2022年医学专题—脉冲信号参数测试仪.pptx

2012年广西区大学生电子设计竞赛(jngsi)第一阶段,比赛题目(tm)讲解,黄 新2012.05.12,第一页，共五十六页。,脉冲信号(xnho)参数测试仪,一、任务设计制作一个脉冲(michng)信号测试仪，可以测量脉冲(michng)信号的幅值、频率、周期、占空比、上升和下降时间等参数。,2,第二页，共五十六页。,3,第三页，共五十六页。,二、要求(yoqi),1.基本功能（1）脉冲信号幅值范围为：0.2VP5VP，测量精度2%；（2）脉冲信号频率(pnl)范围为：1Hz100KHz；频率测量精度0.1%，周期测量精度0.1%（3）占空比测量范围为：1090，测量误差10；（4）比较电平设置范围：0.2V5V，步进小于0.2V；（5）上升时间和下降时间测量范围为1us1ms，测量误差1us；,4,第四页，共五十六页。,2.发挥(fhu)部分,（1）脉冲信号频率(pnl)范围为：1Hz500KHz；频率测量精度0.01%，周期测量精度0.01%；（2）占空比测量范围为：595，测量误差5；（3）上升时间和下降时间测量范围为20ns1ms，测量误差20ns；（4）其它。,5,第五页，共五十六页。,三、脉冲信号参数测量(cling)原理,3.1脉冲(michng)参数（1）脉冲信号幅度Vm（2）脉冲信号频率f，周期T，脉冲宽度tw；（3）脉冲信号占空比q tw/T；（4）脉冲信号上升时间tr，下降时间tf。,6,第六页，共五十六页。,3.2脉冲幅度测量方法,3.2.1峰值检波法 输入脉冲信号为单极性信号，可利用峰值检波器检测输入脉冲信号的峰值，然后利用A/D测量峰值从而(cng r)得到脉冲信号的幅度，对脉冲波形该方法会造成幅度误差，对题目给定的单极性三角波，可直接将峰值作为脉冲幅度。,7,第七页，共五十六页。,3.2.2脉冲幅度比较法,预置比较电平(din pn)，当比较器输出低电平(din pn)时，说明脉冲信号幅度大于比较电平(din pn)，按一定步进增加比较电平(din pn)，直至比较器输出高电平(din pn)，此时比较电平(din pn)为脉冲信号的峰值。,8,第八页，共五十六页。,3.2.3 高速(o s)A/D采集,被测信号频率为1Hz500KHz，一个周期采集10个点，至少需要500KHz105MHz的采样率。（1）被测信号为脉冲信号在峰值点开始连续采集2M1个点，通过计算2M1个点的算术平均值获得(hud)被测脉冲信号的幅度顶值（即单极性信号的幅度值）（2）被测信号为三角波至少采集半个周期以上数据点，极大值与极小值的差即为三角波的幅度,9,第九页，共五十六页。,3.3脉宽及上升(shngshng)和下降时间测量原理,10,第十页，共五十六页。,3.4占空比测量(cling)原理,11,第十一页，共五十六页。,3.5 频率(pnl)测量原理,（1）直接测频根据频率的定义(dngy)，若某一信号在T秒时间内重复变化了N次，则该信号的频率,12,第十二页，共五十六页。,（2）直接(zhji)测周,13,第十三页，共五十六页。,（3）中界频率(pnl),14,fxfM采用(ciyng)测频fxfM采用测周,第十四页，共五十六页。,（4）测频测周方案(fng n),15,第十五页，共五十六页。,（5）等精度(jn d)测频法,16,第十六页，共五十六页。,四、系统(xtng)组成及原理,4.1峰值检波器,17,第十七页，共五十六页。,18,第十八页，共五十六页。,2）方法(fngf)2,19,第十九页，共五十六页。,4.2输入衰减(shui jin)电路,脉冲输入信号为单极性信号，0.2Vp5.0Vp，由于部分ADC转换器最大输入电压为2.5V/3.3V，部分比较器最大输入电压5.0V，最好(zu ho)再设计2倍的输入衰减电路。,20,第二十页，共五十六页。