CN107543973A - 一种矩形脉冲信号参数测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形脉冲信号参数测量仪，属于电子技术领域，包括显示屏、按键矩阵、控制芯片MSP430、控制芯片FPGA、调理电路、有效值检波电路、D/A电路、双路高速比较器和功率放大器，解决了对矩形脉冲信号的频率、幅度和上升时间的测量问题，本发明对矩形脉冲信号的频率、占空比、幅度以及上升时间等参数的测量精度高、范围广，为解决矩形脉冲信号频率过高、幅度过高以及上升时间测量的精确度不够等问题提供了解决方案；本发明提供了一个标准矩形脉冲信号发生器，输出频率、幅度、脉宽固定的标准矩形脉冲信号，用于仪器输出信号和自校准。

Description

一种矩形脉冲信号参数测量仪

技术领域

本发明属于电子技术领域，特别涉及一种矩形脉冲信号参数测量仪。

背景技术

随着世界各国电子科学技术的高速发展，脉冲信号参数测量精度越来越受到人们的重视，脉冲信号参数测量仪器逐渐应用于社会发展的各个领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种矩形脉冲信号参数测量仪，解决了对矩形脉冲信号的频率、幅度和上升时间的测量问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种矩形脉冲信号参数测量仪，包括显示屏、按键矩阵、控制芯片MSP430、控制芯片FPGA、调理电路、有效值检波电路、D/A电路、双路高速比较器和功率放大器，显示屏、按键矩阵、调理电路和D/A电路均与控制芯片MSP430连接，有效值检波电路与调理电路连接，双路高速比较器分别与D/A电路和控制芯片FPGA连接，控制芯片MSP430与控制芯片FPGA通信，功率放大器与控制芯片FPGA连接，待测量的脉冲信号Vin分别输入到有效值检波电路、控制芯片FPGA和双路高速比较器中；

调理电路包括继电器模块、放大器U5、放大器U6、放大器U7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，继电器模块设有控制端con1、控制端con2、公共端、第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述控制端con1和所述控制端con2均与控制芯片MSP430电连接，所述公共端与脉冲信号Vin连接，所述公共端为调理电路的输入端；

放大器U5、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成了第一同相比例放大电路，第一同相比例放大电路的输入端连接所述第一输出端，放大器U6、放大器U7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9组成了第一反相比例放大电路，第一反相比例放大电路的输入端与第三输出端连接，第一同相比例放大电路的输出端、第二输出端和第一反相比例放大电路的输出端均为调理电路的输出端；

调理电路的输出端与控制芯片MSP430的AD输入端连接。

所述有效值检波电路由直流转换器AD637及其外围电路构成，所述脉冲信号Vin输入到直流转换器AD637中，直流转换器AD637对脉冲信号Vin进行有效值检波后，通过直流转换器AD637的9脚输出直流电压信号Vout_TL，直流转换器AD637的9脚与所述调理电路的输入端连接。

所述D/A电路包括D/A转换器TLC7528、放大器U1、放大器U2、放大器U3、放大器U4、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电阻R24，D/A转换器TLC7528设有输入端、输出端OUTA、输出端OUTB、内部反馈电阻端REFA和内部反馈电阻端REFB，D/A转换器TLC7528的输入端与所述控制芯片MSP430连接；

放大器U1的负输入端连接输出端OUTA，放大器U1的正输入端连接地线，放大器U1的输出端连接内部反馈电阻端REFA，放大器U2、电阻R21和电阻R22构成了第一反相器，放大器U1的输出端输出的电压信号经过第一反相器的反相后输出电压信号Vref_1；

放大器U3的负输入端连接输出端OUTB，放大器U3的正输入端连接地线，放大器U3的输出端连接内部反馈电阻端REFB，放大器U4、电阻R23和电阻R24构成了第二反相器，放大器U3的输出端输出的电压信号经过第二反相器的反相后输出电压信号Vref_2；

