冲脉信号参数测试仪本科毕业设计文档格式.docx
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摘要
脉冲参数测试仪是在信号类常用的一种仪器，用它可以测量峰峰值、有效值、频率、上升沿和下降沿时间，占空比等的仪器。
这种功能比较齐全的仪器现在大多数都是比较大型的台式的，手提便携式的功能还没那么完善，便携式的比较少，能测得东西也没那么多，而且便携式的测量精度没有台式的测量精度高。
现在便携式的测量仪器普遍用的就是万用表，可以测量直流电压、电阻、电流、电容等等。
本次是用超低功耗的控制芯片MSP430F5438A做为主控芯片，可以测量峰峰值、频率、占空比、上升沿和下降沿时间的参数，由于板子做得不怎么好，所以测的量精度不高。
关键词：
MSP430F5438A；
脉冲信号参数测试仪；
峰峰值；
频率；
占空比
Abstract
Thepulseparametertesterisaninstrumentcommonlyusedinthesignalclass，Itcanmeasurethepeak-to-peak,RMS,frequency,riseandfalltimes,thedutycycleoftheinstrument.Thisfunctionrelativelycompleteinstrumentnowmostofthemarerelativelylarge-scaledesktop,Hand-heldportablefunctionisnotsoperfect,portablearemuchfew,canbemeasurednotsomuchthings,themeasurementaccuracyofthedesktopandportablemeasurementaccuracyisnothigh.Nowportablemeasuringinstrumentscommonlyusedisthemultimeter,CanmeasureDCvoltage,resistance,current,capacitance,andsoon.TheusetheultralowpowercontrolchipMSP430F5438Aofasmasterchip,Canmeasurethepeak-to-peak,frequency,dutycycle,risingandfallingedgetimeparameters,theboardisdoingnotsogood,sothemeasurementaccuracyisnothigh.
Keywords:
MSP430F5438A;
Pulsesignalparametertester;
peak-to-peak;
frequency;
duty
引言
单片机微型计算机是计算机的一个很重要的分支，单片机微型计算机简称单片机，非常适用于自动化控制领域，所以又称为微控制器。
单片机由集成电路芯片构成，内部包含了计算机的基本功能模块：
中央处理器CPU、存储器、I\O接口电路，定时器中断电，有些单片机里还集成了内部A/D转换功能等等。
单片机只是一个控制芯片，相当于人的大脑，人只有大脑还是完成不了所需要的功能的，还需要手、脚、嘴巴、耳朵等等的器官，单片机也是一样，必须还要外接一些模块才能实现想要的功能。
单片机外接的模块根据要实现的功能的不同选择不同的外部芯片组成不同的外部模块，这些外部的模块只能完成某一方面的工作，就像人的嘴巴只能说话吃饭不能听到声音，耳朵只能听到声音不能吃饭，外部的模块统一由单片机控制，使外部的模块能统一协调的完成工作。
由于单片机稳定性好，物美价廉，功耗低，控制简单易用，所以单片机已经广泛应用到了各行各业，如自动化控制、智能玩具、各种家居、手机、仪器仪表等各种仪器。
现在的电子产品的种类越来越多，各种仪器的应用也就越来越多，在信号类的仪器都要用到脉冲信号测量的仪器，本课题研究的是脉冲参数测试仪，主要是测量各种脉冲信号的参数。
因为脉冲信号很微小的变化都会影响到信号的质量，所以脉冲参数测试仪对芯片和电路的要求都比较高。
1背景知识及系统设计要求
1.1背景知识
随着电子技术的发展，对脉冲信号的测量精度要求也越来越高，脉冲参数测试的仪器应用也越来越广泛，最常见的也最常用的就是示波器，示波器有模拟示波器和数字示波器。
数字示波器比较智能，功能比较多，精度也会比模拟示波器的高。
现在也有一些是便携式的数字示波器，大小和手机差不多一样，不过本人没用过，不知道好不好用，不知道精度高不高。
但本人觉得便携式的还是没有台式的精度那么高的，本人见过的那台便携式的示波器才几百元，比示波器便宜多了，所以质量肯定没有台式的好，精度也没有台式的高。
