2014年福建省大学生电子设计竞赛 A 题数字显示脉冲参数测试仪

春风十里

摘要：
本系统采用STC12C5A60S2做为主控芯片设计的数字显示脉冲信号参数测试仪，设计主要由信号采集、信号处理及显示部分构成。其中信号采集部分包括自制电源模块、放大模块、信号选择模块、及比较电路模块，主要负责对信号的采集、放大/衰减等处理。处理部分包括FPGA处理模块、A/D和D/A转换模块等，实现对采集波形的分析，测量出脉冲信号峰峰值、频率、上升时间、下降时间、占空比等信息。显示部分由点阵式LCD12864对采集的脉冲信号参数进行显示。
关键词：STC12C5A60S2；FGPA；峰峰值；频率；占空比

1. 总体方案设计
1.1方案比较与选择
方案一: 纯单片机方式。即由单片机、A/D转换器D/A转换器及存储器等组成系统。这种方案要求单片机除了完成基本处理分析外，还需要完成信号采集、存储、显示等控制与变换工作。其优点是系统规模较小，有一定灵活性，但是对于高速信号和复杂信号难以达到题目精度要求，结构框图如图1-1所示。

图1-1

方案二：采用FPGA/CPLD或带有IP核的FPGA/CPLD方式，即用FPGA/CPLD完成采集、存储、显示及A/D等功能，由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。这种方案优点在于系统结构紧凑、可以实现复杂测量与控制、操作方便，但是调试过程复杂，结构框图如图1-2所示。

图1-2

方案三：采用单片机与FPGA结合实现。系统框图如图1-3所示。单片机主要完成控制、计算和显示等功能，同时协调可编程逻辑器件之间的工作。FPGA主要完成对被测信号的计数并将测量的结果发送给单片机的功能。利用单片机可方便地实现数据的运算和显示；利用FPGA丰富的资源，可以简化系统外围逻辑和时序芯片的数量。

图1-3

通过分析论证比较，决定选择方案三作为系统的总体方案。

2. 设计分析与计算
2.1 总体方框图
本设计涉及10个部分，原始脉冲信号经过的处理器有：放大器、比较器，多路转换，积分器，半波整流器等。即0.2-5V的脉冲信号通过跟随器，0.02-5V的脉冲信号通过放大器放大10倍，将两路信号通过CD4052多路选择器，经绝对值整流处理得到精确的单极性脉冲信号；将单极性信号与DA输出峰峰值的25%-75%和20%-80%的电压值输入LT1715比较器，比较器输出两路的比较脉冲信号，通过74HC08相与后输出上升沿和下降沿的脉冲信号，经EP2C5T144C8N处理实现求频率、上升沿、下降沿和占空比等数据处理。同时，将比较后的输出电压输入到峰值检测模块，用A/D模块测出有效脉冲幅度。最后把采集的结果通过显示模块显示出来。总体系统框图如下图2-1所示。

图2-1 总体系统框图

2.2 测频方案
设计采用等精度测频法，原理如图2-2所示。SCNT和XCNT模块是两个可控的多位高速计数器，SCNT和XCNT分别是它们的计数允许信号端，SCNT和XCNT分别是标准频率信号和被测频率信号的输入端。

图2-2 等精度测频原理图

测频时，预置闸门控制信号处于低电平状态，则D触发器的Q端（即实际闸门控制信号端）输出低电平，两个计数器都不工作。开始测频前，通过清零信号CLR先将两个计数器和D触发器清零。
在测频过程中，两个计数器SCNT和XCNT分别对标准频率信号和被测频率信号和被测频率信号同时计数。首先给出预置闸门开启信号（预置闸门上升沿），此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，D触发器的Q端才变为高电平，计数器才真正开始计数。当T'秒后，预置闸门关闭信号（预置闸门下降沿）到来时，但是此时两个计数器并没有马上停止计数，一直等到随后而至的被测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。这样便完成了1次测频过程。

设一次预置闸门时间T'中被测信号的计数值为Nx，标准频率信号的计数值为Ns，则测量频率的关系式为
（2-1）

若忽略标准频率信号fs的误差，则测频可能产生的相对误差为
（2-2）

其中，fxe为被测信号频率的准确值。在测量中，由于fx计数的开始与结束时间都是由该信号的上升沿触发的，所以在闸门时间T内对fx的计数Nx无误差（T=Nx/fx），对fs的计数Ns最多相差一个的误差，即（和直接测频法类似），其被测频率的准确值为
（2-3）

将式（2-1）和（2-3）代入（2-2）可以到如下的关系：
（2-4）

由此可见，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。闸门时间不是固定的值而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，且闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。
图2-2中，在不考虑±1误差的前提下，闸门时间的最大值Tmax为
（2-5）
则
（2-6）

才能满足计数器SCNT对标准信号频率的计数要求。当fs固定时，由式（2-5）看出，n的值越大，闸门时间越大，表示可以测量更低频率的被测信号；由式（2-6）得
（2-7）

其中，fxmax是被测信号频率的最大值，令其与fs的比值为k，则
（2-8）

才能满足计数器XCNT对被测信号频率的计数要求。如fxmax=10MHz，fs=100MHz，n=32，则m≥29。

2.3 信号调理方案
模拟开关切换。采用模拟开关选择反馈电阻大小的方式实现对放大电路放大倍数的控制。预先设置运放的放大倍数，选择反馈电阻大小，通过对模拟开关的切换来选择反馈电阻的大小，从而达到控制运放放大倍数的目的。虽然模拟开关本身存在内阻，但可把反馈电阻换成电位器，这样可以实现较低成本的精确放大，此方案电路结构明了，易于控制。