电压信号Vref_1和电压信号Vref_2均输入到双路高速比较器中。

所述双路高速比较器包括比较器U8_A和比较器U8_B，比较器U8_A的正输入端和比较器U8_B的正输入端均连接脉冲信号Vin，比较器U8_A的负输入端连接电压信号Vref_1；比较器U8_B的负输入端连接电压信号Vref_2；比较器U8_A的输出端和比较器U8_B的输出端均连接所述控制芯片FPGA。

所述功率放大器包括放大器U10、电阻R_G、电阻R_F和电阻R_L；放大器U10的负输入端通过电阻R_G连接地线，放大器U10的正输入端连接所述控制芯片FPGA，放大器U10的输入端与负输入端之间连接有电阻R_F，放大器U10的输出端通过电阻R_L连接地线。

本发明所述的一种矩形脉冲信号参数测量仪，解决了对矩形脉冲信号的频率、幅度和上升时间的测量问题，本发明对矩形脉冲信号的频率、占空比、幅度以及上升时间等参数的测量精度高、范围广，为解决矩形脉冲信号频率过高、幅度过高以及上升时间测量的精确度不够等问题提供了解决方案；本发明提供了一个标准矩形脉冲信号发生器，输出频率、幅度、脉宽固定的标准矩形脉冲信号，用于仪器输出信号和自校准。

附图说明

图1是本发明的原路方框图；

图2是FPGA软件系统设计总体示意图；

图3是MSP430软件系统设计流程图；

图4是有效值检波电路的电路图；

图5是调理电路的电路图；

图6是D/A电路的电路图；

图7是双路高速比较器的电路图；

图8是功率放大器的电路图。

具体实施方式

如图1～图8所示的一种矩形脉冲信号参数测量仪，包括显示屏、按键矩阵、控制芯片MSP430、控制芯片FPGA、调理电路、有效值检波电路、D/A电路、双路高速比较器和功率放大器，显示屏、按键矩阵、调理电路和D/A电路均与控制芯片MSP430连接，有效值检波电路与调理电路连接，双路高速比较器分别与D/A电路和控制芯片FPGA连接，控制芯片MSP430与控制芯片FPGA通信，功率放大器与控制芯片FPGA连接，待测量的脉冲信号Vin分别输入到有效值检波电路、控制芯片FPGA和双路高速比较器中；

调理电路包括继电器模块、放大器U5、放大器U6、放大器U7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，继电器模块设有控制端con1、控制端con2、公共端、第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述控制端con1和所述控制端con2均与控制芯片MSP430电连接，所述公共端与脉冲信号Vin连接，所述公共端为调理电路的输入端；

放大器U5、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成了第一同相比例放大电路，第一同相比例放大电路的输入端连接所述第一输出端，放大器U6、放大器U7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9组成了第一反相比例放大电路，第一反相比例放大电路的输入端与第三输出端连接，第一同相比例放大电路的输出端、第二输出端和第一反相比例放大电路的输出端均为调理电路的输出端；

调理电路的输出端与控制芯片MSP430的AD输入端连接。

所述继电器模块包括第一继电器和第二继电器，第一继电器的线圈的一端构成了所述控制端con1，第二继电器的线圈的一端构成了所述控制端con2，第一继电器和第二继电器的动作均受控制芯片MSP430的控制，第一继电器的公共端连接第二继电器的公共端，第一继电器的公共端和第二继电器的公共端构成了继电器模块的公共端；第一继电器的常开端构成了所述第一输出端，第一继电器的常闭端构成了所述第二输出端，第二继电器的常开端构成了所述第三输出端。

由于A/D转换器的输入模拟电压范围有限，故需要对其输入模拟电压的幅度进行调理。

调理电路的设计主要通过同相比例放大器和反相比例放大器完成对AD637有效值检波模块输出直流电压信号的放大和衰减。

AD637有效值检波模块输出直流电压信号从V_in端口进入，单片机的I/O端口与继电器模块的con1、con0端口相连，控制继电器模块选通第1路、第2路或第3路，第一路为同相比例放大电路，增益公式为第二路由导线直接连到输出端口V_out，即保持原信号不变，增益公式为G₂＝1；第三路由两级反相比例放大电路构成，增益公式为例如，con1＝0，con0＝0时，继电器模块选通第一路，V_out＝V_in·G₁。

