【正文】 xxxxxxxxxxxx 題目類型 ： 理論研究 實驗研究 工程設計 √ 工程技術研究 軟件開發(fā) 2020 年 5 月 20 日 √ 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 I 摘 要 脈沖參數(shù)測試儀是在信號類常用的一種儀器，用它可以測量峰峰值、有效值、頻率、上升沿和下降沿時間，占空比等的儀器。這種功能比較齊全的儀器現(xiàn)在大多數(shù)都是比較大型的臺式的，手提便攜式的功能還沒那么完善，便攜式的比較少，能測得東西也沒那么多，而且便攜式的測量精度沒有臺式的測量精度高。本次是用超低功耗的控制芯片 MSP430F5438A 做為主控芯片，可以測量峰峰值、頻率、占空比、上升沿和下降沿時間的參數(shù)，由于板子做得不怎么好，所以測的量精度不高。 Pulse signal parameter tester。 frequency。單片機由集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含了計算機的基本功能模塊：中央處理器 CPU、存儲器、 I\O 接口電路，定時器中斷電，有些單片機里還集成了內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換功能等等。單片機外接的模塊根據(jù)要實現(xiàn)的功能的不同選擇不同的外部芯片組成不同的外部模塊，這些外部的模塊只能完成某一方面的工作，就像人的嘴巴只能說話吃飯不能聽到聲音，耳朵只能聽到聲音不能吃飯，外部的模塊統(tǒng)一由單片機控制，使外部的模塊能統(tǒng)一協(xié)調(diào)的完成工作。 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)。 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?，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。 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?qū)γ}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。 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。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。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。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。 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。2%； 脈沖信號頻率范圍為 100Hz～ 100KHz；頻率 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。%； 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。脈沖信號輸入到峰值檢測模塊測量脈沖信號的峰峰值。最后把處理后的結(jié)果通過顯示模塊顯示出來。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。 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。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。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。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(jié)果的了，反而是浪費時間。 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。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。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(jié)果很好，邊緣一點振蕩都沒有。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。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。 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。 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。在MSP430F5438A 最小系統(tǒng)版中，主要由一下幾大部分構(gòu)成。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。 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)。 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。兩個輸出比較電壓的輸出，兩個輸出比較電壓經(jīng)過 74HC08 相與后的輸出脈沖，還有一個是其中一個輸出比較電壓經(jīng)過 74HC74 的D 觸發(fā)器后輸出的方波信號，可以用這個信號來測量脈沖信號的頻率。當信號的峰峰值不小于 時就不用經(jīng) 過運放放大，不過將信號送給比較器之前也接了一個電壓跟隨器，也是為了防止信號能量的損失。峰值檢測電路（ PKD，Peak Detector）的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產(chǎn)生輸出 Vo = Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復位。第一塊做 完的時候拿去實驗室調(diào)試時發(fā)現(xiàn)信號在2VPP 以上的電壓測量還算準，但信號在 2VPP 一下的就不準了，在 2VPP 一下的信號，測得的電壓值最大都不超過 1V，本人反反復復測了很多數(shù)據(jù)都是不準的。對照原理圖和 PCB 和一些找來的資料檢查了以下，發(fā)現(xiàn)電路圖和 PCB一點都沒花錯，電路也沒有短路和斷路，所以檢查了很久都檢查不出是什么原因，然后再去問了幾次那些比較厲害的同學，他們也不知道是什么原因。做第二塊板時本人還專門再檢查了幾次電路圖。因為信號再 2VPP 一下所測得的電壓值差不多是峰峰值的一般左右，所以就把所測得的電壓值在單片機里處理一下，信號在 2VPP 一下，將所測得的電壓值乘上差不多兩倍，相乘后的數(shù)差不多就等于峰峰值了，然 后大于等于 2VPP 的信號就不變。 AD637 是 ADI 公司生產(chǎn)的真有效值 直流轉(zhuǎn)換芯片，它的功能是把外部輸入的交流信號有效值變成直流信號輸出，可以計算各種復雜波形的真有效值。可測量的輸入信號有效值可高達 7V,對于 1vRMS 的信號，它的 3dB帶寬為 8MHz,并且可以對輸入 信號的電平以 dB 形式指示，當輸入電壓為 100mV 時，帶寬標值為 600kHz；輸入電壓為 2V時，帶寬標稱值為 8MHz。A。 AD637 集成電路具有低成本、低功耗和高（激光調(diào)整）精度特性，使得真有效值（ RMS）計算成為一項實用、可行的技術，可用來獲取波形的功率測量值或標準偏差。 RMS（真有效值） 是對交流信號幅度的基本量度，可以分別從實用角度和數(shù)學角度予以定義。例如， 1 V真有效值交流信號與 1 V 直流信號在同一電阻上產(chǎn)生的熱量相同。振幅對稱方波或直流水平波形等信號的波峰因數(shù)為 1。當電源用 +15V和 15V供電時，輸入電壓為 07V，當供電電源為 +5V 和 5V時，輸入電壓范圍為 04V。 對于脈沖信號而言，占空比 =(有效值 /峰峰值 )^2/100，利用這個公式可以求出脈沖信號的占空比。 AD7898 芯片的板子已經(jīng)做好了，然后本人看了芯片的資料，對照資料上的時序圖編寫程序，程序完全是按照資料上的時序圖寫的，但下載調(diào)試 的時候總是調(diào)試不出來，一點反應都沒有。正好同學免費申請有 2塊貼片的 MAX197 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，他就給了一片本人，然后就打算用 MAX197 試試看。 MAX197 無需外接元器件就可獨立完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能。在內(nèi)部采樣控制模式 (控制位置 0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔， 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 28 頁 經(jīng)過瞬間的采樣間隔 (芯片時鐘為 2MHz 時，為 3ms)，即開始 A/D 轉(zhuǎn)換。在第一個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入ACQMOD 為 1，開始采樣間隔。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。 本人采用的是內(nèi)部參考電壓，內(nèi)部參考電壓有 ，其中 是通過片內(nèi)緩沖器（增益 =）放大而輸出的。 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 D/A 模塊的電路如下圖所示： 圖 DAC8562 電路 D/A 轉(zhuǎn)換電路本人也換過幾塊，開始是想用 MAX5802，這是一個雙通道的 D/A 轉(zhuǎn)換器，外部產(chǎn)考電壓是可達到 5V，這個芯片是用 I2C 通信的，本 人看了這個芯片的一些資料，又對照本人以前寫的 24C08 的 I2C 程序把這個 D/A 的芯片寫好，然后在下載到單片機調(diào)試，但也調(diào)試了兩天都調(diào)不出來， I2C 程序也都沒錯，跟以前那個 24C08 的幾乎一樣，看來 I2C 的程序?qū)τ诒救藖碚f真的很難調(diào)，兩天都調(diào)不出來后本人就決定還另一塊芯片，這塊是 TI 公司的 DAC8562。此外，這些 DAC 還具有業(yè)界最低功耗與超小外形，是無線基站、可編程邏輯控制 (PLC) 模擬輸出模塊、電機控 制、高精度儀 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 28 頁 表以及便攜式醫(yī)療設備等空間及電源受限系統(tǒng)的理想選擇。 業(yè)界最低功耗：每通道流耗僅為 mA，不但可最大限度地降低無線基站中 VGA 控制所需的功耗，而且還可運行可調(diào)諧激光器模塊、 CNC 設備，以及示波器與便攜式血液分析儀等便攜式醫(yī)療設