A题 瞬态响应测试仪终版.docx

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A题瞬态响应测试仪终版

编号：

A甲1015

山东省大学生电子设计大赛

设计报告

A题瞬态响应测试仪

学校：

山东大学

参赛队员：

丁志飞陈兰强李凯一

指导教师：

陈言俊秦峰王延伟

文稿指导教师:

陈言俊

2010年9月20日

瞬态响应测试仪

摘要：

本题要求设计一个系统的动态响应测试仪，以EXCD-1开发板为开发平台，辅以必要的外部电路，包括外部直流稳压电源供电、功能选择、信号调理、A/D转换、D/A转换，利用ＶＨＤＬ语言编程，实现了测量设计要求二阶系统的瞬态响应参数的功能，并与MATLAB的响应理论值进行比较，实现了要求误差范围内的测量，并且实现了二阶系统瞬态响应曲线在VGA上的显示。

经测试，整体指标良好，并在发挥部分完成了信号源的设计，各项指标均达到设计要求，最后在完成设计的基础上为系统添加了曲线的存储回放的功能和打印功能。

关键词：

可编程逻辑器件（FPGA）二阶系统瞬态响应VGA显示MATLAB

1.系统方案

瞬态响应测试仪是一种信号分析仪器，设计要求能对加入单位阶跃信号后二阶系统的产生的响应进行数据采集，通过数据分析得到包括峰值响应时间tp，超调量σp，调节时间ts等相应参数，基本设计要求各个参数的测量误差小于5%。

设计集成VGA显示模块、曲线打印模块、可控直流阶跃信号源、可调脉宽单脉冲信号源、三角波信号源等模块。

1.1系统设计

本系统采用可编程逻辑器件FPGA作为控制和数据处理核心，内部形成A/D转换控制模块对外部A/D进行采样控制，利用D/A控制模块控制外部D/A转换产生要求的多种信号。

利用FPGA内部层次化存储器结构，容易地实现了响应曲线的存储。

多个功能模块如采样频率控制模块、数据存储模块都集中在单个芯片上，大大简化了外围硬件电路设计，增加了系统的稳定性和可靠性。

此方案完全满足设计的基本要求和拓展部分，系统框图如图1。

图1系统框图

1.2设计与论证

1.2.1控制处理器

本系统选用组委会要求的北京中教仪装备有限公司的EXCD-1可编程片上系统开发板，开发板采用XilinxSpartan3EFPGA器件，板上资源丰富，可以方便的设计具有各种功能的数字系统。

1.2.2A/D转换模块

方案1：

采用A/D转换芯片ADC0809。

ADC0809是8位CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器。

该芯片功耗低，操作相对比较简单。

根据题目基本要求部分稳态响应

为±2%，得到需要的A/D转换精度至少为8位，但在实际应用中由于芯片内部以及测量放大带来的噪声，ADC089的精度达不到设计要求。

方案2：

采用更高精度的MAXIM公司的A/D转换芯片MAX186，MAX186是一个采用逐次逼近A/D转换技术的高速超低功耗模数转换器。

分辨率为12位,采样速度达133kHz,可采用内部时钟或外部时钟完成A/D转换。

其速度，性能，精度都远在ADC0809之上价格也相对较低，另外MAX186模数转换芯片采用串行数据数据传输方式，可以使用很少的IO口，节省了系统资源。

基于以上讨论，我们采用方案2。

1.2.3D/A转换模块

方案1:

采用通用的D/A转换芯片DAC0832，DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。

但是在本系统设计要求中，单位阶跃信号的产生要求上升时间小于0.5us，

而DAC0832的转换速率最大只有1M，电流保持时间最小为1us，远远不能达到设计要求。

所以我们在选择D/A转换芯片时放弃方案1。

方案2：

模数转换采用了TexasInstruments公司的DAC908，它是一款8位，具有最高165M转换速度的DA芯片。

同时在电路设计中，采用了高带宽运放AD8631对信号进行放大。

电源直接由核心板提供，无需外接电源；差分输出，输出电压输出范围是0V～1.2V。

所以我们选择DAC908作为最终的数模转换的方案。

1.2.4显示模块

方案1：

采用LED数码管显示。

按题目要求，至少要用4位动态数码管显示，这样要占去大量的IO资源，而且不能一次显示全面的响应参数。

方案2：

利用板上的VGA接口实现二阶瞬态响应曲线的显示，采用1024*768的分辨率，可以实现横向一屏显示1024个点，经过处理可以实现瞬态响应曲线的稳定显示，便于观察测量。

