2024年5月11日发(作者:子车焱)
2020.01
设计研发
基于AD8310芯片的脉冲检波电路设计
郝术兴
(保定中创电子科技有限公司,河北保定,071000)
摘要:针对高频脉冲信号的采集,本文提出了一种可满足单片机自带A/D采样高频脉冲信号的检波电路。该电路是基于
AD8310芯片的检波电路设计,经过多级检波,将脉冲信号频率降低,从而达到降低采样成本的目的。
关键词:高频;脉冲信号;检波电路
Design of pulse detection circuit based on AD8310
Hao Shuxing
(Baoding Zhongchuang Electronic Technology Co.,Ltd,Baoding Hebei,071000)
Abstract:
For the acquisition of high frequency pulse signal, this paper proposes a detection circuit
which can meet the requirements of a/D sampling of high frequency pulse signal. This circuit is based
on AD8310 chip. After multi-level detection, the frequency of pulse signal is reduced, so as to reduce
the cost of sampling.
Keywords:
high frequency; pulse signal; detection circuit
0 引言
对于脉冲信号,频率高达上百兆赫兹,脉冲沿较陡,一般
的采样芯片无法直接对其进行采样处理,而采用高采样率芯
片直接对脉冲信号进行采集则成本较高。因此,目前工业上
常用的处理方法是对脉冲信号进行检波降频处理。
脉冲信号转换为直流电压信号,其中含有一定量的直流脉冲
分量,后级放大峰值检波电路将该直流脉冲分量继续降频,
将峰值保持住,以便于单片机采样。
2.2 AD8310芯片特性
AD8310是一款高速电压输出、解调频率范围为
DC~440MHz的对数放大检波器,其内部有六个串联的放大
器/限幅器,且在带宽900MHz(-3dB)时,每个放大器/限幅
器的小信号增益均为14.3dB。该芯片共使用了9个检波器,
检波范围从-91dBV(40μV)~+4dBV(2.2V),其中我们定义
0dB为真有效值为1V的正弦波。AD8310的解调输出可精确
标定,其对数斜率为24mV/dB,误差为±1dB。截止电压为-
108dBV,并以独立的供电电压和独立的温度作为标定参数。
AD8310的完全差动输入具有1kΩ电阻与1pF电容
并联的高输入阻抗。通过50Ω阻抗网络的输入匹配可保
证-78dBm~+17dBm的功率灵敏度。当信号频率范围在
100MHz以内时,其对数线性度的误差在±0.4dB以内,到
440MHz时误差略大。
AD8310没有最小使用频率的限制,因而可用于低频信号
检波。AD8310允许输出负载有较大的变化范围,并可驱动高
达100pF的容性负载。
AD8310成本低、体积小、功耗低、精度高、稳定性好、动态
范围宽,其频率范围可从直流信号到超高频信号。另外,它还
具有响应时间快、负载驱动能力强等特点,可广泛应用于需
要衰减信号到分贝级的电路中。AD8310为工业级芯片,其使
用温度范围为-40℃~+85℃,封装采用8脚小型贴片形式。
AD8310对数放大检波器的输入信号在-87dB~13dB范
围内,AD8310的输出均具有很好的线性度。
1 常用方法论证及比较
1.1 二极管分立元件检波
二极管分立元件检波方法主要由二极管,电容器,电阻
构成。其特点为设计简单,成本低,线性度差,温度稳定性低。
1.2 对数放大器检波
对数放大器检波方法主要由对数放大器和二极管组成。
采用级联放大器输出端加二极管整流电路,将脉冲信号或者
其它交流信号转换为直流电压。其特点为元器件多,对高频信
号效果差,线性度和温度稳定性较二极管分立元件检波稍好。
1.3 专用检波芯片检波
目前检波芯片主要分为功率检波和对数检波两种。芯片
内部分为检波和放大两部分,输入信号检波以后进行一定倍
数的放大后再输出。检波芯片检波特点是响应快速,灵敏度
高,线性度和温度稳定性好,外围器件少,设计简单。其输出
量为直流电压,但对于高频的脉冲信号,其输出的电压信号
仍有微秒级的尖脉冲,一般采样芯片仍无法准确捕捉。
2 本方案设计
2.1 整体设计方案
本方案中采用了ADI公司的AD8310专用对数检波芯片