,4.3高速(o s)比较器,基本部分(b fen)：脉冲信号频率1Hz100KHz，最小周期为10us发挥部分：脉冲信号频率1Hz500KHz，最小周期为2us信号周期至少为比较器响应时间的2倍以上，因此比较器响应时间1us,21,第二十一页，共五十六页。,比较(bjio)器型号,LT1715 采用(ciyng)独立输入/输出电源的 4ns响应时间、150MHz 双通道比较器LM3932通道，1.3us延时LM3192通道，80ns响应时间ADI 模拟器件公司比较器产品选型指南,22,第二十二页，共五十六页。,4.4 ADC转换(zhunhun)电路,（1）ADC位数已知脉冲信号(xnho)为单极性0.2Vp5.0Vp，幅度测量精度2%；2%0.2Vp0.004V，5.0/0.004=1250212，A/D转换器位数12位（2）参考电压源应采用基准电压源,23,第二十三页，共五十六页。,（3）转换(zhunhun)速度,1）采用峰值检波方式：AD测量值为直流信号一般ADC均可满足要求；2）采用高速ADC采样方式：基本(jbn)部分：1Hz100KHzfs 10fimax 1000KHz发挥部分：1Hz500KHzfs 10 fimax 5MHz,24,第二十四页，共五十六页。,（4）ADC型号(xngho),ADC0809：60us（1MHz时钟(shzhng)）8位AD574：35us12位ADC0832：20us8位ADS7950：0.8us12位ADS802：0.1us12位并行接口ADS7883：3MSPS 12位 SPI接口,25,第二十五页，共五十六页。,4.5 比较(bjio)电平设置,比较器电平设置通过(tnggu)D/A转换器实现，电平范围为05.0V，共两个通道。（1）DAC位数 当输入被测脉冲幅度为0.2Vp时，最小比较电平为100.2Vp0.02V，则5/0.02=250，至少需要8位DAC。（2）DAC速度要求不高,26,第二十六页，共五十六页。,（3）主要(zhyo)DAC型号,TLV5626 8位1us2路DAC，SPI接口，电压(diny)输出DAC5574 8位8us4路DAC，I2C接口，电压输出LTC2631 8位3.2us1路DAC，I2C接口，电压输出AD5337 8位6us2路DAC，I2C接口，电压输出,27,第二十七页，共五十六页。,4.6 显示(xinsh)电路,该题目主要显示脉冲幅度，上升和下降时间，脉冲宽度，频率，周期，占空比等信息。采用(ciyng)字符型液晶显示即可。Arduino LCD1602：IIC接口SMC1602SA：3线接口LCD1602：并行接口12232F：12232 串并行接口12864：12864 串并行接口,28,第二十八页，共五十六页。,4.7 微处理器,（1）AT89S51,29,第二十九页，共五十六页。,（2）C8051F020,30,第三十页，共五十六页。,（3）MSP430G2553IPW20,31,第三十一页，共五十六页。,（4）STM32F103C8,32,第三十二页，共五十六页。,4.8基于(jy)AT89S51的系统结构,（1）系统结构,33,第三十三页，共五十六页。,（2）测试步骤,1）DAC2逐步逼近检测VM2）DAC2 10Vm，DAC1 90Vm3）定时器0内部定时，INT0作为闸门时间，测上升和下降时间，INT0中断时读数，通过检测P1.0和P3.5（T1）识别(shbi)上升和下降时间；计数器1外部计数，测频率f4）DAC2 50Vm，DAC1 100Vm，INT0对应时间为脉宽tw，INT1对应时间为周期T,34,第三十四页，共五十六页。,4.9基于MSP430G2553的测试(csh)结构,35,第三十五页，共五十六页。,1）MSP-EXP430G2开发板MSP430G2553单片机管脚为20，IO口16个；2）采用I2C接口或SPI接口的双路DAC；3）采用串行接口的液晶模块；4）在IO允许情况下可采用少量独立(dl)按键。