0 引言
目前在测量领域里,脉冲信号既可作为已知的激励信号,又可作为未知的被测信号。当作为未知的被测信号,对其参数(幅值、周期、频率、占空比)测试越显重要。以单片机为核心的脉冲信号参数测试仪和控制装置,小巧方便,便于携带,且易于扩展和技术更新,鉴于此,作者设计开发了基于单片机的信号参数测试仪。测试仪的主控器件采用Silicon Labs公司的一款C8051F340单片机,它具有强大的数据采集、存储、运算和控制功能。可通过按键操作测量信号的幅值、周期、频率和占空比等参数,并在YMl2864LCD液晶显示器上实时显示。本仪器具有操作简单、体积更小、便于携带和人机界面友好等特点。该仪器已用于某型军用飞机闪光盒信号检测,反馈良好,其稳定性、精确性均能满足要求。
1 硬件设计
1.1 测试仪组成框图
测试仪由单片机模块、显示模块、按键模块、电源模块和信号调理电路模块组成。单片机内部集成10位的A/D转换模块简化了硬件电路设计。脉冲信号通过信号调理模块,经单片机系统的A/D转换模块采集信号,单片机对采集到的数据进行处理,通过I/O口控制液晶模块显示测量结果。系统组成框图如图l所示。
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1.2 单片机的选用
2 软件设计
本测试仪的软件设计采用C51语言编程。系统程序由主程序、信号采集子程序、按键子程序、信号处理子程序、液晶显示程序和中断子程序等部分组成(程序流程图如图2所示)。C8051F340具有丰富的中断资源,外部中断和定时器溢出中断子程序可完成电压值、周期、频率和占空比的测量。
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2.1 频率的测量方法选择
频率或周期的采样是程序设计的核心,其精度会直接影响到本测试仪的精度。频率的测量可以利用单片机的计时和计数功能来实现。下面对频率的测量方法和测量误差做简要分析。
脉冲周期的测量误差主要受采样周期和采样次数的影响,由于单片机程序可以很方便地实现采样周期和采样次数的精确控制,因而可提高测试精度。脉冲周期的测量方法有定时计数和定数计时两种方法,本仪器采用定数计时方法,利用单片机的定时计数器中断即可实现。
1)定数计时法
定数计数法的设计思路是将T0设为定时器,T1设为计数器,设定T1的计数中断次数n并允许中断,T0将清零,同时启动T0和T1,等待T1中断。在T1的中断服务子程序中读出T0的计时值t,即可求出脉冲周期T。
采用定数计时法时,单片机计数误差dn=0,最大计时误差为一个机器周期,本系统采用了12MHz晶振,则单片机机器周期为1μs,故dtmax=lμs,可以得到T的相对误差为:
若要保证其相对误差不超过0.1%,即
则有:
上面式子表明,定时计数法适用于被测频率较低的场合。
2) 定时计数法
定时计数法的设计思路为将T0设为定时器,T1设为计数器,设定T0的定时中断时间t并允许中断,将T1清零,同时启动T0和T1,等待T0中断。在T0的中断服务子程序中读出的T1的计数值n,即可求出脉冲周期T。
采用定时计数法时,单片机计时误差t可忽略,故可认为dt=O,最大计数误差为一个脉冲,即dtmax=1,可以得到T的相对误差为:
3 实验测试
为使该仪器在某型军用飞机闪光盒信号检测中应用,我们模拟产生该闪光盒输出标准信号,其参数为:频率为1Hz,电压值为27V,占空比为50%。测试数据(如表1)显示,本仪器对闪光盒标准信号测量的频率误差率<1%,电压误差率
4 结束语
本测试仪采用以单片机为核心的模块化结构设计,具有硬件电路结构简单、容易实现和成本低等特点。其性能可靠、稳定性好,检测迅速准确,且体积小、重量轻、便于携带,适于外场检测使用。在某型军用飞机的闪光盒信号检测中应用,反馈良好,其稳定性、精确性均能满足闪光盒性能测试与校验要求。
关键字:单片机 脉冲信号 测试仪 定数计时
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