓可在很長一段時間內(nèi)保持在峰值上。峰值檢波的電路本人選用的是無二極管型的，無二極管型是利用比較器輸出的開集 BJT 或者開漏 MOSFET 代替二極管，進一步提高性價比。 3 脈沖信號參數(shù)測試儀的硬件電路設計 MSP430F5438A 主控模塊設計 .1 MSP430F5438A最小系統(tǒng)芯片部分 MSP430F5438A 主控模塊本人把它做成了一個最小系統(tǒng)版，用最小系統(tǒng)版來控制調(diào)試外部的小模塊。因為本人以前沒用過 MSP430 的芯片，又沒有開發(fā)板，所以如果把外部的模塊和 主控模塊集成在一起很可能是不能用的，結果又浪費了很多金錢很多時間又要重新做板子，所以先做成最小的系統(tǒng)版，先把最小系統(tǒng)版做出來調(diào)好，再做外部的模塊，外部的模塊也是一個小模塊一個小模塊的做，這樣既能做得快一點做不成功也可以快一點再做另一塊，而且板子用不了再重新做也不用花那么多的錢，節(jié)約了的成本。在MSP430F5438A 最小系統(tǒng)版中，主要由一下幾大部分構成。 如圖 311 所示， MSP430F5438A 芯片有 100 個引腳，其擁有 16 位精簡指令集結構，可以擴展外部存儲器，可以達到 25MHZ 系統(tǒng)時鐘，靈活得電源管 理系統(tǒng)（ PMM），由 DVCC 在 LDO 作用下產(chǎn)生 Vcore 電源，供低電壓模塊使用，低功耗 /低頻率內(nèi)部時鐘源 VLO，低頻率內(nèi)部時鐘源 REFO XT132768HZ 晶振， XT2 高頻晶振可以達到25MHZ， 16 位 Timer0_A5 有 5 個捕獲 /比較寄存器， 16 位 Timer1_A3 有 3 個捕獲 / 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 28 頁 比較寄存器， 16 位 Timer_B7 有 7 個捕獲 /比較寄存器，達到 4 個通用通信接口，內(nèi)部UART，支持自動波特率檢測，具有 IRDA 編碼和解碼， SPI 通信， I2C 通信， 12 位模數(shù)轉換，采用內(nèi)部參考電 壓， 12 外部通道， 4 個內(nèi)部通道， 256KB FLASH 存儲器， 16KB SRAM 存儲器，片內(nèi)實時時鐘 RTC，也可做通用計數(shù)器使用。從上面的數(shù)據(jù)可見，MSP430F5438A 單片機一改以往 430 系列 “本人 很省飯，但 本人 也不太能干 ”的林黛玉作風，配備了豐富的片內(nèi)資源，又具備了相當可觀的性能，變身為既省飯又能干的全能戰(zhàn)士，在發(fā)揚光大 430 系列杰出的超低功耗特性的同時，大幅度提高了性能，以往 430 系列單片機幾乎不可能完成的任務，如流暢 GUI、復雜網(wǎng)絡應用、實時多任務操作系統(tǒng)等等， 54xx 系列單片機已經(jīng)完全可以應 對自如，這就大大拓寬了 430 系列單片機的應用領域。 MSP430F5438A 主控芯片部分如下圖所示： 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 28 頁 圖 MSP430F5438A 芯片部分 MSP430F5438A最小系統(tǒng) I/O口部分 I/O 口擴展部分如下圖所示： 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 28 頁 圖 MSP430F5438A 最小系統(tǒng)的 I/O 口擴展 如圖 ， MSP430F5438A 最小系統(tǒng)把芯片的 87 個通用 I/O 口全部擴展出來了，可以說 MSP430F5438A的通用 I/O口是很多很豐富的，可以滿足同時控制多個 模塊的要求。 MSP430F5438A最小系統(tǒng)復位電路和仿真電路 復位電路和仿真電路如下圖所示： 圖 最小系統(tǒng)的仿真電路和復位電路 MSP430 單片機有兩種程序下載仿真的方法，如圖 ，第一種是通過 JTAG 下載仿真，第二種是通過 TEST 和 RST 兩根線來下載并在線仿真。本人是用第二種來下載程序并仿真。 MSP430 有兩種復位方式，上電復位信號 POR(Power On Reset)和上電清除信號 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 28 頁 PUC(Power Up Clear)。 POR 信號是器件的復位信號，此信號只有 在以下的事件發(fā)生時才會產(chǎn)生：器件上電時。 RST/NMI 引腳配置為復位模式，當 RST/NMI 引腳生產(chǎn)低電平時。RST/NMI 引腳配置為復位模式，當 RST/NMI 引腳生產(chǎn)低電平時。 比較器電路 比較器電路如下圖所示： 圖 比較器電路 這是個滯回比較器，由 MAX942 運放組成，其中脈沖信號幅度小的要通過一個運放將電壓放大后再送入比較器進行比較，通過一個繼電器進行選擇，當脈沖信號是小信號時，在繼電器選擇端加高電平，使比較器接到電壓放大電路那邊，當 脈沖信號不是小信號時，就給繼電器加個低電平信號，使比較器接在沒經(jīng)過電壓放大的那邊。比較器模塊有脈沖信號輸入，兩個輸入比較電壓的輸入。兩個