后级加改良后的放大器峰值检波电路。AD8310检波芯片将
33
设计研发
2.3 AD8310芯片基本电路
通过查阅AD8310芯片的技术手册,我们可以得到该芯
片的基本应用电路。该电路为大多数应用应用设计中所需的
电路图。其中,芯片VPOS引脚的电源电压在2.7V和5.5V之
间,并使用接近管脚的0.01μf电容进行去耦。一般情况下,
可以在电源线路中串联一个小的电阻(4.7Ω)作为电源噪声
的滤波。ENBL引脚为芯片的使能端,其阈值约为1.3V,当使
能引脚不用时需要将其接至AD8310的VPOS引脚,即高电
平。AD8310的输入端可以是差分输入,但是一般情况下其输
入端设置成单端输入,另一端通过电容C1接地。输入信号通
过C2耦合。而且,电容C1和电容C2的值应相同,以尽量减少
AD8310芯片启动时的瞬态不平衡。输入端52.3Ω电阻可与
AD8310芯片内部的1.1kΩ输入阻抗相结合在AD8310中产
生一个50Ω输入阻抗匹配。
在高频应用中,应在芯片输入端加一个高能滤波网络,
滤波截止频率应与尽可能的高,以减少不需要的低频耦合信
号。在低频应用中,相同的原因,应在芯片输入端加一个简单
的低通滤波网络以衰减不需要的高频信号或者干扰。
GND
R1
C1
2.7nF
C3
10uF
4.7R
C2
GND
0.01uF
U1
AD8310
5V
2020.01
方向在电路板上通过,以减少干扰。
在该功能测试电路的输入端通过信号发生器给定峰值
1V重复率500Hz的脉冲信号,通过示波器测试其输出端的信
号。通过分析发现,AD8310检波后的波形仍有一部分高频脉
冲,虽然其频率较原始信号降低很多,但是仍不能用采样率
只有1Msps以内的单片机进行直接采样。
2.5 放大器峰值检波电路
为了进一步对脉冲信号进行降频处理,我们加一级放大
器峰值检波电路。
但是,峰值检波电路中二极管有一个缺点,信号电压从
零上升过程中,只有大于二极管的导通电压输出端才会出现
信号变化,而且这个过程需要花费一定时间,如果在这个过
程,输入信号发生变化,输出则会出现失真。
因此,需要在电路中加入一定的措施来解决这一问题。也
就是说,二极管输出部分电压要能够尽量跟随输入信号的电
压,并提供一个尽可能理想的二极管,同时能够提供有效的输
入缓冲。一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个二
极管,这点类似于电压钳位。最终设计的电路如图2所示。
该电路出现于TI公司的Difet静电计级运算放大器
OPA128的DATASHEET里。但电路中的D3为修改后的设计,原
电路设计中为场效应管,这里我们改为快速二极管,通过实
际测试,效果基本一样。在这个电路中,C24为模拟峰值存储
器,建议使用聚本乙烯电容,以减少泄漏电流;运算放大器选
择高输入阻抗运算放大器,以提高直流特性;C23电容为防
自激电容。该电路线性度良好,检波特性明显,有效消除了二
P1
SMA
I
N
H
I
E
N
B
L
B
F
I
N
V
P
O
S
8
7
6
5
GND
I
N
L
O
C
O
M
M
O
F
L
T
V
O
U
T
R2
52.3R
GND
P3
1
2
极管的导通压降。
P4
SMA
C7
10uF
R5
0R
R4
1K
C9
1uF
C8
10uF
GND
out
P5
SMA
2.6 整体电路设计
通过以上分析测试,我们设计的最终检波电路如图3所示。
此次测试,选取200MHz以内的信号为有效信号。在
AD8310前端匹配了一个200MHz的LC低通滤波器以衰减无
效信号,PCB布板信号按照从左到右的方向流通,在PCB电
路板的底层全部铺上信号地,以减小干扰。
GND
GND
1
2
3
4
GND
GND
图1 设计测试电路图
2.7 最终电路输出波形分析
为电路提供±5V电源,信号发生器输出频率500Hz脉
冲波,峰值5mV,通过分析测量电路板输出端的波形得到,脉
冲信号经过放大并多级检波后,波形变为直流量与脉冲量的
R1
-3V
C22
104
C17
2
10μF/16V
U1A
1
放大器
C13
+
10μF
AGND
+5V
C28
104
AGND
D1
10Dp
C23
D2
10k
R4
1M
6
D8
U1B
7
R3
100
输出
C25
105
AGND
2.4 AD8310芯片实际电路设计及测试
通过了解掌握AD8310芯片的基本资料,设计测试电路
如图1所示。
其中,R2选择与52.3Ω
近似的51Ω常规电阻,C1与
C9为预留设计,可不焊接。注
要去除,否则会将检波后的脉
冲信号吸收掉。
