论文总字数：17103字

目 录

1 绪论 1

1.1 脉冲参数测量的意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容 3

2 脉冲参数测量仪方案设计 3

2.1 主控制器方案选择 4

2.2 输入信号放大电路 4

2.3 过零比较电路 5

2.4 频率测量方案的选择 5

3 脉冲参数测量仪硬件设计 5

3.1 系统整体方案的设计 5

3.2 自动增益控制电路 6

3.3 单片机最小系统 7

3.4 电源模块 8

3.5 按键模块 9

3.6 液晶显示模块 9

3.7 高速比较电路 10

3.8 CPLD电路 10

3.8.1频率测量模块 11

3.8.2上升时间测量模块 12

3.8.3占空比测量模块 12

3.9 峰值测量电路 12

4 脉冲参数测量仪软件设计 13

4.1 CPLD软件设计原理 14

4.2 单片机模块软件实现 14

4.2.1 单片机初始化 14

4.2.2 CPLD数据处理 14

4.2.3 按键处理 15

4.2.4 LCD显示 15

4.2.5 CPLD与单片机的通信程序设计 15

5 脉冲参数测量仪调试 16

5.1 调试方案 16

5.2 测试结果及分析 18

5.2.1 频率测试 18

5.2.2 占空比测试 19

5.2.3 电压幅值测试 19

5.2.4 上升时间测试 19

6 总结 20

参考文献: 20

致谢 22

附录1：实物图 23

脉冲参数测量仪的设计

赵天伟

,

Abstract：The pulse signal parameter measuring instrument is a device for measuring parameters such as pulse peak, frequency, and duty cycle. The measurement error of some pulse parameter measuring instruments is greatly affected by the input signal, and there is a higher requirement for the amplitude and frequency range of the signal. Based on the principle of equal-precision measurement, this paper proposes a single-chip microcomputer as the main controller to realize data processing and human-computer interaction functions. In combination with the characteristics of CPLD suitable for processing sequential circuits, a high-precision pulse signal parameter measuring instrument is designed. Using automatic gain control (AGC) circuit for signal conditioning, to adapt to different input signals, and then converted to a standard pulse signal through broadband amplification, high-speed comparison circuit, the CPLD gate, counter, communication interface and other physical circuits for other precision measurements. Experimental results show that the absolute value of the relative error in the frequency measurement range from 1Hz to 2MHz is not more than 10-4, the peak value of the input signal is 0.1-5V, the measurement error is 2%, and the duty ratio measurement range is 10%-90%. Measurement error 2%.

Keywords: pulse technology; single chip microcomputer; CPLD; parameter measurement

绪论

脉冲参数测量的意义

脉冲从其字面上理解，就是脉搏跳动产生的冲击波，现阶段基于脉冲的应用将脉冲定义为像心电图跳动的波形那样的电信号，该电信号可以是电压信号，也可以是电流信号，该电信号能够在瞬间突变，因此对应的作用时间也就非常的短，脉冲可以是周期性规律呈现的，也可以是非周期规律呈现的，可以是单次作用的，也可以是多次循环作用的。目前对于脉冲的应用都是应用其瞬间突变的特性来进行的。

对于脉冲参数的分析就是对整个脉冲规律和脉冲图形进行的分析，主要包括脉冲的幅度、脉冲的宽度、上升的时间、下降的时间、对应的周期数及其波动频率、脉冲的占空比等参数，本文给出脉冲部分参数的定义如下。

1）脉冲的幅值

脉冲的幅值又称为脉冲的幅度，与我们平时所指的幅值一样，即脉冲的最大值与最小值之间的差值。图1.1中的A即为所指的脉冲幅度。

2）脉冲的宽度

脉冲的宽度并不是距离上的宽度，而是指的是整个脉冲在上升沿和下降沿的过程中幅值在均值处的两点之间的时间的间隔，是一个时间单位的参数。图1.2中的即为脉冲的宽度。

图1.1 脉冲宽度和幅度定义图

3）脉冲的上升和下降时间

为了更准确的表示脉冲的上升和下降过程，脉冲的上升和下降的时间并不是想象中的脉冲在两个极值之间变化的时间，而且以10%和90%为分界线提取的时间值，即上升时间就是脉冲上升的过程中从脉冲幅值的10%-90%的过程中所经历的时间称为脉冲的上升时间，同理脉冲的下降时间即为脉冲从幅值的90%-10%所经历的时间。

4）脉冲频率

脉冲分为周期脉冲和非周期式的脉冲，只有周期性变化的脉冲才会存在脉冲周期和脉冲频率，脉冲的周期指的就是成周期变化的脉冲，其两个相邻的脉冲之间的固定存在或者呈特定规律变化的时间间隔。频率即为周期的倒数，指的就是单位时间内，周期频率出现的次数，因为频率和周期之间的反比关系，通常频率和周期两者测量其一即可。

5）脉冲占空比

脉冲的瞬间突变特性就存在脉冲值的突变，利用脉冲值的突变可以进行对应的实际应用，那么，在脉冲周期变化的过程中，脉冲的占空比指的是脉冲在一个周期内，高电平在该周期中所占的比例，例如汽车上普遍使用的霍尔传感器，就是利用占空比来进行信号的控制的。通过不同的信号输出不同的电信号来进行对应的控制和处理。