所述有效值检波电路由直流转换器AD637及其外围电路构成，所述脉冲信号Vin输入到直流转换器AD637中，直流转换器AD637对脉冲信号Vin进行有效值检波后，通过直流转换器AD637的9脚输出直流电压信号Vout_TL，直流转换器AD637的9脚与所述调理电路的输入端连接。

所述有效值检波电路给出了有效值检波芯片AD637的标准真有效值连接方式。待测脉冲信号从Vin端口输入，经过AD637芯片检测出其有效值后，其有效值以直流电压的形式从Vout_TL端口输出，其中，C_AV为输出滤波电容。该电路的供电电源为±12V，输入最大有效值幅度为7V_rms，输入有效值识别精度为0.0001V_rms。矩形波的峰值因数为1，即其有效值等于幅度值。例如，输入幅度为2V的双极性矩形脉冲信号，通过该电路后，输出其有效值为2V的直流电压。

所述D/A电路包括D/A转换器TLC7528、放大器U1、放大器U2、放大器U3、放大器U4、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电阻R24，D/A转换器TLC7528设有输入端、输出端OUTA、输出端OUTB、内部反馈电阻端REFA和内部反馈电阻端REFB，D/A转换器TLC7528的输入端与所述控制芯片MSP430连接；

放大器U1的负输入端连接输出端OUTA，放大器U1的正输入端连接地线，放大器U1的输出端连接内部反馈电阻端REFA，放大器U2、电阻R21和电阻R22构成了第一反相器，放大器U1的输出端输出的电压信号经过第一反相器的反相后输出电压信号Vref_1；

放大器U3的负输入端连接输出端OUTB，放大器U3的正输入端连接地线，放大器U3的输出端连接内部反馈电阻端REFB，放大器U4、电阻R23和电阻R24构成了第二反相器，放大器U3的输出端输出的电压信号经过第二反相器的反相后输出电压信号Vref_2；

电压信号Vref_1和电压信号Vref_2均输入到双路高速比较器中。D/A转换器TLC7528内部有两路DAC，D/A转换器TLC7528的DB7～DB0为数字量输入端口，与控制芯片MSP430的I/O端口相连，用于接收控制芯片MSP430所给的数字量；D/A转换器TLC7528内部D/A转换的方法是倒T型电阻网络DA转换法，整个倒T型电阻网络的等效电阻为R，参考模拟电压V_REFA从REFA端输入，所述D/A电路输入数字量D与输出模拟量VOUT的关系为：

所述双路高速比较器包括比较器U8_A和比较器U8_B，比较器U8_A的正输入端和比较器U8_B的正输入端均连接脉冲信号Vin，比较器U8_A的负输入端连接电压信号Vref_1；比较器U8_B的负输入端连接电压信号Vref_2；比较器U8_A的输出端和比较器U8_B的输出端均连接所述控制芯片FPGA。

所述双路高速比较器为双路超高速比较器TLV3502，双路超高速比较器TLV3502包括两个比较器，所述比较器U8_A和比较器U8_B分别为双路超高速比较器TLV3502内的两个比较器。

根据脉冲信号上升时间的定义，取V_{ref_1}＝0.1V_m，V_{ref_2}＝0.9V_m，其中，V_m为已经测量得到的矩形脉冲信号的幅度，由控制芯片MSP430控制D/A转换器输出。脉冲信号Vin输入后，经过两路比较器，参考电压分别为电压信号Vref_1和电压信号Vref_2，电压信号Vref_1和电压信号Vref_2接入FPGA的上升时间测量模块。

所述功率放大器包括放大器U10、电阻R_G、电阻R_F和电阻R_L；放大器U10的负输入端通过电阻R_G连接地线，放大器U10的正输入端连接所述控制芯片FPGA，放大器U10的输入端与负输入端之间连接有电阻RF，放大器U10的输出端通过电阻RL连接地线。