基于以上几点，我们选用VGA实现显示响应曲线。

1.2.5存储模块

为实现二阶系统的瞬态响应曲线的再现，我们为系统设置了存储显示的功能。

一键存储功能的实现依赖于FPGA利用FPGA内部层次化存储器结构，使用FPGA内部集成的基本逻辑功能块配置成双端口RAM对采集信号进行存储，很容易地实现了响应曲线的存储。

利用FPGA内部的逻辑资源可以实现足够容量的存储空间。

1.2.6打印机模块

使用新荣达微型打印机实现瞬态响应曲线的打印功能，利用开发板自带串口输送响应曲线数据，通过按键模块实现一键打印功能。

1.2.7键盘模块

方案1：

采用4*4矩阵键盘，由于设计要求单脉冲脉宽在0.1us～1000us内可调，并且有多个功能选择，所以我们用矩阵键盘实现功能的选择和相应参数的设定。

通过对按键上贴上相应的标签，可以使操作更清晰。

方案2：

直接利用PS/2键盘。

这个方案占用I/O口少，但是键位太多、体积大、并且编程和调试比较复杂。

所以选择了4*4的键盘实现功能的选择和参数设置。

1.3总体方案确定

经过上述的分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：

（1）控制处理核心：

北京中教仪EXCD-1片上可编程开发板

（2）电源电路：

±12V和±5V直流稳压电源

（3）A/D转换模块：

MAX186

（4）D/A转换模块：

DAC908

（5）显示模块：

VGA显示

（6）存储模块：

FPGA内部RAM

（7）打印模块　　：

新荣达微型打印机

（8）键盘模块　　：

4*4键盘

2.理论分析与计算

我们将在利用拉普拉斯变换在复频域内对二阶系统分析，并利用MATLAB得到频域内二阶系统单位响应的时域解，以便测量响应参数时进行针对性处理。

2.1二阶系统的瞬态响应时域分析

瞬态响应是指系统在某一典型信号输入作用下,其系统输出量从初始状态到稳定状态的变化过程.瞬态响应也称动态响应或过渡过程或暂态响应。

题目给定的被测二阶系统的电路图如附录-图1所示。

此二阶系统是由惯性环节、积分环节、反相比例放大器和反相器组成。

由二阶系统电路图我们使用拉普拉斯变换的分析方法，画出了二阶系统复频域框图如图2。

图2二阶系统复频域框图

图中开环增益值

；

，由此可得其闭环传递函数为（式2.1）：

（式2.1）

因而：

，

，（R单位

）

以R=620为例：

将R=620代入得：

，

由于

>0.625，0<

<1，系统处在欠阻尼状态，其单位阶跃响应表达式为（式2.2）：

（式2.2）

借助MATLAB分析得到时域响应v-t如图3:

图3二阶系统时域的单位阶跃响应

由此我们可得此例下的各项参数的理论值：

峰值时间tp=0.1285s超标量σp=1.525-1=0.525V调节时间ts在0.8～1.2s之间，为我们对响应曲线的采样提供了理论依据。

并且根据公式

，为使系统产生欠阻尼的单位阶跃响应，可调R的阻值必须大于25

。

不同的R值情况下的时域响应分析见附录-图2。

2.2采样参数分析

2.2.1采样速度选择

本系统要求二阶系统的动态响应峰值时间tp的测量误差小于5%，根据2.1的分析，在R=620

时，tp约为130ms，5%的误差要求A/D采样的速率约为154HZ，为了提高测量精度需要提高采样的速度，但是在VGA上实现稳定显示需要采样点小于1024个点，所以把采样速度提高到1KHZ。

