張 樹(shù)

（浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院 浙江 杭州 311121）

一款基于MSP430F5529的脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀設(shè)計(jì)

張 樹(shù)

（浙江理工大學(xué)科技與藝術(shù)學(xué)院 浙江 杭州 311121）

脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀是在信號(hào)類常用的一種儀器，現(xiàn)在便攜式的測(cè)量?jī)x器普遍用的就是萬(wàn)用表，可以測(cè)量直流電壓、電阻、電流、電容等等。本文就是用超低功耗的控制芯片MSP430F5529做為主控芯片測(cè)量信號(hào)幅度、頻率、占空比、上升時(shí)間, 具有使用方便快捷，性能可靠，穩(wěn)定性較好，檢測(cè)迅速且體積小方便攜帶等特點(diǎn)。

MSP430F5529；脈沖信號(hào)參數(shù)；信號(hào)幅度；頻率；占空比等

1.引言

脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀可以測(cè)量峰峰值、有效值、頻率、上升沿和下降沿時(shí)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(tái)式的，手提便攜式的功能還沒(méi)那么完善，便攜式的比較少。本文設(shè)計(jì)了一款基于MSP430F5529的脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行研究。

2.總體方案

2.1 基本功能

(1)脈沖信號(hào)幅值范圍為：0.1VP～10VP，測(cè)量精度≤±2%；

(2)脈沖信號(hào)頻率范圍為：10Hz～2MHz；頻率測(cè)量精度≤±0.1%，周期測(cè)量精度≤±0.1%

(3)占空比測(cè)量范圍為：10%～90%，測(cè)量誤差≤+2%；

(4)上升時(shí)間測(cè)量范圍為50.0～999ns，測(cè)量誤差≤+5%；

2.2 基本功能

先根據(jù)脈沖的幅值大小進(jìn)行不同程度的放大。放大后，用單片機(jī)A/D進(jìn)行多次采集，取最大值，得到信號(hào)幅值，將值通過(guò)單片機(jī)D/A輸入比較器。比較器兩端信號(hào)，正端為放大后的信號(hào)和負(fù)端分別為10%VP，50%VP，90%VP。利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的功能對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，分別測(cè)得上升時(shí)間，下降時(shí)間，占空比，頻率。編寫相應(yīng)的程序可以使單片機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)量的量程，并把測(cè)出的頻率、幅值、上升時(shí)間、下降時(shí)間送到顯示電路顯示。

2.3 發(fā)揮功能

利用單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)頻率1MHz的矩形波，利用比較器輸出脈寬為100ns，用緩沖器增加驅(qū)動(dòng)能力。

3.方案論證

3.1 放大電路

放大電路主要作用是為了把題目幅值范圍內(nèi)，較小的被測(cè)信號(hào)，穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，提高檢測(cè)精度。我們對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大，第一級(jí)反向放大兩倍，第二級(jí)反向放大根據(jù)脈沖信號(hào)峰峰值改變放大倍數(shù)，即 0.2VP～0.5VP，采用 7.5倍放大；0.5VP～2.5VP，采用 2倍放大；2.5VP～5VP，采用 1倍放大。由于題目要求被測(cè)信號(hào)頻率為 1Hz～500KHz，因此應(yīng)采用高速運(yùn)放芯片4062。

3.2 峰值檢測(cè)

利用峰值檢波器檢測(cè)輸入脈沖信號(hào)的峰值，然后利用A/D測(cè)量峰值從而得到脈沖信號(hào)的幅度。我們選擇典型的峰值檢波電路實(shí)現(xiàn)，這樣實(shí)行的方案對(duì)A/D芯片的高速要求不高，也沒(méi)有像方案2對(duì)比較器的要求那么高。

3.3 比較電路

基本部分：脈沖信號(hào)頻率1Hz～100KHz，最小周期為10us。發(fā)揮部分：脈沖信號(hào)頻率1Hz～500KHz，最小周期為2us。信號(hào)周期至少為比較器響應(yīng)時(shí)間的2倍以上，因此比較器響應(yīng)時(shí)間＜1us。LM339四通道，1.3us延時(shí)，基本符合要求。

3.4 顯示電路

該題目主要顯示脈沖幅度，上升和下降時(shí)間，脈沖寬度，頻率，周期，占空比等信息。我們選擇采用IIC控制的，OLED顯示屏, 12864液晶模塊，可以清楚條理顯示各種信息。