但是也可能有一些比较贵的，精度应该也和台式的示波器差不多，功能也会比较多。
脉冲信号参数测试仪器对电路板的布局要求比较高，因为是信号类的，所以电阻电容的数值也会对测量结果产生比较大的影响，所以电路板稍微做得不怎么好，就可能实现不了功能或者精度会变得很差，所以做脉冲参数测试仪时要多查看资料，要比较细心，尽量做到完美精度才会比较高。
由于现在很多领域都要进行信号的检测，特别是高科技领域，所以信号的检测和测量应用越来越广泛，微弱信号领域对脉冲信号检测的精度要求很高，像雷达等的信号，对信号检测的要求很高很高，所以像每国P-3C侦察机反潜机只有少数的几个国家能做得出来，因为对小信号的检测分析处理的技术要求是很高的。
一些是知道原理但工艺不够好也做不出来。
本次做的是用超低功耗的控制芯片MSP430F5438A作为控制芯片，加上其他一些外围的电路模块做成的。
因为本人技术有限，做的板子不是很好，所用的芯片也不怎么好，好的芯片太贵了，买不起，所以精度不怎么好。
不能用到好东西，板子又做得不好，所以调板子的时候太难调了，调了很久很久都调得不怎么好，最后只能调到精度还算相差不是很大就行了。
1.2MSP430系列单片机介绍
MSP430系列单片机是TI（德州仪器）公司近年来推出的一系列优秀的混合微型处理器。
他不仅具有16位微型处理器高效的处理器系统，还具有很多功能强大的、丰富的外设，其中包括很多高性能的模拟外设。
在大部分热门产品应用中都可以单芯片完成设计，更可贵的是他能够以极低的功耗运行，因而被广泛应用在电池供电的手持设备上。
即使是在某些不需要低功耗的场合，MSP430单片机仍然可以作为一款高性能单片机使用。
随着自动控制的高速化和低功耗化，MSP430系列将会得到越来约多人的喜爱，其应用的领域也会越来越大。
1.3系统设计要求
在学过的单片机的一些知识的基础上，通过自主学习，学会另外一些单片机的应用，学会那种单片机的一种或者几种语言的编程，学会运用学到的新的单片机控制外围的芯片、电路模块，制作完成一个脉冲参数测试仪。
脉冲信号幅值范围为：
0.2VP～3.3VP，测量精度≤±
2%；
脉冲信号频率范围为100Hz～100KHz；
频率测量精度≤±
0.1%，周期测量精度≤±
0.1%；
占空比测量范围为10％～90％，测量误差≤10％；
上升时间和下降时间测量范围为1us～1ms，测量误差≤1us；
脉冲信号频率范围为10Hz～500KHz；
0.03%，周期测量精度≤±
0.03%；
1.4系统设计方案
系统设计方案如图所示：
图1.1系统框图
由图1.1所示，本设计涉及七个部分，DA输出峰峰值的10%和90%的电压值给比较器模块，信号输入到比较器模块，比较器模块有峰峰值的10%和90%的两路输出比较电压，比较器输出这两路的比较脉冲信号，这两路脉冲信号通过74HC08相与后输出上升沿下降沿的脉冲信号。
将比较器比较后的输出电压输入到有效值检测模块，用A/D模块测出有效值，再用测出来的有效值求出占空比。
脉冲信号输入到峰值检测模块测量脉冲信号的峰峰值。
将比较器输出的比较脉冲信号和A/D所测量的数值输入到MSP430F5438A微处理器，实现求频率、上升沿下降沿时间和进行一些数据处理。
最后把处理后的结果通过显示模块显示出来。
2主要器件的选择及论证
2.1微处理器的选择
一开始本人考虑的是用51单片机来作为主控的微处理器，因为51单片机的应用简单，操作起来简单容易，而且51单片机是本人用得最多的，很容易上手。
后来发现51单片机的速度不够快，功能也没那么多，所以后来选择了TI的MSP430系列单片机，MSP430系列单片机的功能比较强大，而且工作的功耗超低。
选好了微处理器后，本人就在TI官网申请了2片MSP430F5438A微处理器芯片。
2.2比较器的选择
在这么多的模块当中，本人觉得比较器模块是最难调的了。
本人用万用板搭过LM393模块调了一下，出来的波形很不好，很多纹波。
后来听别人说TLC372不错，本人就试了一下，还把电路图PCB画好了，做好了板子，本人以为这个是绝对没什么问题的了，因为以前也有人用过。
然后本人再拿到实验室去调试，调试出来的结果太令本人失望了，比较出来的脉冲边沿有很多振荡的纹波，而且纹波的幅度也很高。
本人没试过在脉冲信号边缘去振荡纹波的方法，所以调了很久都调不出来。
那时本人也没有什么其他的比较器了，所以本人想一定要把这个TLC372调好才可以。
本人问了以前做过的那些人，他们说他们也是那样子画的图，他们的就可以，本人的为什么不可以，而且板子都检查过很多遍了，都没有画错、连错、短路或者断路等，所以他们也不知道是什么原因，本人自己也是调了2天检查了2天都检查不出来，然后不想调了，本人想再调也是没结果的了，反而是浪费时间。