本发明需要提供一个50Ω负载、幅度为5V的标准脉冲信号。FPGA输出的脉冲信号幅值只有3V左右，带负载能力不强，所以有必要加入一级功放电路，放大幅值，增强驱动能力。该电路为同相比例放大电路，增益为Gain＝1+(R_F/R_G)，负载电阻为R_L。

FPGA软件系统的设计主要分为六个模块：第一个模块是锁相环模块，通过对50MHz的晶振进行锁相倍频得到200MHz的时钟，为作为测量占空比和上升时间所需要的时钟；第二个模块是分频模块，通过对200MHz时钟分频得到1MHz，作为等精度测量频率所需的时钟；第三个模块是等精度测频模块，采用等精度测量法对脉冲信号Vin进行频率的测量；第四个模块是上升时间测量模块，对双路高速比较器电路送入的电压信号Vref_1和电压信号Vref_2进行异或运算处理，然后测量出高电平的时间即得到上升时间；第五个模块是占空比测量，通过FPGA分别测量出送入信号一个周期内高低电平的时间，送入控制芯片MSP430进行算法处理得到占空比；第六个模块是FPGA与控制芯片MSP430通信模块，存储前面三个测量模块的数据，同时用来和控制芯片MSP430完成通信，接收控制芯片MSP430的控制信号，选择控制芯片MSP430需要的数据进行传输。

控制芯片MSP430主要任务是接收FPGA的测量数据并且进行算法处理后送给液晶显示。首先，控制芯片MSP430需要完成FPGA、显示屏和片内ADC的初始化，然后进行功能选择：当按键1按下时，控制芯片MSP430接收FPGA传送的频率测量数据，处理后送给显示屏显示；当按键2按下时，控制芯片MSP430接收FPGA传送的占空比测量数据，处理后送给显示屏显示；当按键3按下时，控制芯片MSP430接收FPGA传送的上升时间测量数据，处理后送给显示屏显示；当按键4按下时，启动控制芯片MSP430片内ADC，AD转换得到的数据进行补偿后送给显示屏显示；如果复位键按下，则返回主界面显示，否则测量数据将在显示屏上实时显示。

待测脉冲信号Vin分三路送入后方测量模块，第一路用于测量脉冲信号的频率和占空比，第二路用于测量脉冲信号的幅度，第三路用于测量脉冲信号的上升时间。

第一路信号输入控制芯片FPGA，由控制芯片FPGA接收脉冲信号并且运用等精度测量法完成频率和占空比的测量，同时接收控制芯片MSP430发出的数据传送时序控制信号，配合控制芯片MSP430完成测量数据接收，最后由控制芯片MSP430控制显示屏将得到的频率数据和占空比数据显示。

第二路信号输入AD637有效值检波模块，将待测脉冲信号的有效值转换成直流电压信号，再输入后级信号调理电路，将直流电压信号衰减或放大至控制芯片MSP430内ADC可测电压范围内，ADC模块将模拟电压量转换为数字量送控制芯片MSP430，最后由控制芯片MSP430内部算法处理得到幅度数据送显示屏显示。

第三路信号输入双路高速比较器模块，在测得脉冲信号幅度值Vm的情况下，一路比较器的比较电压为0.1倍Vm，另一路比较器的比较电压为0.9倍Vm，输出的两路波形送入控制芯片FPGA进行相位比较，测量得到上升时间数据送控制芯片MSP430处理并显示。

本发明采用控制芯片FPGA产生一个额外的脉宽为100ns、频率为1MHz的标准矩形脉冲信号，然后经过高速电流反馈型放大器THS3001搭载的功率放大器放大至5V幅值，负载电阻为50Ω。

本发明所述的一种矩形脉冲信号参数测量仪，解决了对矩形脉冲信号的频率、幅度和上升时间的测量问题，本发明对矩形脉冲信号的频率、占空比、幅度以及上升时间等参数的测量精度高、范围广，为解决矩形脉冲信号频率过高、幅度过高以及上升时间测量的精确度不够等问题提供了解决方案；本发明提供了一个标准矩形脉冲信号发生器，输出频率、幅度、脉宽固定的标准矩形脉冲信号，用于仪器输出信号和自校准。