2.2.2采样时长选择

根据（式2.2）e指数的幂次表达式是一定的，即

=-5t，所以可知系统达到稳态响应的时间是一定的，经MATLAB分析为1s左右，所以我们选择采样时长为1.5s。

2.3测量参数分析

响应曲线被采集进入FPGA内部RAM后，在时钟信号的驱动下，将采集数据送入FPGA内部集成比较器、寄存器，从而得到响应的幅度参量，算得最大峰值。

并通过计数相应幅度值之间的时钟数量得到tp，ts等时间量。

3.硬件电路设计

3.1A/D转换电路

采用MAX186芯片完成响应曲线的采样，芯片的电路连接比较简单。

采用单5V供电，内部参考电压4.096V。

MAX186的REFADJ接AGND,即采用内部基准电压源作为A/D转换的基准。

VREF与地之间接4.7μF电容,SHDN悬空。

详细电路图见附录-图3。

3.2D/A转换电路

采用DAC908转换芯片，输出电压输出范围是0V~1.2V，经过AD8631进行跟随与放大，产生单位阶跃信号输出和发挥部分要求的各种波形。

电源直接由核心板提供，无需外接电源；差分输出；对外标准的8bit高速接口；DAC工作时钟可由外部产生，也可以由主控芯片给出，方便灵活。

电路详见附录-图4。

3.3VGA显示电路

使用开发板提供的VGA接口，能与普通的VGA显示器连接，具有良好的显示效果。

3.4电源电路设计

电路使用专用稳压集成电路7812、7912、7805、7905将输出电压稳定在预定值，电路中瓷片电容和电解电容可以对电路中的高低频噪声进行滤波。

电路详见附录-图5。

3.5键盘电路设计

采用4*4键盘并配合开发板上拨码开关实现功能选择和参数设定。

按键功能设定见表3.1。

表3.1：

4*4行列式键盘功能表

BT3单位阶跃

BT7步进增加

BTB步进减小

BTF显示

BT2存储

BT6数值键3

BTA数值键6

BTE数值键9

BT1打印

BT5数值键2

BT9数值键5

BTD数值键8

BT0数值键0

BT4数值键1

BT8数值键4

BTC数值键7

4.软件设计

4.1软件组成

本系统主要由响应曲线采集模块、参数计算模块、信号发生模块、显示模块、打印模块、键盘模块等组成。

4.2软件流程

系统整体详细的流程图见附录-图6。

5.测试方案与测试结果

5.1测试仪器

RIGOLDS6102示波器MotechFJ-506函数信号发生器自制稳压电源

5.2测试方法

在R=620K

情况下，多次记录单位阶跃响应参数，并与示波器响应曲线显示的参数进行比较，或与MATLAB的理论分析值进行比较。

理论分析曲线见附录2

在R=100K

，300K

，620K

时记录测量参数与MATLAB的理论分析值进行比较。

5.3测试数据

R=620K

，理论值：

tp=0.1216sσp=0.525Vts=0.820s

测量数据见表5.1

表5.1R=620K

响应

测量次数

tp（s）

σp（V）

ts（s）

1

0.1200

0.493

0.84

2

0.1241

0.479

0.85

3

0.1195

0.502

0.80

4

0.1242

0.510

0.81

平均误差

1.75%

1.94%

2.1%

R分别为300K

，100K

时理论参数

R=300K

理论值：

tp=0.176sσp=0.421Vts=0.870s

测量数据见表5.2表5.2R=300K

响应

测量次数

tp（s）

σp（V）

ts（s）

1

0.1750

0.413

0.86

2

0.1661

0.429

0.85

3

0.1609

0.432

0.89

4

0.1894

0.414

0.90

平均误差

1.82%

1.86%

2.3%

R=100K

理论值：

tp=0.2795sσp=0.259Vts=0.920s

测量数据见表5.3表5.3R=100K

响应

测量次数

tp（s）

σp（V）

ts（s）

1

0.2791

0.261

0.910

2

0.2802

0.253

0.879

3

0.2737

0.255

0.876

4

0.2751

0.263

0.933

平均误差

1.85%

1.97%

2.45%

5.4数据分析

通过以上结果可知，

我们设计系统的二阶系统响应参数的测量精度远远超过设计的基本要求；

该测量系统可以在二阶系统欠阻尼情况下实现一定阻值范围的响应参数的测量。

6.总结

经过四天三夜努力协作，我们小组顺利完成了题目的设计要求，在完成基本和拓展要求的基础上我们还为系统添加了创新部分，整机调试比较成功。

特此感谢给予我们巨大帮助的老师和同学们。

【参考文献】

1.詹仙宁，田耘.《VHDL开发精解》．电子工业出版社，2009年第1版

2.陈尚送，郭庆等．《电子测量与仪器》．电子工业出版社，2009年第2版

3.葛洪，黄河等译《VHDL设计指南》，机械工业出版社，2005年第2版

4.吴大正，杨林耀.《信号与线性系统分析》.高等教育出版社，2007年第3版

附录

图1：

被测二阶系统的电路图

图2：

不同R值下时域响应

图3：

A/D转换电路

图4：

D/A转换电路

图5：

稳压电源电路

图6：

软件整体流程