然后再从网上查了一些比较器的资料，看到一款用运放做的比较器貌似不错，叫做滞回比较器。
绝大多数比较器中都设计带有滞回电路,通常滞回电压为5mV到10mV。
内部滞回电路可以避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡。
但是内部滞回电路虽然可以使比较器免于自激振荡,却很容易被外部振幅较大的噪声淹没。
这种情况下需要增加外部滞回,以提高系统的抗干扰性能。
然后本人就参考网上的一些电路图和一些资料，做了一个滞回比较器，做好后就马上拿去实验室调试，调试的结果很好，边缘一点振荡都没有。
再接着测了几组数据，发现1VPP一下的小信号很难测试，然后就再重新画个PCB，加上个继电器，当信号小于0.8VPP时就选用另一个通道，这个通道经过一个运放将电压放大后在输入到比较器进行比较。
但那个运放放大的倍数不大，当1VPP的信号放大到2.5VPP以上信号底部就失真了，0.6VPP也是放大到2.5VPP以上信号底部就失真，为了能使0.2VPP的信号能放大的倍数大一点，所以就选择0.8VPP以上的信号通过继电器选择放大的通道。
2.3占空比测量模块的选择
本人一开始想的是用一个周期高电平的时间再除以周期来求占空比的，但是有些占空比太小了，单片机很难把一个周期的高电平时间测出来，所以就得想过另外的办法。
对于脉冲信号而言，占空比=（有效值/峰峰值）^2/100，然后选择用AD637来测量脉冲信号的峰峰值，然后根据上一个公式来求脉冲信号的占空比。
这种方法比较容易，测起来也比较方便。
2.4占峰峰值测量的设置
峰峰值测量本人选用的是峰值检波，峰值检波的充电时间常数很小，即使是很窄的脉冲也能很快充电到稳定值，当中频信号消失后，由于电路的放电时间常数很大，检波的输出电压可在很长一段时间内保持在峰值上。
峰值检波的电路本人选用的是无二极管型的，无二极管型是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。
3脉冲信号参数测试仪的硬件电路设计
3.1MSP430F5438A主控模块设计
3.1.1MSP430F5438A最小系统芯片部分
MSP430F5438A主控模块本人把它做成了一个最小系统版，用最小系统版来控制调试外部的小模块。
因为本人以前没用过MSP430的芯片，又没有开发板，所以如果把外部的模块和主控模块集成在一起很可能是不能用的，结果又浪费了很多金钱很多时间又要重新做板子，所以先做成最小的系统版，先把最小系统版做出来调好，再做外部的模块，外部的模块也是一个小模块一个小模块的做，这样既能做得快一点做不成功也可以快一点再做另一块，而且板子用不了再重新做也不用花那么多的钱，节约了的成本。
在MSP430F5438A最小系统版中，主要由一下几大部分构成。
如图3-1-1所示，MSP430F5438A芯片有100个引脚，其拥有16位精简指令集结构，可以扩展外部存储器，可以达到25MHZ系统时钟，灵活得电源管理系统（PMM），由DVCC在LDO作用下产生Vcore电源，供低电压模块使用，低功耗/低频率内部时钟源VLO，低频率内部时钟源REFO-XT132768HZ晶振，XT2高频晶振可以达到25MHZ，16位Timer0_A5有5个捕获/比较寄存器，16位Timer1_A3有3个捕获/比较寄存器，16位Timer_B7有7个捕获/比较寄存器，达到4个通用通信接口，内部UART，支持自动波特率检测，具有IRDA编码和解码，SPI通信，I2C通信，12位模数转换，采用内部参考电压，12外部通道，4个内部通道，256KBFLASH存储器，16KBSRAM存储器，片内实时时钟RTC，也可做通用计数器使用。
从上面的数据可见，MSP430F5438A单片机一改以往430系列“本人很省饭，但本人也不太能干”的林黛玉作风，配备了丰富的片内资源，又具备了相当可观的性能，变身为既省饭又能干的全能战士，在发扬光大430系列杰出的超低功耗特性的同时，大幅度提高了性能，以往430系列单片机几乎不可能完成的任务，如流畅GUI、复杂网络应用、实时多任务操作系统等等，54xx系列单片机已经完全可以应对自如，这就大大拓宽了430系列单片机的应用领域。
MSP430F5438A主控芯片部分如下图所示：
图3.1MSP430F5438A芯片部分
3.1.2MSP430F5438A最小系统I/O口部分
I/O口扩展部分如下图所示：
图3.2MSP430F5438A最小系统的I/O口扩展
如图3.2，MSP430F5438A最小系统把芯片的87个通用I/O口全部扩展出来了，可以说MSP430F5438A的通用I/O口是很多很丰富的，可以满足同时控制多个模块的要求。
