CN103163449A

CN103163449A - 信号电路时延检测系统

Info

Publication number: CN103163449A
Application number: CN2013101105538A
Authority: CN
Inventors: 唐莹莹; 陈秉岩; 刘文婷; 周妍; 朱晖; 周娟; 殷澄; 朱昌平; 高远; 单鸣雷
Original assignee: Changzhou Campus of Hohai University
Current assignee: Jiangsu Zhenghui Solar Power Co ltd
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: CN103163449B

Abstract

本发明公开了一种信号电路时延检测系统，第一微控制器控制信号发生器产生两路信号，一路信号直接输入到第二比较器，另外一路经过被测信号电路后输入到第一比较器，经两个比较器输出的两路信号再输入到CPLD，CPLD的输出连接到第二微控制器，第二微控制器MCU2连接TFT触摸屏和用于存储信息的SD卡。在CPLD时延检测单元中，对被测信号电路采用双输入时差测量法，从而可以保证宽带信号的测量。信号发生器产生的信号频率和幅度可调。不同频率的信号可以满足不同测量要求，可测量不同信号单元电路的信号时延特性。本发明可测量一定频率范围的不同信号电路的时延特性曲线，并可将其存储到SD卡中，方便历史查询。

Description

信号电路时延检测系统

技术领域

本发明涉及信号电路领域，特别是关于一类信号电路相时延检测系统。

背景技术

时延是信号在给定媒体中行进所需的时间，由于时延具有色散性，即时延随电路信号频率的变化而变化，这使得一个系统或网络不能笼统地用一个时延术语或时延特性来描述。电路中的传输延迟一直是限制数字系统时钟频率提高的关键因素,目前以确保数字电路时间特性正确性为目标的时延测试是集成电路(简称IC)测试领域的热点问题。此外时延特性已成为现代电子工程的主要技术指标之一，时延特性影响着系统的信号传输失真和信号传输质量。从20世纪70年代以来，对时延检测理论、方法和性能等方面的研究从未停止过，但目前时延检测的研究存在一些问题，主要表现为：(1)仅仅是时延检测理论和技术得到深入研究和进一步发展，时延检测装置的研发却尚未成熟。(2)随着时延估计的广泛应用，时延估计方法需要更多的考虑各种实际因素，时延估计问题呈现出多样化，对时延估计方法提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中的不足，提供了一种低成本、实用、方便、测量精准的信号电路时延检测系统。

本发明采用的技术方案是：由受第一微控制器MCU1控制的信号发生器产生一个被测电路所需要的频率的信号，信号分为相同的两路信号，一路信号直接作为CPLD(Complex Programmable Logic Devices,复杂可编程逻辑器件) 时延检测单元信号的输入；另外一路经过被测设备后再作为CPLD时延检测单元信号的输入；CPLD采用双输入测量时差法计算两路不同信号的时差，并将时差值转换为时延值后送入第二微控制器MCU2进行分析处理；第二微控制器MCU2将信号电路的时延特性曲线图显示在TFT触摸屏上，并可通过SD卡存储图片，方便历史查询。

一种信号电路时延检测系统，其特征在于：接收输入信息的键盘连接第一微控制器MCU1,第一微控制器MCU1控制信号发生器产生一个被测电路所需要的频率的信号，该信号分为两路，一路直接输入到第二比较器，另外一路经过被测信号电路后输入到第一比较器，经第一比较器、第二比较器输出的两路信号再输入到CPLD，CPLD的输出连接到第二微控制器MCU2，第二微控制器MCU2连接TFT触摸屏和用于存储信息的SD卡。

所述第一微控制器MCU1与第二微控制器MCU2连接，相互通信。

所述的信号发生器包括直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer：DDS）、数模转换器(Digital To Analog Conventer：DAC)、压控放大器(voltage controlled amplifier:VCA)、轨到轨放大器和信号幅度检测器，DDS、DAC连接VCA，信号从VCA输入到轨到轨放大器后输出正弦波，正弦信号输入到信号幅度检测器，信号幅度检测器连接所述第一微控制器MCU1。

所述DDS通过一缓冲器与所述第一微控制器MCU1连接。所述信号发生器的信号输出端经一跟随放大器连接至二阶巴特沃斯滤波器。

所述第一微控制器MCU1经第二数模转换器TLV5638(U4)连接到反向放大器，反向放大器连接到压控放大器VCA；所述二阶巴特沃斯滤波器输出的信号连接第二跟随放大器，第二跟随放大器连接至压控放大器VCA，压控放大器VCA连接至轨到轨放大器，所述轨到轨放大器输出正弦波信号VOUT。