3.5 單片機(jī)選擇

Msp430f5529單片機(jī)配置集成的USB層和物理層支持USB 2.0,四個(gè)16位定時(shí)器,一個(gè)高性能的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),兩個(gè)通用串行通信接口(USCI),硬件乘法器、DMA、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊與報(bào)警功能,和63 I / O口線。

4.各模塊電路分析

4.1 放大電路

一級(jí)反向放大電路，放大倍數(shù)為R16/R17=2倍，由于題目要求電壓0.2v～5v，因此應(yīng)采用±12V雙電源供電；經(jīng)二級(jí)反向放大電路，恢復(fù)正向電壓，放大倍數(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)4選1數(shù)據(jù)選擇器CD4052，分別選擇放大倍數(shù)R12/R21=7.5倍，R12/R21=2倍，R12/R21=1倍。首先，將放大倍數(shù)，由后面的峰值檢測(cè)電路反饋，經(jīng)單片機(jī)選擇調(diào)整適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)。即最終結(jié)果為0.2VP～0.5VP，采用15倍放大；0.5VP～2.5VP，采用4倍放大；2.5VP～5VP，采用2倍放大。

4.2 峰值檢波電路

當(dāng)放大器U2正輸入端電壓上升時(shí)，U2輸出使D31導(dǎo)通，D1截止，放大器U2的反饋回路斷開(kāi)，電容C1開(kāi)始充電；當(dāng)U2正輸入端電壓下降時(shí)，D31截止，C1放電。當(dāng)輸入脈沖信號(hào)改變時(shí)，控制單片機(jī)控制PC7使電容放電。U3輸出端接電阻分壓，輸入單片機(jī)進(jìn)行AD采樣。

4.3 比較電路

比較器采用非反向施密特觸發(fā)器接法，正端輸入經(jīng)二極放大得到的脈沖信號(hào)，負(fù)端輸入峰峰值檢測(cè)電路經(jīng)分壓后的電壓值，分別為90%、50%、10%，當(dāng)正端電壓比負(fù)端高時(shí)輸出高電平，反之低電平。輸出需接上拉電阻。

4.5 調(diào)試步驟

檢查電路，排除虛焊、漏焊錯(cuò)誤。

加入適當(dāng)信號(hào)，檢查一級(jí)放大倍數(shù)是否兩倍正確放大，再檢查二級(jí)放大倍數(shù)是否正確。由于選擇器內(nèi)部電阻影響，此處二級(jí)放大電阻需稍微調(diào)整。

檢測(cè)峰峰值電路輸出是否正確，并檢測(cè)分壓進(jìn)入單片機(jī)的電壓是否是峰峰值的1/4。

檢測(cè)經(jīng)電壓跟隨器后的電壓，是否正確，并檢查10%Vpp、50%Vpp、90%Vpp是否正確分壓。

檢查比較器輸出波形是否正確。若有明顯不規(guī)則毛刺，可選擇適當(dāng)加入小遲滯模塊。

5.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1 實(shí)際結(jié)果測(cè)量：

實(shí)際輸入 實(shí)際輸出頻率（Hz）幅值（V）占空比（%）頻率（Hz）幅值（V）占空比（%）10 1 30 9.735 1.037 29.20 500 3 50 499.683 3.052 49.82 1000 5 80 998.879 5.124 78.23

5.2 分析

這是在程序未加補(bǔ)償下，所得的數(shù)據(jù)離要求誤差有所出入。在經(jīng)過(guò)擬合后基本達(dá)到要求。但在占空比高頻無(wú)法檢測(cè)，成品的上升時(shí)間也無(wú)法檢測(cè)。

6.結(jié)論

通過(guò)本文所述開(kāi)發(fā)過(guò)程以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，基于MSP430F5529的脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀具有使用方便快捷，性能可靠，穩(wěn)定性較好，檢測(cè)迅速且體積小方便攜帶等特點(diǎn)，除此之外，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，極其適用于外場(chǎng)檢測(cè)使用。應(yīng)用于工程中，可以及時(shí)讀取脈沖信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)，從而使分析更加快捷簡(jiǎn)便。

[1]吳云靖,董恩生,龐宇,徐勇超.基于單片機(jī)的便攜式脈沖信號(hào)參數(shù)測(cè)試儀.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2009(12):47-50

[2]杜冬,尹學(xué)峰,吉小軍.基于FPGA的脈沖信號(hào)發(fā)生/測(cè)試儀一體化設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2015(01):64-68

[3]才瀅,永杰.精度無(wú)間隙時(shí)頻測(cè)技術(shù)的研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009,23(1):70-75.