,36,第三十六页，共五十六页。,4.10 基于(jy)FPGA的测试结构,37,第三十七页，共五十六页。,5 软件设计,5.1 显示模块（1）底层驱动解决液晶读写操作，时序(sh x)匹配，如果检测忙标志，尽量加入超时检测（2）初始化程序函数完成液晶的初始化设置,38,第三十八页，共五十六页。,（3）定点显示字符串函数用来在指定(zhdng)位置显示相关提示信息（4）定点显示十进制数函数便于调试中显示相关结果,39,第三十九页，共五十六页。,5.2 ADC驱动程序,（1）底层驱动ADC信号定义；利用单片机IO口实现ADC接口时序，ADC采集函数(hnsh)返回二进制采集结果；（2）应用程序1）定时采集函数利用定时中断方式实现采样，可方便修改采样频率。,40,第四十页，共五十六页。,2）脉冲幅度计算(j sun)采用高速采样的方式测量脉冲幅度，可采取算术平均值或滑动平均值方式进行处理。3）测量结果电压转换,41,第四十一页，共五十六页。,5.3DAC驱动程序,（1）底层驱动DAC信号定义；利用单片机IO口实现DAC接口时序，DAC输出函数；（2）应用程序1）电平设置函数入口(r ku)参数：上限和下限电平百分比，脉冲幅度。根据需要编写单独的上限和下限电平设置函数。2）峰值逼近函数入口参数：起始电压，终止电压，电压步进出口参数：脉冲峰值调用：比较器结果检测,42,第四十二页，共五十六页。,5.4 频率(pnl)测量,5.4.1测频法16位定时(dn sh)/计数器闸门T 1秒：频率范围：1Hz65.535KHz闸门T 0.1秒：频率范围：10Hz655.35KHz 闸门时间实现方式，定时中断或时基中断实现。,43,第四十三页，共五十六页。,5.4.2测周法,选择内部时钟作为定时/计数(j sh)器计数(j sh)脉冲，以被测信号2分频信号作为闸门，闸门的实现方式：AT89S51：闸门信号从INT0或INT1输入；C8051F，MSP430，STM32均可通过捕获寄存器实现，上升沿捕获读取计数器结果N1，下降沿捕获读取计数结果N2，最后计数结果NN2-N1。根据Tmax65535Tc，合理选择内部计数时钟，Tc越小，测量精度越高，但周期测量范围越小。,44,第四十四页，共五十六页。,5.4.3测频和测周法选择(xunz),（1）中界频率如AT89S51单片机，闸门时间(shjin)为0.1秒，内部计数脉冲1us，中界频率为3.16KHz（2）测量方法选择fx3.16KHz：测频,45,第四十五页，共五十六页。,5.4.4时间间隔(jin g)测量,（1）脉冲周期T基本部分：10us1s；发挥(fhu)部分：2us1s；（2）脉冲宽度tw基本部分：1090占空比，1us0.9s发挥部分：595占空比，0.1us0.95s（3）三角波上升时间tr和下降时间tft0.4T 基本部分：4us0.4s；发挥部分：0.8us0.4s；（4）占空比qqtw/T,46,第四十六页，共五十六页。,（5）时间(shjin)间隔测量方法,时间间隔的测量方法同周期测量法，根据测量结果选择时钟频率。1）AT89S51 Tmax655351us65.535ms，无法直接测65.535ms的时间间隔，可以(ky)利用一个8位计数变量TWH对溢出计数，即可扩展为24位计数结果，得到计数结果NTWH65536TH256TL,47,第四十七页，共五十六页。,2）MSP430G2553 系统时钟为16MHz，定时器时钟设置为SMCLK，SMCLK时钟源为XT2CLK，定时器时钟源为SMCLK，SMCLK分频(fn pn)DIVSx 可选择1，2，4，8，定时器输入分频IDx可选择1，2，4，8。选择DIVSx8，Idx8，则计数频率为0.25MHz，计数周期4us，最大时间间隔为262.14ms，为了测量更大的时间间隔，同样需要增加计数变量，以扩展计数器位数。,48,第四十八页，共五十六页。,49,第四十九页，共五十六页。,6 系统(xtng)