Claims (5)

1.一种矩形脉冲信号参数测量仪，其特征在于：包括显示屏、按键矩阵、控制芯片MSP430、控制芯片FPGA、调理电路、有效值检波电路、D/A电路、双路高速比较器和功率放大器，显示屏、按键矩阵、调理电路和D/A电路均与控制芯片MSP430连接，有效值检波电路与调理电路连接，双路高速比较器分别与D/A电路和控制芯片FPGA连接，控制芯片MSP430与控制芯片FPGA通信，功率放大器与控制芯片FPGA连接，待测量的脉冲信号Vin分别输入到有效值检波电路、控制芯片FPGA和双路高速比较器中；

调理电路包括继电器模块、放大器U5、放大器U6、放大器U7、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9，继电器模块设有控制端con1、控制端con2、公共端、第一输出端、第二输出端和第三输出端，所述控制端con1和所述控制端con2均与控制芯片MSP430电连接，所述公共端与脉冲信号Vin连接，所述公共端为调理电路的输入端；

放大器U5、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成了第一同相比例放大电路，第一同相比例放大电路的输入端连接所述第一输出端，放大器U6、放大器U7、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9组成了第一反相比例放大电路，第一反相比例放大电路的输入端与第三输出端连接，第一同相比例放大电路的输出端、第二输出端和第一反相比例放大电路的输出端均为调理电路的输出端；

调理电路的输出端与控制芯片MSP430的AD输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种矩形脉冲信号参数测量仪，其特征在于:所述有效值检波电路由直流转换器AD637及其外围电路构成，所述脉冲信号Vin输入到直流转换器AD637中，直流转换器AD637对脉冲信号Vin进行有效值检波后，通过直流转换器AD637的9脚输出直流电压信号Vout_TL，直流转换器AD637的9脚与所述调理电路的输入端连接。

3.如权利要求1所述的一种矩形脉冲信号参数测量仪，其特征在于:所述D/A电路包括D/A转换器TLC7528、放大器U1、放大器U2、放大器U3、放大器U4、电阻R21、电阻R22、电阻R23和电阻R24，D/A转换器TLC7528设有输入端、输出端OUTA、输出端OUTB、内部反馈电阻端REFA和内部反馈电阻端REFB，D/A转换器TLC7528的输入端与所述控制芯片MSP430连接；

放大器U1的负输入端连接输出端OUTA，放大器U1的正输入端连接地线，放大器U1的输出端连接内部反馈电阻端REFA，放大器U2、电阻R21和电阻R22构成了第一反相器，放大器U1的输出端输出的电压信号经过第一反相器的反相后输出电压信号Vref_1；

放大器U3的负输入端连接输出端OUTB，放大器U3的正输入端连接地线，放大器U3的输出端连接内部反馈电阻端REFB，放大器U4、电阻R23和电阻R24构成了第二反相器，放大器U3的输出端输出的电压信号经过第二反相器的反相后输出电压信号Vref_2；

电压信号Vref_1和电压信号Vref_2均输入到双路高速比较器中。

4.如权利要求3所述的一种矩形脉冲信号参数测量仪，其特征在于:所述双路高速比较器包括比较器U8_A和比较器U8_B，比较器U8_A的正输入端和比较器U8_B的正输入端均连接脉冲信号Vin，比较器U8_A的负输入端连接电压信号Vref_1；比较器U8_B的负输入端连接电压信号Vref_2；比较器U8_A的输出端和比较器U8_B的输出端均连接所述控制芯片FPGA。

5.如权利要求1所述的一种矩形脉冲信号参数测量仪，其特征在于:所述功率放大器包括放大器U10、电阻R_G、电阻R_F和电阻R_L；放大器U10的负输入端通过电阻R_G连接地线，放大器U10的正输入端连接所述控制芯片FPGA，放大器U10的输入端与负输入端之间连接有电阻R_F，放大器U10的输出端通过电阻R_L连接地线。