正弦波信号VOUT连接二极管整流电路和RMS-DC电路，二极管整流电路和RMS-DC电路分别连接到开关的1和2引脚，开关的3引脚连接到ADC，ADC连接到所述第一微控制器MCU1，第一微控制器MCU1连接开关的4引脚，控制开关的导通回路，所述第一微控制器MCU1同时连接到所述DAC，DAC连接到所述压控放大器VCA，控制正弦波信号VOUT的幅度。

所述第一控制器MCU1的一引脚端连接一MOS管的栅极，MOS管的漏极连接+5V电压，源极连接高频继电器的第10引脚，所述高频继电器的第10引脚同时连接二极管的阴极，二极管的阳极连接高频继电器的第1引脚，高频继电器的第2引脚连接到正弦波信号VOUT，高频继电器的第3引脚输出最终信号SOUT。

本发明的有益效果是：

1、信号的宽带测量：在CPLD时延检测单元中，对被测信号电路采用双输入时差测量法，从而可以保证宽带信号的测量。

2、测量信号频率可调：DDS信号发生器产生的信号频率和幅度可调，幅度最大可达8V，频率在0～10MHz范围内可调且步进可达1Hz。不同频率的信号可以满足不同测量要求，可测量不同信号单元电路(例如滤波器等)的信号时延特性。

3、时延检测精确：利用CPLD的高速高性能特性，根据CPLD构成的高速计数器的最大计数位数D_max、外部时钟的周期T_o和最大时延值t_dmax三者之间的方程D_max×T_o=t_dmax，取最大时延值t_dmax=650us，最大计数位数D_max为16bit，根据CPLD的时钟频率f_o的表达式

f_{o} = \frac{D_{\max}}{t_{d \max}} = \frac{2^{16}}{650} = 100.82 (MHz),

可得时延测试单元的测量步进(精度)为0.01us。根据高速计数器的计数值D与被测信号电路的时延t_d的表达式

就可以通过CPLD计数而得到被测电路的时延值。

4、人性化的交互界面：针对信号源的产生可同时直观显示测量信号的种类、幅度、频率等特性。此外，又可显示检测到的时延特性曲线，曲线呈现给我们直观的视觉感受，并可通过SD卡查询时延检测的历史记录。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的整体框图；

图2是信号发生器的电路结构连接图；

图3是图2中DDS的电路结构连接图；

图4是DDS信号滤波图；

图5是图2中信号电平控制器的电路结构连接图；

图6是图2中信号幅度检测电路结构连接图；

图7是图2中信号选择输出的电路结构连接图；

图8是信号发生器的程序流程图；

图9是时延特性曲线检测电路结构连接图；

图10是系统显示存储单元电路结构连接图；

图11是CPLD的程序流程图；

图12是系统的整体程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的一个实施例的整体框图。键盘输入连接第一微控制器 MCU1,第一微控制器MCU1控制信号发生器产生一个被测电路所需要的频率的信号，该信号分为两路，一路直接输入到比较器2，另外一路经过被测信号电路后输入到比较器1，两路信号再输入到CPLD，CPLD的输出连接第二微控制器MCU2，MCU2连接TFT触摸屏，并支持SD卡存储。两个微控制器MCU1和MCU2相连接，实现相互通信，TFT触摸屏可选择显示时延特性曲线或单频点的时延值。

如图2所示,信号发生器包括DDS、DAC、VCA、轨到轨放大器和信号幅度检测器，DDS、DAC连接VCA，信号从VCA输入到轨到轨放大器后输出正弦波，正弦信号输入到信号幅度检测器，信号幅度检测器连接第一微控制器MCU1。DDS产生的信号输入到压控放大器VCA,由受第一微控制器MCU1控制的数模转换器DAC控制VCA的增益，经VCA放大后的信号再通过轨到轨放大器输出正弦波，轨到轨放大器可以使输出信号幅度范围达到供电电压。但一般情况下，直接输出的信号幅度并不能满足实际的要求，所以在轨到轨放大器输出端进行信号幅度检测，再将其反馈给第一微控制器MCU1进行分析处理，再通过第一位微控制器MCU1控制DAC的输出值调节VCA的增益，从而使输出信号的幅度达到实际的要求。

如图3所示，DDS的SCLK、SDATA、FSYNG引脚分别连接缓冲器的1Y0、1Y1、1Y2引脚，缓冲器的1A0、1A1、1A2引脚分别连接MCU1的P0_1、P0_2、P0_3引脚，DDS的IOUT引脚连接电阻R1、电阻R2和电容C2的一端，DDS的VIN引脚通过电容C1连接电阻R2和电容C2的另一端，同时连接电阻R1的另一端。