3.1.3MSP430F5438A最小系统复位电路和仿真电路
复位电路和仿真电路如下图所示：
图3.3MSP430F5438A最小系统的仿真电路和复位电路
MSP430单片机有两种程序下载仿真的方法，如图3.3，第一种是通过JTAG下载仿真，第二种是通过TEST和RST两根线来下载并在线仿真。
本人是用第二种来下载程序并仿真。
MSP430有两种复位方式，上电复位信号POR（Power
On
Reset）和上电清除信号PUC（Power
Up
Clear）。
POR信号是器件的复位信号，此信号只有在以下的事件发生时才会产生：
器件上电时。
RST/NMI引脚配置为复位模式，当RST/NMI引脚生产低电平时。
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
这是个滞回比较器，由MAX942运放组成，其中脉冲信号幅度小的要通过一个运放将电压放大后再送入比较器进行比较，通过一个继电器进行选择，当脉冲信号是小信号时，在继电器选择端加高电平，使比较器接到电压放大电路那边，当脉冲信号不是小信号时，就给继电器加个低电平信号，使比较器接在没经过电压放大的那边。
比较器模块有脉冲信号输入，两个输入比较电压的输入。
两个输出比较电压的输出，两个输出比较电压经过74HC08相与后的输出脉冲，还有一个是其中一个输出比较电压经过74HC74的D触发器后输出的方波信号，可以用这个信号来测量脉冲信号的频率。
本人在软件部分设为当信号峰峰值小于0.8VPP时就经过一个运放放大，放大的倍数大概是2.7倍左右，运放的输入和输出都接一个电压跟随器，防止信号能量的损失。
当信号的峰峰值不小于0.8VPP时就不用经过运放放大，不过将信号送给比较器之前也接了一个电压跟随器，也是为了防止信号能量的损失。
3.3峰值检波电路
峰值检波电路如下图所示：
图3.5峰值检波模块
如图3.5所示，本人采用的是无二极管型的峰值检波电路。
峰值检测电路（PKD，PeakDetector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。
这个峰值检波电路本人一共做了两块。
第一块做完的时候拿去实验室调试时发现信号在2VPP以上的电压测量还算准，但信号在2VPP一下的就不准了，在2VPP一下的信号，测得的电压值最大都不超过1V，本人反反复复测了很多数据都是不准的。
信号峰峰值在2VPP以下，有时候所测得的电压值是峰峰值的一般多一点，有时候所测得的电压值是峰峰值的一般少一点。
对照原理图和PCB和一些找来的资料检查了以下，发现电路图和PCB一点都没花错，电路也没有短路和断路，所以检查了很久都检查不出是什么原因，然后再去问了几次那些比较厉害的同学，他们也不知道是什么原因。
最后实在是检查不出来，只好重新做一块试试看，而且芯片也新买一些新的，可能是因为那些旧的芯片有问题调不出来的。
做第二块板时本人还专门再检查了几次电路图。
做好板子后，再拿到实验室去调试，测出来的结果和上次的那个板子是一样的，都是信号在2VPP一下就测得很不准，大概就是峰峰值的一般左右，调了几次都调不出来，问别人也不知道，所以只能用这个板子来测了。
因为信号再2VPP一下所测得的电压值差不多是峰峰值的一般左右，所以就把所测得的电压值在单片机里处理一下，信号在2VPP一下，将所测得的电压值乘上差不多两倍，相乘后的数差不多就等于峰峰值了，然后大于等于2VPP的信号就不变。
3.4有效值测量电路
测有效值的电路如下图所示：
图3.6测有效值电路
如图3.6，本人只采用AD637来测量有效值的。
AD637是ADI公司生产的真有效值-直流转换芯片，它的功能是把外部输入的交流信号有效值变成直流信号输出，可以计算各种复杂波形的真有效值。
其最高精度高于0.1%，是当前国际上集成真有效值转换器中性能最高的。
可测量的输入信号有效值可高达7V,对于1vRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，当输入电压为100mV
时，带宽标值为600kHz；
输入电压为2V时，带宽标称值为8MHz。
另外，AD637通过片选（CS）管脚作用，可以使静态电流从2.2mA降至350µ
A。
因此，在数据采集和仪器仪表等场合，有很广泛的应用。
AD637集成电路具有低成本、低功耗和高（激光调整）精度特性，使得真有效值（RMS）计算成为一项实用、可行的技术，可用来获取波形的功率测量值或标准偏差。
以前，采用模块式、混合式、或分立式器件的真有效值（RMS）转换器不仅成本高，而且相对复杂。