2.4 信号选择方案
系统两种输入信号，信号1为0.2V～5V和信号2为0.02V～5V,设计将信号1通过跟随器进行缓冲，信号2通过10倍放大器将输出变为0.2V～5V，方便后级对信号进行统一处理；输出的两路信号通过八选一数据选择器CD4051进行选择处理。信号选择电路如图2-3所示。

图2-3 信号选择电路

2.5 幅值检测方案
峰值测量选用峰值检测电路（PKD，Peak Detector）选用无二极管型，利用比较器输出的开集BJT或者开漏MOSFET代替二极管，进一步提高性价比。设计的方案是输入的双极性的方波脉冲信号经检波器检测输入脉冲信号的峰值，峰值信号经滤波后由高速A/D采样获得被测脉冲信号的幅度。峰值检波电路如下图2-4所示，检波信号示意图如图2-5所示。

图2-4 峰值检波电路

图2-5 检波信号示意图

2.6 占空比及上升和下降时间电路方案
DA模块输出峰峰值的10%和90%的电压值给比较器模块，同时信号分别输入到两个比较器模块的正极、负极，由于两个比较模块的转换电平不同，比较器模块有峰峰值的10%和90%的两路输出比较电压，这两路脉冲信号通过74HC08相与后得到上升沿和下降沿的脉冲信号，经FPGA处理实现频率、上升沿、下降沿和占空比等数据处理。上升沿和下降沿/占空比原理如下图2-6所示。

图2-6 上升沿和下降沿/占空比测量原理

2.7 A/D模数转换电路
A/D模数转换电路采用TLC2543，具有12位分辨率。该电路将峰值检波电路输出的模拟的脉冲信号峰值转换为二进制峰值信号。TLC2543电路如图2-7所示。

图2-7  A/D电路

2.8 D/A数模转换电路
D/A数模转换模块采用TLV5618，系统单片机是基于5V供电，而TLV5618参考电压为0～3.5V，设计中为2.5V，输出模拟电压为:V=2*Vref*(dignum/0x1000)
D/A模块的电路如图2-8所示。

图2-8 TLV5618电路

2.9 积分放大电路

3. 测试方法与结果分析
3.1测试方法
3.1.1脉冲幅度测量方法
（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。
（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。

3.1.2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。
将EE1410信号发生器输出端接在系统的程控放大\衰减电路输入端，通过按键板上对所需要的频率、幅度的调试，记录用于显示在LCD显示屏上不同的输入时的显示值，与数字示波器的数据做比较，求出误差。

3.2 比较器电路
比较器电路如下图所示：

图3.4  比较器电路

   
4脉冲信号参数测试仪的软件设计
4.1 脉冲信号参数测试仪的总体流程图
脉冲信号参数测试仪系统的流程图如下图所示：

图4.1 脉冲信号参数测试仪流程图

如图4.1所示，软件系统主要分为八大部分，有些部分需要的软件处理比较少，但是比较难处理，因为是要校准的，而且不同频率不同幅值的误差都不一样，所以不能用统一的公式来处理，必须要分成很多小部分，每个部分都要用一个不同的公式，这样处理出来的结果会比较精确一点。特别是峰峰值的测量，不同的幅度值所测得的峰峰值误差变化很大，频率对峰峰值的测量也有一些变化，测频率时本人用的是TIMER0计数器，外用外部时钟引脚P1.0，计数脉冲是被测的脉冲信号。这个板子在测量时都要加上直流偏置，因为我们没做测量负电压的。

表4-1 占空比的测量值

如表4-1所示，最左边一列是信号源输出脉冲信号的占空比，右边的是不同频率下脉冲信号参数测试仪所测得的占空比。从表中可以看出，20%以下的脉冲信号占空比所测得的值比真实值偏小了一点，50%以上的脉冲信号占空比所测得的值比真实值偏大了一点。频率也会影响占空比所测得的数值，随着频率的增大，占空比也相应地减小一点，但频率影响的不是很大，所以本人想在程序设计时只判断所测得的占空比的大小，在不同大小范围的占空比分别处理，把所测得的数据误差减小。
占空比测量的软件流程图如下图所示：

图4.2 占空比测量流程图

5. 对系统的总结与展望
5.1 总结
系统电压测量的误差主要来源与前级信号调理电路，高动态范围的信号，对前级放大器要求很高，主要是由于运放在通带内幅频特性不平坦，以及运放级间耦合匹配及串扰。系统频率测量的误差来源于等精度测频中对频标计数的正负1误差。另外在对高频小信号进行放大整形时由于信噪比很低，引起比较器边缘抖动及工作不稳定，从而导致测频精度有所下降。在本方案我们小组设计信号波形测量电路，能够完成正弦波、三角波、方波幅度和频率的测量以及能够采集并显示信号波形。本次设计完成了题目的基本要求和发挥部分的要求。正弦波、三角波、方波采集，显示信号波形等功能。测量误差、失真度等各项性能指标均达到。

5.2 展望
随着时代的发展，特别是对于测量小信号的要求越来越高，以后对脉冲信号参数测试仪的要求也会越来越高，不仅精度上要求很高，而且速度上也要求很高。本人相信以后会有比现在的示波器更好的脉冲参数测试仪出现的。