DDS采用ADI公司的AD9834作为核心器件，AD9834中的相位累加器为28bit，通过改变28bit相位累加器内部的控制字，可以实现对2π圆周进行2²⁸个△Phase等分，即其△Phase变化范围为0<△Phase<2²⁸-1，输出频率计算公式为

f_MCLK为时钟频率，△Phase为相位累加器内部的控制字所决定的控制变量，AD9834加少部分外围元器件，并通过SPI接口与第一微控制器MCU1通信，就可以输出正弦波信号OUT1，在输出频率公式中，第一微控制器MCU1通过改变AD9834的相位累加器控制字即可改变输出信号频率。

如图4所示，DDS产生的信号OUT1连接电容C3，电容C3和电阻R3、电阻R4连接，电阻R3和电阻R4分别连接+5V、-5V电压，电容C3、电阻R3和电阻R4还连接跟随放大器U14，跟随放大器U14连接二阶巴特沃斯滤波器。二阶巴特沃斯滤波器由电感L1、L2、L3、L4、电容C4、C5构成。

DDS产生的正弦信号OUT1经过电容C3和分压电阻R3、R4的作用使输出信号变成以X轴为对称轴的正弦信号，再经过二阶巴特沃斯滤波器输出信号OUT2，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零，二阶巴特沃斯滤波器的衰减率为每倍频12分贝，这样可以有效地滤除信号发生器产生的正弦信号中的高频信号。

如图5所示，MCU1连接放大器U4，U4采用TLV5638,U4连接到反向放大器U3，反向放大器U3连接到VCA U6，二阶巴特沃斯滤波器出来的信号SOUT连接跟随放大器U5，跟随放大器U5连接VGAU6，VCA连接轨到轨放大器U7A、U7B，轨到轨放大器U7A、U7B输出正弦波信号VOUT，同时通过电阻R21接地。

滤波后的正弦波信号SOUT，经过电压跟随器输入到VCA，其VCA的3脚为增益控制引脚，增益为其中V_C为输入到该引脚的电平,DAC转换器通过电压反向后即可实现输入电平范围为-2V至0V的高精度增益控制,后级调整使用轨到轨放大器进行电压跟随，提高带负载能力，并可实现8V峰值输出。

如图6所示，图5输出的正弦波信号VOUT连接二极管整流电路和RMS-DC转换电路，二极管整流电路和RMS-DC转换电路分别连接到开关的1和2引脚，开关的3引脚连接到ADC，ADC连接到第一微控制器MCU1，第一微控制器MCU1连接开关的4引脚，控制开关的导通回路，第一位控制器MCU1连接DAC，DAC连接VCA，从而控制VOUT的幅度。

当信号频率小于100Hz时，MCU1控制开关合在1触点上，通过四只二极管整流将检测到的幅值送给ADC；当信号频率大于100HZ时，第一微控制器MCU1控制开关合在2触点上，通过真有效值转换芯片AD637检测正弦波的幅值，将其送入ADC；ADC将幅值反馈给第一微控制器MCU1，第一微控制器MCU1将检测的幅度值与实际键盘输入的幅度进行比较，如果幅值不满足实际要求，第一微控制器MCU1通过改变图2中DAC的输出值来控制VCA的增益，从而通过不断反馈和控制使幅度达到实际的要求。

如图7所示，第一微处理器MCU1的P3_0端连接电阻R22，电阻R22连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极连接+5V电压，其源极连接高频继电器U11的10引脚，高频继电器U11的10引脚连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接高频继电器U11的1脚，高频继电器U11的2引脚连接轨到轨放大器U7A、U7B输出的正弦波信号VOUT，高频继电器U11的3引脚是最终信号输出SOUT，高频继电器U11的4引脚接地。

通过控制MCU1的P3.0口，实现信号的选择输出，当P3.0输出低电平时，则MOS管Q1截止，高频继电器U11的2脚和3脚相连，SOUT端输出正弦波，反之3脚和4脚相连，SOUT输出低电平。

如图8所示，程序初始化结束后，第一微控制器MCU1对DDS信号发生单元AD9834发送控制字，选择正弦信号输出,根据公式

第一微控制器MCU1向AD9834写入频率相位数据，使DDS产生所需要频率的正弦信号,第一微控制器MCU1先对DAC写入默认的幅度控制字，采集并判断DDS信号发生单元当前输出的正弦波信号幅度值。如果输出的正弦信号幅度不满足测试条件，则再次改变DAC的幅度控制数据，直到信号幅度达到测试要求为止。