脉冲的参数包含了脉冲的具体特性，合理、准确的对脉冲参数的测量，掌握脉冲的规律对于医疗、军事、通信等领域的发展具有重大意义，在现实生活中具有很高的应用价值。传统的对于脉冲参数的测量是通过示波器的方式来进行的，通过这种方式的测量在脉冲的精度方面存在非常大的误差；后来，随着技术进一步的发展，频谱测量仪的产生大大提高了参数测量的精度，但频谱测量速度相对缓慢，对于信号的实时性要求无法达到，也不能够在第一时间内快速的跟踪到信号的变化。信号参数测量的诞生则解决了实时性的问题，能够在短时间内迅速的捕捉到信号的相应变化。但传统的参数测量仪大多靠单片机来实现，其虽然在价格上比较便宜，但对于信号的精度处理已经跟不上社会的需求。在技术不断更新发展的背景下，人们对信号的处理要求也越来越高，因此，更高精度脉冲参数测量仪的发展势在必行。本文则在这样的大背景下，提出了一种基于CPLD和单片机混合型的脉冲参数测量仪，对于脉冲参数测量的发展具有重要意义。

国内外研究现状

传统的脉冲参数测量方法是人们利用示波器测量脉冲信号，此时所测得的脉冲信号是模拟信号。示波器的垂直通道是一个有限带宽的并以荧光屏作为输出端口的线性二端口网络，重现高速信号能力有限。用示波器测量脉冲参数又因为示波器本身的瞬态特性需要用精确已知参量的脉冲信号作为一个标准进行比较。这一问题限制了示波器的测量速度，只能在一定条件下测量较慢上升时间的脉冲信号，而测量高速信号时，对示波器的要求太高，通常很难达到。

计算机技术和信息技术的快速发展，使得数字信号处理发展成为一门重要的技术学科。DSP芯片的出现给数字信号处理算法的实现提供了可能，但是，DSP在实时性要求比较高时，其处理速度很难达到。可编程逻辑器件CPLD的出现，又为数字信号处理带来了新的机遇。CPLD具有通用的特点和并行运算的特点，故将其作为单独的数字信号处理器和做为DSP芯片的协处理器都是目前比较热门的研究领域。CPLD是复杂可编程逻辑，是从PAL和GAL的基础上发展而来的器件，20世纪80年代时被提出，其具有规模庞大、结构复杂的特点，对于用户的需求具有可操作性，即用户可以根据自身的需求，对数字逻辑电路进行设计，广泛用于汽车电子、导航、机床控制等多个领域。

可编程逻辑器件被广泛的应用于电子设计技术领域，极大的降低了数字系统设计的成本和周期。CPLD能够通过软件编程对硬件结构和工作方式进行操作，极大的简化了硬件设计的过程。CPLD的出现为数字设计方法带来了一个全新的设计方法和设计过程，甚至是一个新的设计理念。在CPLD出现之前，数字系统设计的工作人员通过编程改变逻辑功能的途径只有两种，一个是微处理器的软件编程，例如单片机；另一种是对特定器件的控制字进行配置。在传统设计中，确定了设备引脚功能的硬件模式之后。设计师不能随意改变。设计者的空间只能在设备功能的选择和电路布局的布置上进行操作，通过设计电路板可以实现相应的系统功能。设计者需要耗费大量的时间和精力去选择元件和对系统结构的可行性进行定位。而可编程逻辑器件的出现，使得设计者可以利用计算机软件对目标器件进行设计，然后以硬件的方式实现想要的系统功能，设计者可以根据自己的实际需求在设计过程中，改变器件的内部逻辑以及管脚的信号方式。大规模集成的可编程逻辑器件以及与其相配的设计软件的出现改变了电子设计领域。

CPLD最明显的特点是集成度高、速度快、可靠性高，时钟延迟达到纳秒级。它与并行工作模式相结合，可广泛应用于超高速、实时测控领域。合理的设计使得CPLD在高可靠领域也比MCU和PC等具有更大的优势，不会出现MCU的复位不可靠和PC可能跑飞的现象。其可靠性还表现在，可以将整个系统下载进同一片芯片中，实现片上系统，方便管理和屏蔽。

本文研究内容

本设计主要包括对占空比、频率、电压和上升时间等参数的测量。通过按键来进行测量模式的选择，按键告诉单片机该状态下是要对某一参数进行测量，单片机将控制信号发送给CPLD，CPLD对给定脉冲信号进行处理。脉冲信号经过前级放大电路模块，进行了自动增益控制的处理后，经过增益控制后的信号能够保持在一定的范围内，之后进行过零比较，将从前级输出端收到的信号经过过零比较转换成CPLD能够处理的信号，而后通过CPLD对信号数据进行计数和脉冲信号解读，将解读的数据发送给单片机，通过单片机对CPLD输出端的数据进行对应的浮点运算的处理，最终通过显示部分将信号显示出来。

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