RMS（真有效值）是对交流信号幅度的基本量度，可以分别从实用角度和数学角度予以定义。
从实用角度定义是：
一个交流信号的真有效值等于在同一负载上产生同等热量所需的直流量。
例如，1V真有效值交流信号与1V直流信号在同一电阻上产生的热量相同。
波形的波峰因数定义为峰值与其真有效值值之比。
振幅对称方波或直流水平波形等信号的波峰因数为1。
输入电压范围是随供电电源变化的。
当电源用+15V和-15V供电时，输入电压为0-7V，当供电电源为+5V和-5V时，输入电压范围为0-4V。
当输入电压为2V时，产生1%的附加误差的带宽为200KHz。
对于脉冲信号而言，占空比=（有效值/峰峰值）^2/100，利用这个公式可以求出脉冲信号的占空比。
3.5A/D模数转换电路
MAX197的电路如下图所示：
图3.7MAX197电路
如图3.7所示，A/D模数转换模块是用MAX197做的，本人一开始是用AD7898这款A/D转换器，因为这款是SPI通信的，只要三根线就可以实现模数转换，可以节省了大量的单片机I/O端口。
AD7898芯片的板子已经做好了，然后本人看了芯片的资料，对照资料上的时序图编写程序，程序完全是按照资料上的时序图写的，但下载调试的时候总是调试不出来，一点反应都没有。
这块AD7898整整花了本人3天的时间，还是一点进展都没有，然后本人不想再浪费时间了，想换别的A/D芯片看看，然后想到用ADC0809，但这款A/D是8为了，可能小信号测得不是很准。
正好同学免费申请有2块贴片的MAX197模数转换芯片，他就给了一片本人，然后就打算用MAX197试试看。
MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短（6us），具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口——8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便。
MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。
它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。
在内部采样控制模式（控制位置0）中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔（芯片时钟为2MHz时，为3ms），即开始A/D转换。
在外部采样模式（D5=1）中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。
在第一个写脉冲出现时，写入ACQMOD为1，开始采样间隔。
在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。
这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。
当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。
本人采用的是内部参考电压，内部参考电压有2.5V和4.096V，其中4.096V是通过片内缓冲器（增益=1.638）放大而输出的。
这个芯片的程序同学写过，不过是80C51F020单片机的C语言程序，本人用的是MSP430的，不能直接拿来用，本人对照了一下那个80C51F020的程序后，把MSP430的MAX197程序写出来，然后再调试几下就成功了。
3.5D/A数模转换电路
D/A模块的电路如下图所示：
图3.8DAC8562电路
D/A转换电路本人也换过几块，开始是想用MAX5802，这是一个双通道的D/A转换器，外部产考电压是可达到5V，这个芯片是用I2C通信的，本人看了这个芯片的一些资料，又对照本人以前写的24C08的I2C程序把这个D/A的芯片写好，然后在下载到单片机调试，但也调试了两天都调不出来，I2C程序也都没错，跟以前那个24C08的几乎一样，看来I2C的程序对于本人来说真的很难调，两天都调不出来后本人就决定还另一块芯片，这块是TI公司的DAC8562。
DAC8562系列与同类器件相比，积分非线性度（INL）提升25%，偏移误差降低60%。
此外，这些DAC还具有业界最低功耗与超小外形，是无线基站、可编程逻辑控制（PLC）模拟输出模块、电机控制、高精度仪表以及便携式医疗设备等空间及电源受限系统的理想选择。
业界最高精度：
支持每秒0.1nV短时脉冲波形干扰、4mV最大偏移误差、12
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