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1、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 Cyclone FPGA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
2、 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 0.110V 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、FPGAAbstractThis work is based on the pulse signal parameters measuring instrument designed to A
3、lters Cyclone FPGA to control the core, TIs MSP430F5529 microcontroller as a slave by the signal pre-processing module, a dual comparator comparison module, the microcontroller sample output and display module etc., having a wide input range and accuracy relatively high. Pre-resistor voltage divider
4、 network signal attenuation fixed three times, all the way to the direct signal microcontroller for sampling. Obtained amplitude parameters, the other way through VCA810 signal amplified by the programmable microprocessor controlled, OPA847 7 fixed gain of amplification, can ensure the protection of
5、 any of the 0.1 10V amplitude of the input pulse signal unity under VCA810 and without affecting the characteristics of the pulse signal to adjust the amplitude of 3V, in turn, can be lost FPGA further processing to obtain the frequency, amplitude and rise time and other parameters. Finally FPGA chi
6、p THS3001 and build a standard pulse signal generator. At the same time, the system has the ability to draw the low-frequency wave. After measuring, the system completed the basic requirements, and completed some function.Keywords:Pulse signal, AD sampling, DMA control, FPGA一、 设计方案工作原理1、信号前级采集整形方案分析
7、：由于输入信号幅值范围为 0.110V，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
8、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=102(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 ADS1
9、118 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
10、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
11、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 21，计数误差为210 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=210-6），则由1 字误差引起的测量误差将降低位 1.41410 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
12、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 50 阻抗。0.90.1t=t-t上 升 倍 幅 值 倍 幅 值方案二：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 50
13、 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
14、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7 倍opa847 固定增益双路TLV3501比较器FPGAopa84710 倍增益 单片机AD 检测、DA 输出 图 1.1 系统框图2、 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
15、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 50 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
16、的信号转化成题目要求的标准脉冲。THS3001功放输出标准脉冲输出占空比、频率、上升时间输出幅值3、 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：INSTEK GPD-3303D万用表：FLUKE 8808A 5 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5、 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 100Hz 1.5KHz 30kHz 900kHz 2MHz幅值 300mV 500mV 900mV 1.5V 8V实测值 301mV 498mV 903mV 1.51V 7.94V误差值 0.33% 0.4