如图9所示，Fin1是未经过被测电路的信号，即SOUT，Fin2是经过被测电路后的信号，Fin1和Fin2分别输入到两个过零比较器U8A、U8B，两个过零比较器都连接CPLDU9，100MHz晶振Y1连接CPLDU9，CPLDU9连接微处理器第二微控制器MCU2，两者之间实现通信。当两路信号中的一路信号上升沿先到达CPLD时，CPLD开始计数，当另外一路信号上升沿到达时，CPLD截止计数，从而通过计数值而计算时延值。具体流程如图11所示，程序初始化结束后，CPLD等待第一个信号上升沿的到来，一旦有上升沿，CPLD开始计数，当第二个信号上升沿到来时截止计数，当测量结果无误时发送测量结果给第二微控制器MCU2，否则不发送测量结果。具体计算是根据CPLD构成的高速计数器的最大计数位数D_max、外部时钟的周期T₀和最大时延值t_dmax三者之间的方程D_max×T_o=t_dmax，取最大时延值t_dmax=650us，最大计数位数D_max为16bit，则可以得到CPLD的时钟频率f₀的表达式为

实际设计中取晶振Y的频率为100MHz。于是可得时延测试单元的测量步进(精度)为0.01μs，高速计数器的计数值D与被测电路的时延t_d的表达式为微处理STM32从CPLD读取D值后，按照公式

进行转化即可得到被测电路的时延值，MCU2发送读信号给CPLD后，触发start引脚，CPLD通过DATA口传送数据，传送结束后，CPLD将反馈finish信号给MCU2，最终CPLD将时延值传送给MCU2。

如图10所示，系统采用2.4英寸和显示色彩为262K(即26万色)的TFT触摸屏实现人性化交互界面设计，MCU2通过RD和WR引脚读和写信息给TFT触摸屏，并且支持2G的SD卡存储。

如图12所示,程序初始化结束后，由用户决定是否读取图像，选择读取图像时，需要输入文件名，MCU2查找并最终显示图像。不读取图像而选择测量时延值时，MCU2设定测量参数并开始测量，显示测量的时延曲线。系统还支持SD卡存储功能，当选择存储时需输入文件名，系统将存储图片相关信息。

Claims

1.一种信号电路时延检测系统，其特征在于：接收输入信息的键盘连接第一微控制器,第一微控制器控制信号发生器产生一个被测电路所需要的频率的信号，该信号分为两路，一路直接输入到第二比较器，另外一路经过被测信号电路后输入到第一比较器，经第一比较器、第二比较器输出的两路信号再输入到CPLD，CPLD的输出连接到第二微控制器，第二微控制器连接TFT触摸屏和用于存储信息的SD卡。

2.根据权利要求1所述的信号电路时延检测系统，其特征在于：所述第一微控制器与第二微控制器连接，相互通信。

3.根据权利要求1所述的信号电路时延检测系统，其特征在于：所述的信号发生器包括DDS、DAC、压控放大器、轨到轨放大器和信号幅度检测器，DDS、DAC连接压控放大器，信号从压控放大器输入到轨到轨放大器后输出正弦波，正弦信号输入到信号幅度检测器，信号幅度检测器连接所述第一微控制器。

4.根据权利要求3所述的信号电路时延检测系统,其特征在于：所述DDS通过一缓冲器与所述第一微控制器连接。

5.根据权利要求4所述的信号电路时延检测系统,其特征在于：所述DDS的信号输出端经一跟随放大器连接至二阶巴特沃斯滤波器。

6.根据权利要求5所述的信号电路时延检测系统,其特征在于：所述第一微控制器经第二数模转换器连接到反向放大器，反向放大器连接到压控放大器；所述二阶巴特沃斯滤波器输出的信号连接第二跟随放大器，第二跟随放大器连接至压控放大器，压控放大器连接至轨到轨放大器，所述轨到轨放大器输出正弦波信号VOUT。

7.根据权利要求6所述的信号电路时延检测系统,其特征在于：正弦波信号VOUT连接二极管整流电路和RMS-DC转换电路，二极管整流电路和RMS-DC转换电路分别连接到开关的1和2引脚，开关的3引脚连接到ADC，ADC连接到所述第一微控制器，第一微控制器连接开关的4引脚，控制开关的导通回路，所述第一微控制器同时连接到所述DAC，DAC连接到所述压控放大器，控制正弦波信号VOUT的幅度。

8.根据权利要求6所述的信号电路时延检测系统,其特征在于：所述第一微控制器的一引脚端连接一MOS管的栅极，MOS管的漏极连接+5V电压，源极连接高频继电器的第10引脚，所述高频继电器的第10引脚同时连接二极管的阴极，二极管的阳极连接高频继电器的第1引脚，高频继电器的第2引脚连接到正弦波信号VOUT，高频继电器的第3引脚输出最终信号SOUT。

9.根据权利要求1所述的信号电路时延检测系统,其特征在于：所述CPLD内进行时延检测的步骤为：

在CPLD时延检测程序中采用双输入时差测量法，当一路信号的上升沿先到达CPLD时，触发CPLD开始计数，当另外一路信号到达CPLD时截止计数，得到计数值D，再通过被测信号电路的时延t_d的表达式

将计数值转换为时延值，其中，f₀为CPLD的时钟频率。