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2016年TI杯江苏省大学生电子设计竞赛脉冲信号参数测量仪（E）南京大学二○一六年七月二十八日参赛学校：南京大学参赛编号：NJ100参赛队员：张彪、李少创、韦媛馨摘要本作品基于对脉冲信号参数测量仪的设计，以Alter公司的CycloneFPGA为控制核心，TI公司的单片机MSP430F5529为从机，由信号前置处理模块、双比较器比较模块、单片机采样输出与显示模块等组成，具有宽输入范围和精确度相对高的特点。前级用电阻分压网路将信号进行固定3倍衰减，一路信号直接供单片机采样。得到幅值参数，另一路信号经过由单片机控制的VCA810程控放大、OPA847固定7倍增益放大，可以在确保保护VCA810和不影响脉冲信号特性的情况下将任意0.1~10V幅值输入的脉冲信号统一调整到幅值3V，进而可以输给FPGA进行下一步的处理，得到频率、幅值和上升时间等参数。最后用FPGA和THS3001芯片搭建标准脉冲信号发生器。同时，系统具有绘制低频波形的能力。经测量，本系统全部完成了基本要求，并完成了部分发挥功能。关键字：脉冲信号、AD采样、DA控制、FPGAAbstractThisworkisbasedonthepulsesignalparametersmeasuringinstrumentdesignedtoAlter'sCycloneFPGAtocontrolthecore,TI'sMSP430F5529microcontrollerasaslavebythesignalpre-processingmodule,adualcomparatorcomparisonmodule,themicrocontrollersampleoutputanddisplaymoduleetc.,havingawideinputrangeandaccuracyrelativelyhigh.Pre-resistorvoltagedividernetworksignalattenuationfixedthreetimes,allthewaytothedirectsignalmicrocontrollerforsampling.Obtainedamplitudeparameters,theotherwaythroughVCA810signalamplifiedbytheprogrammablemicroprocessorcontrolled,OPA8477fixedgainofamplification,canensuretheprotectionofanyofthe0.1~10VamplitudeoftheinputpulsesignalunityunderVCA810andwithoutaffectingthecharacteristicsofthepulsesignaltoadjusttheamplitudeof3V,inturn,canbelostFPGAfurtherprocessingtoobtainthefrequency,amplitudeandrisetimeandotherparameters.FinallyFPGAchipTHS3001andbuildastandardpulsesignalgenerator.Atthesametime,thesystemhastheabilitytodrawthelow-frequencywave.Aftermeasuring,thesystemcompletedthebasicrequirements,andcompletedsomefunction.Keywords:Pulsesignal,ADsampling,DMAcontrol,FPGA一、设计方案工作原理1、信号前级采集整形方案分析：由于输入信号幅值范围为0.1~10V，动态范围很大，既不能直接输给单片机采样，也不能直接输给FPGA进行特性分析，所以必须在信号前级加入采集处理装置，将波形整形到FPGA和单片机可以处理的幅值范围，又不能影响上升时间、占空比等参数，这是一个题目难点。方案一：统一将输入信号衰减10倍，送入TLV3501比较器进行波形整形，此时输出信号幅值为TTL电平，约为3V，可以输给单片机和FPGA。然后再经过非门数字电路消除边沿抖动，最后将信号输入FPGA进行分析测量。方案二：将信号先衰减3倍，再经过压控增益放大器VCA810，最后经过末级OPA847固定增益放大统一将信号整形成3V输出。此方案虽然经过3次放大衰减，VCA810的增益控制范围为-40~+40dB，增益计算公式为：AV/V=10^2(Vc+1)而且其带宽可达35M。固定增益放大器OPA847带宽增益积高达3.9G，输入噪声低至0.85nV/sqrHz,完全满足题目的2M带宽、低噪声要求。方案一在原理上可行，思路简单。但是输入信号在衰减后直接经过比较器时候能否触发翻转未知，非门的延迟时间会影响信号的上升时间。方案二带宽和增益足以满足要求，而且不影响信号的上升时间和占空比等参数。因此选择方案二。2、幅度测量方案方案一：先经过峰值检波电路，然后将检测值采用AD芯片ADS1118进行模数转换，然后再输出给单片机处理。方案二：信号分为两路，一路进行3倍衰减直接输给单片机，另一路先3倍衰减后再经过10倍增益放大输给单片机（有3.3V限幅电路，保护单片机）。使用单片机内部集成的转化速度为1M、精度为12位的高速AD进行采样，连续采样3200次，经过软件识别、处理得到一个稳定精确的幅值。方案一虽然电路简单，可是峰值检波在10Hz到2M宽频率范围、10%到90%占空比可变、0.1到10V的幅值范围内很难精确测量到信号的幅值，后续即便使用16位高精度ADS1118，也难以弥补其误差。方案二将信号分为大小两路，大信号先衰减在采样，小信号衰减后再放大后采样，即便在输入信号如此大的可变范围内仍可以精确地得到其幅值，而且保护单片机，因此选择方案二。