一种低成本便携式脉冲幅度测量装置

1、一种低成本便携式脉冲幅度测量装置引信电子机芯点火信号、磁后坐发电机电源信号等脉冲信号的幅度测量，是引信测试系统中一项重要功能。传统的脉冲幅度测量方法有多种，如：示波器测量法、脉冲幅度比较仪法、取样数字多用表法、直流电压补偿法、高速数据采集卡测量法等等，可以根据被测脉冲信号的带宽、测量精度等选择不同的测量方法，但上述方法均需借助于示波器、高速数字多用表、高速数据采集卡等外部设备完成信号测量，造成引信测试系统体积庞大、不便于携带、购置成本过高。针对上述问题，设计了一种低成本便携式脉冲幅度测量装置。1 脉冲幅度的传统测量方法传统的脉冲幅度测量方法有：示波器测量法、脉冲幅度比较仪法、取样数字多用表法、

2、直流电压补偿法、高速数据采集卡测量法等，各种测量方法的测量范围、测量精度、所需要的设备及成本见表1。传统脉冲幅度测量方法的测量范围和测量精度各不相同，其中脉冲幅度比较仪法、取样数字多用表法和高速数据采集卡测量法可满足引信电子机芯点火信号、磁后坐发电机电源信号等脉冲信号的幅度测量要求，但需要在引信测试系统以外，配备示波器、高速数字多用表、高速数据采集卡等外部测量设备，测试时需要人工或通过计算机进行参数设置并读取数据，操作复杂，自动化程度低，而且系统体积庞大、不便于携带、购置成本高。2 低成本便携式脉冲幅度测量装置随着电子技术的快速发展，电子器件的价格越来越低，但功能得到了飞速发展，传统的脉冲幅度

3、测量方法中使用的示波器、高速数字多用表、高速数据采集卡等外部设备完全可以被新的低成本的便携式测量装置替代。低成本便携式脉冲幅度测量装置采用嵌入式设计，力求从芯片级实现各项测量功能，为了降低测量装置的开发成本，选用混合信号微控制器作为系统控制核心，该控制器集成有ADC、DAC、存储器、计时器等多种功能，但价格才不到100元。由于引信电子机芯点火和磁后坐发电机电源等脉冲信号的幅度测量，对测量分辨率和转换速率要求较高，因此利用外部峰值检测电路对被测信号进行采样保持，将脉冲信号转换为直流信号供系统采集，降低了对系统转换速率的要求，并将采集结果运用过采样和求平均值技术以提高测量分辨率。引信电子机芯点火和

4、磁后坐发电机电源等脉冲信号的最大幅度约为5V180V左右，产品指标要求的输出信号精度为2%因此，设计低成本便携式脉冲幅度测量装置的测量范围为2V-200V,测量精度为0.1%。2.1 硬件构成及测量原理低成本便携式脉冲幅度测量装置无需进行参数设置，即可自动完成脉冲信号的幅度测量，并显示测量结果。主要由混合信号微控制器、信号调理电路、峰值检测电路，按键和显示模块组成。其原理框图见图1所示。被测脉冲信号首先送入信号调理电路进行处理，因为微控制器内置ADC勺采样量程为02.4V,而被测脉冲信号的最大峰值为200V,必须通过信号调理电路进行衰减才能送入AD睬集，信号调理电路由运算放大器实现，结构简单，

5、价格低。本系统中对信号衰减100倍。经过衰减的信号送入峰值检测电路，峰值检测电路实时捕捉脉冲信号的幅度峰值点，并将峰值电压保存下来供ADC进行采集。峰值检测电路由采样保持器LF398、比较器LM311以及外部分立元件组成，其原理图见图2所示。LF398的输出电压Vout与输入电压Vin通过比较器LM311进行比较，当输入电压Vin高于输出电压Vout时，LF398的逻辑控制端被置成高电平，使LF398处于采样状态。当输入电压Vin达到峰值Vlp而下降时，LF398的逻辑控制端被置成低电平，使LF398处于保持状态。从而，实现了对“峰”值的保存。混合信号微控制器是整个测量装置的核心部分，负责完成

