一款基于MSP430F5529的脉冲信号参数测试仪设计

张 树

（浙江理工大学科技与艺术学院 浙江 杭州 311121）

一款基于MSP430F5529的脉冲信号参数测试仪设计

张 树

（浙江理工大学科技与艺术学院 浙江 杭州 311121）

脉冲信号参数测试仪是在信号类常用的一种仪器，现在便携式的测量仪器普遍用的就是万用表，可以测量直流电压、电阻、电流、电容等等。本文就是用超低功耗的控制芯片MSP430F5529做为主控芯片测量信号幅度、频率、占空比、上升时间, 具有使用方便快捷，性能可靠，稳定性较好，检测迅速且体积小方便携带等特点。

MSP430F5529；脉冲信号参数；信号幅度；频率；占空比等

1.引言

脉冲信号参数测试仪可以测量峰峰值、有效值、频率、上升沿和下降沿时间，占空比等的仪器。这种功能比较齐全的仪器现在大多数都是比较大型的台式的，手提便携式的功能还没那么完善，便携式的比较少。本文设计了一款基于MSP430F5529的脉冲信号参数测试仪进行研究。

2.总体方案

2.1 基本功能

(1)脉冲信号幅值范围为：0.1VP～10VP，测量精度≤±2%；

(2)脉冲信号频率范围为：10Hz～2MHz；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：10%～90%，测量误差≤+2%；

(4)上升时间测量范围为50.0～999ns，测量误差≤+5%；

2.2 基本功能

先根据脉冲的幅值大小进行不同程度的放大。放大后，用单片机A/D进行多次采集，取最大值，得到信号幅值，将值通过单片机D/A输入比较器。比较器两端信号，正端为放大后的信号和负端分别为10%VP，50%VP，90%VP。利用单片机的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数，分别测得上升时间，下降时间，占空比，频率。编写相应的程序可以使单片机自动调节测量的量程，并把测出的频率、幅值、上升时间、下降时间送到显示电路显示。

2.3 发挥功能

利用单片机产生一个频率1MHz的矩形波，利用比较器输出脉宽为100ns，用缓冲器增加驱动能力。

3.方案论证

3.1 放大电路

放大电路主要作用是为了把题目幅值范围内，较小的被测信号，稳定在一定范围内，提高检测精度。我们对脉冲信号进行两级放大，第一级反向放大两倍，第二级反向放大根据脉冲信号峰峰值改变放大倍数，即 0.2VP～0.5VP，采用 7.5倍放大；0.5VP～2.5VP，采用 2倍放大；2.5VP～5VP，采用 1倍放大。由于题目要求被测信号频率为 1Hz～500KHz，因此应采用高速运放芯片4062。

3.2 峰值检测

利用峰值检波器检测输入脉冲信号的峰值，然后利用A/D测量峰值从而得到脉冲信号的幅度。我们选择典型的峰值检波电路实现，这样实行的方案对A/D芯片的高速要求不高，也没有像方案2对比较器的要求那么高。

3.3 比较电路

基本部分：脉冲信号频率1Hz～100KHz，最小周期为10us。发挥部分：脉冲信号频率1Hz～500KHz，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。LM339四通道，1.3us延时，基本符合要求。

3.4 显示电路

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。我们选择采用IIC控制的，OLED显示屏, 12864液晶模块，可以清楚条理显示各种信息。

3.5 单片机选择

Msp430f5529单片机配置集成的USB层和物理层支持USB 2.0,四个16位定时器,一个高性能的12位模拟数字转换器(ADC),两个通用串行通信接口(USCI),硬件乘法器、DMA、实时时钟模块与报警功能,和63 I / O口线。

4.各模块电路分析

4.1 放大电路

一级反向放大电路，放大倍数为R16/R17=2倍，由于题目要求电压0.2v～5v，因此应采用±12V双电源供电；经二级反向放大电路，恢复正向电压，放大倍数通过数据4选1数据选择器CD4052，分别选择放大倍数R12/R21=7.5倍，R12/R21=2倍，R12/R21=1倍。首先，将放大倍数，由后面的峰值检测电路反馈，经单片机选择调整适当的放大倍数。即最终结果为0.2VP～0.5VP，采用15倍放大；0.5VP～2.5VP，采用4倍放大；2.5VP～5VP，采用2倍放大。

4.2 峰值检波电路

当放大器U2正输入端电压上升时，U2输出使D31导通，D1截止，放大器U2的反馈回路断开，电容C1开始充电；当U2正输入端电压下降时，D31截止，C1放电。当输入脉冲信号改变时，控制单片机控制PC7使电容放电。U3输出端接电阻分压，输入单片机进行AD采样。

4.3 比较电路

比较器采用非反向施密特触发器接法，正端输入经二极放大得到的脉冲信号，负端输入峰峰值检测电路经分压后的电压值，分别为90%、50%、10%，当正端电压比负端高时输出高电平，反之低电平。输出需接上拉电阻。

4.5 调试步骤

检查电路，排除虚焊、漏焊错误。

加入适当信号，检查一级放大倍数是否两倍正确放大，再检查二级放大倍数是否正确。由于选择器内部电阻影响，此处二级放大电阻需稍微调整。

检测峰峰值电路输出是否正确，并检测分压进入单片机的电压是否是峰峰值的1/4。

检测经电压跟随器后的电压，是否正确，并检查10%Vpp、50%Vpp、90%Vpp是否正确分压。

检查比较器输出波形是否正确。若有明显不规则毛刺，可选择适当加入小迟滞模块。

5.实验测试

5.1 实际结果测量：

实际输入 实际输出频率（Hz）幅值（V）占空比（%）频率（Hz）幅值（V）占空比（%）10 1 30 9.735 1.037 29.20 500 3 50 499.683 3.052 49.82 1000 5 80 998.879 5.124 78.23

5.2 分析

这是在程序未加补偿下，所得的数据离要求误差有所出入。在经过拟合后基本达到要求。但在占空比高频无法检测，成品的上升时间也无法检测。

6.结论

通过本文所述开发过程以及实测数据可见，基于MSP430F5529的脉冲信号参数测试仪具有使用方便快捷，性能可靠，稳定性较好，检测迅速且体积小方便携带等特点，除此之外，其电路结构简单，成本低，极其适用于外场检测使用。应用于工程中，可以及时读取脉冲信号的各项参数，从而使分析更加快捷简便。

[1]吴云靖,董恩生,庞宇,徐勇超.基于单片机的便携式脉冲信号参数测试仪.国外电子测量技术,2009(12):47-50

[2]杜冬,尹学峰,吉小军.基于FPGA的脉冲信号发生/测试仪一体化设计[J].电子测量技术,2015(01):64-68

[3]才滢,永杰.精度无间隙时频测技术的研究[J].电子测量与仪器学报，2009,23(1):70-75.