2、频率测量方案方案一：频率测量，示意图如下：方案二：周期测量法，示意图如下：方案三：多周期同步测量法，示意图如下:由于多周期测量法测量精度高，且与被测频率的大小无关，实现了“等频率”测量，所以本方案采取这种测量方法。4、上升时间测量方案分析：信号上升时间的计算方法定义为：因此我们的重点就放在检测信号0.9倍幅值和0.1倍幅值的时间差上。方案如下：将信号经过两路由高速比较器TLV3501制作的比较器，触发阈值电压分别为0.1倍和0.9倍信号的幅值，再将触发后产生的方波送入FPGA进行相位比较，以0.1倍信号幅值触发产生的信号为基准，测量与0.9倍信号幅值的时间差，就可以计算出上升时间。TLV3501可以做到4.5ns的超高速比较，完全满足题目最高频率2MHz的要求。5、占空比测量方案方案一：采用单周期测量法，单周期测量时，计数值为2±1，计数误差为2×10的-1次方（20%）.误差比较大。方案二：采用多周期测量法，多周期测量时，由于被测频率为2MHz（N=2×10-6），则由±1字误差引起的测量误差将降低位1.414×10的3次方倍，使总的误差约为0.001，达到了题目0.02的要求。根据上述分析，本方案采用多周期测量法。6、标准脉冲信号输出方案：方案一：使用FPGA内部50M晶振分频，产生标准占空比为10%的10MHz方0.90.1t=t-t上升倍幅值倍幅值波，幅值为1.98V，然后经过高速电流反馈型放大器THS3001搭载的功率放大器2.53倍增益放大至5V，可负载50Ω阻抗。方案二：使用文氏桥振荡器产生10MHz正弦波，然后经过高速比较器TLV3501双门限电压迟滞比较，双门限电平分别为0.1和0.9倍正弦波幅值，产生10M占空比为10%的方波，其幅值约为3V的TTL电平，最后经过THS3001功率放大器将电平抬高至50Ω负载5V输出。方案一由有源晶振输出方波直接放大，而且可以由FPGA直接控制其频率、占空比等特性，一般的有源晶振频率稳定性高达10的-4次方，晶振温漂低，方案简单可靠性高。方案二用分立元件搭载振荡器，经比较器输出方波，最后经过末级放大，其电阻热噪声和温飘会强烈干扰频率准确度，电路复杂度高，而且稳定性低。因此我们采用第一种方案。6、系统总体方案本系统由信号前置处理整形电路、比较器比较翻转电路、单片机AD检测、DA输出电路、FPGA处理电路四大部分组成。其中FPGA控制电路为核心，单片机为从机，前置整形电路为信道核心，比较器为测量信号上升时间的核心电路。单片机采用内部集成的AD、DA芯片用来检测幅值和输出控制电平，整体电路采用低噪声、宽带宽运放和比较器，电源处进行合理的去耦；一点接地、一点接电源，保证了电源对信道的影响最小。级间合理进行阻抗匹配，使得信号高度保真传输。系统的整体方案框图如下：信号输入固定3倍VCA821衰减程控放大图1.1系统框图7倍opa847固定增益双路TLV3501比较器FPGATHS3001功放输出标准脉冲opa84710倍增益输出占空比、频率、上升时间单片机AD检测、DA输出输出幅值二、核心部件电路设计（电路图见附件）1、前置信道采集与整形电路信号先经过一路衰减网络衰减为1/3倍，然后经过程控增益放大器VCA810，VCA810的增益电压Vc由单片机输出，信号在经过末级opa847固定增益放大6倍，最后输出3V峰值的信号。2、双路比较器电路：由信号前置采集处理电路输出的信号经过两个TLV3501比较器，触发电平分别为0.1和0.9倍输入信号电压幅值。两路比较后的方波输入FPGA后可以比较相位和触发时间关系，进而计算出上升时间。2、标准脉冲发生器功放电路：根据要求，需要提供一个50Ω负载峰值为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。我们使用高速电流反馈运放THS3001搭载功放，经测试，能有效地将FPGA输出的信号转化成题目要求的标准脉冲。三、系统软件设计分析软件系统以FPGA为控制核心，通过与两路单片机通信控制，可以有效通过DA、AD控制、检测电路。以下是程序框图：四、竞赛工作环境条件室温环境：25摄氏度所使用仪器平台：直流稳压电源：INSTEKGPD-3303D万用表：FLUKE8808A5位半安捷伦500M示波器DDS任意波形发生信号源配套加工安装条件：钻孔机、板材切割机五、作品成效总结分析5.1、系统实测指标：5.1.1、幅值测量指标5.1.1.1:占空比50%频率100Hz1.5KHz30kHz900kHz2MHz幅值300mV500mV900mV1.5V8V实测值301mV498mV903mV1.51V7.94V误差值0.33%0.4%0.33%0.67%0.75%5.1.1.2:频率为1M占空比10%30%50%70%90%幅值300mV500mV900mV1.5V8V实测值303mV504mV908mV1.47V8.04V误差值1%0.8%0.88%0.2%0.5%综合以上两幅表格，可以看出在频率、占空比可变的情况下，幅值的测量误差都在2%以内，满足题目要求。5.1.2：占空比测量5.1.2.1：频率为1M幅值100mV500mV900mV1.4V10V占空比10%30%50%70%90%实测值9.9%29.8%49.9%69.8%89.9%误差值1%0.97%0.2%0.29%0.11%5.1.2.2:幅值为1V频率100Hz1.5KHz30kHz900kHz2MHz占空比10%30%50%70%90%实测值9.9%29.9%49.8%69.9%89.9%误差值1%0.33%0.4%0.14%0.11%综合以上两幅表格，可以看出在频率、幅值比可变的情况下，占空比的测量误差都在2%以内，满足题目要求。5.1.3：频率测量5.1.3.1：占空比为50%幅值100mV500mV900mV1.4V10V频率100Hz1.5KHz30kHz900kHz2MHz实测值99.98Hz1.49kHz29.98kHz