6、系统的初始化、信号采集、数据处理等工作。为了保证信号处理的实时性，选用C8051F120型单片混合信号微控制器，该芯片运行速度最高可达100MIP&具有12位，最大转换速率100ksps的内部集成ADC，拥有8k字节的内部RAM，可用来存储过采样数据。测量装置工作时，微控制器初始化完毕后处于等待状态，峰值检测电路一直处于采样状态，当输入脉冲信号的峰值到来后，采样保持器将信号峰值保存下来，同时利用比较器输出的保持信号作为触发信号给微控制器，微控制器利用内置ADCW始对峰值检测电路输出信号按照预定的过采样比进行采集，对采集到的数据进行相应的运算处理后，即可得到输入脉冲信号的幅度。测量系统的

7、工作流程见图3所示。2.2 过采样比的确定为了满足脉冲幅度测量装置测量精度的要求，根据式1可计算出所需要的AD分辨率。 1）其中，N是ADC勺位数。经计算可知当N>15时，系统测量精度可满足要求，因此确定所需的AD分辨率为16位。微控制器内置ADC的分辨率为12位，为了得到16位的测量分辨率，需要增加4位分辨率，根据过采样法提高AD分辨率的原理，每增加一位分辨率，需要以4倍的采样频率进行过采样： 2） 2）其中，w是希望增加的分辨率位数，fs是初始采样频率要求，fos是过采样频率。从式2可知如需增加4位分辨率，共需进行256次过采样，将256次的采样结果进行累加求和，然后将总和除以16（

8、这个过程通常称为抽取），可得到具有16位有效数据位的测量结果。由以上设计可以看出，低成本便携式脉冲幅度测量装置，自带独立的显示模块和按键，采用的测量电路结构简单，所需器件数量少，工作可靠，采用贴片封装时，整个电路体积小巧，整个测量装置体积为15X10X5立方厘米，硬件成本不到300元。3 试验验证3.1 测量误差分析低成本便携式脉冲幅度测量装置运用过采样和求均值的方法进行数据采样和处理，在这一过程中，相当于对内置ADC的采样数据进行了平滑滤波，内置ADC勺量化误差土1LSB可以忽略不计。过采样比和数据抽取时除法的倍数，均为2的次方关系，最终数据抽取的除法运算相当于对累加和的数据进行右移处理，这

9、个过程中不存在四舍五入的情况，因此不存在运算误差。峰值检测电路带来的误差主要包括理论误差和器件引入的误差两部分，由式3可知，其理论误差AVp为：AVp=Vlp-Vip=-Vos(3)Vos是比较器LM311的输入失调电压，经查阅LM311的技术资料，该芯片的输入失调电压Vos=2mV通过采用调零电路，可减少比较器Vos对测量误差的影响。LF398是由场效应管构成的采样保持器，它具有采样速度高、保持电压下降速度慢以及精度高等优点。当保持电容为0.01以F时，其下降速率为1mV/s,而微控制器内置ADC的采样速率为100ksps,进行256次过采样所需要的时间不到3ms,采样过程中，采样保持器输出

10、的电压几乎不变，因此LF398采样保持电路引入的误差非常小，可以忽略不计。综上所述，整个测量装置中各种因素带来的测量误差不超过2mV可满足脉冲信号的测量精度要求，测量结果可信度高。3.2 整机性能测试首先，用任意波形发生器产生不同幅度的脉冲信号作为信号源，按照测量范围和测量精度的设计指标对低成本便携式脉冲幅度测量装置进行整机性能标定，精度标定结果和误差分析见表2。从表2的标定结果可以看出，低成本便携式脉冲幅度测量装置的测量范围和测量精度满足设计指标要求。在相关产品进行电子机芯工作性能测试时，用新设计的低成本便携式脉冲幅度测量装置和高速数据采集卡测量法，对引信电子机芯点火脉冲和磁后坐发电机电源信号进行对比测量，经过多次试验均准确测量到脉冲信号峰值电压，测量结果及误差分析见表3。表3的对比测量结果可以看出，低成本便携式脉冲幅度测量装置与传统测量方法相比，测试数据准确无误，测量精度满足要求，整机技术水平与传统测量方法相当。测量验证结果表明，低成本便携式脉冲幅度测量装置在方便携带使用，降低测试系统成本的同时，测量范围达到2V200V,对不同幅度脉冲信号的测量精度均达到0.1%以上，性能稳定，工作可靠，满足使用要求。4 结论本文设计的低成本便携式脉冲幅度