在设计PCB电路板的时
候,尽量保证R1,C1与C2对称
布局,以保证阻抗平衡。整体布
局时,保持信号由从左到右的
输入
4
意,在测试脉冲信号的时候C6
3
8
5
C24
102
放大器
AGND
图2 最终设计电路图
34
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设计研发
C
O
M
E
N
B
L
R13
51R
C21
105
O
U
T
V
P
O
S
2
O
F
L
T
B
F
I
N
J2
1
2
CON2
U3
3
R3
49.9R
1
2
4
C19
105
C11
17nF
R1
4.7R
C20
104
U4
AD8310
+5V
4
1 3
R1
-3V
C22
104
C17
AGND
D1
10Dp
C23
D2
10k
R4
1M
6
D8
U1B
7
I
N
L
O
I
N
H
I
滤波器
GND
+5V
GND
OUT
GND
-5V
J1
1
2
3
4
5
6
CON6
8765
4
R3
100R
105
C13
2
3
C12 105
10μF/16V
U1A
1
放大器
C13
+
10μF
AGND
C28
104
5
C24
102
放大器
AGND
R3
100
输出
C25
105
AGND
1234
图3 检波电路图
累加,并且该脉冲经过峰值检波后,波峰可保持400微秒以
上。在这种情况下,一般单片机均可对其进行直接采样处理。
为了进一步验证该方案的可行性,对其进行线性度测
试。实际测量证明,该方案所设计电路线性度良好,基本满足
设计要求。
8
+5V
反应灵敏,能够有效识别脉冲信号变化。但在实际应用当中
发现,AD8310输入端极易受到外界噪声干扰,因此建议在实
际电路中,对该部分电路进行外部金属屏蔽处理。
参考文献
[1]ADI公司AD8310数据手册[Z].
[2]德州仪器公司OPA128数据手册[Z].
[3]billyevans,史上最实用较深刻的峰值检测电路实例与分析[Z].
[4]戴荣伟.高压脉冲电子电路干扰源的成因剖析与控制[J].
电子制作, 2014(01) : 26.
3 结论
针对脉冲信号,本方案中所设计的多级检波电路完全可
以有效起到降频作用,并将信号峰值保持在一定时间内,以
保证单片机自带A/D功能进行正常采样分析处理,且该电路
(上接第28页)
过程中上位机负责处理下位机发送回来的数据信息以及用
户输入的数据信息,同时上位机还将处理后的数据发送给下
位机,控制下位机动作。
控制器测试系统,整个测试系统可以模拟飞机负载,实现了
防冰控制器的测试以及故障排除,极大的缩短了维修周期并
保障了维修质量。
3.4 信息管理
测试一旦开始以后被测件号、序号、测试人员、测试软件
等信息将无法修改,会在测试结束后统一写入测试报告中。
方便后期质量管理人员查阅相应的维修记录。
参考文献
[1]潘庆国,李金猛,阚艳,章宁,唐起源.一种飞机电路板
自动测试系统的研制[J].测控技术, 2018, 37(05) :
109-112+117.
[2]孙书鹰,陈志佳,寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103
开发与应用[J].网络新媒体技术, 2010, 31(12) : 59-63.
[3]周灵江,金杰,丁小洪,朱阳,章家会,金辰,朱鸿博.基
于STM32的RS485适配器开发[J].科技与创新,
2019(21) : 53-55.
[4]吕伟龙,向豪,杨雨昕.基于Qt的飞行器通用上位机软
件设计[J].电子技术与软件工程, 2017(07) : 59-61.
4 实现总结
将飞机防冰控制器与本测试系统链接,打开PC端上位
机软件,通信连接成功后根据需要选择好测试步骤。根据上
位机软件的提示进行一步一步的测试工作。目前通过飞机防
冰控制器测试系统已经成功的测试了多台防冰控制器,并且
安装到飞机上正常使用。
5 结束语
本设计以QT和STM32F103ZET6为核心设计了飞机防冰
(上接第101页)
要与插口正对,插入的深度要达到标准。在安装电压互感器
之前,要进行交流耐压的试验,且避雷器的安装要在完成工
频耐压工作之后进行。
术[J].环球市场, 2016(35) : 285-285.
[2]歐效超.电力系统中变电站GIS设备安装与调试研究[J].
大陆桥视野, 2017(18) : 28-28.
[3]付淑贵.电力系统中变电站GIS设备安装与调试[J].工程
技术:文版, 2016(70) : 00260-00260.
参考文献
[1]谢明凯.浅析电力系统中变电站GIS设备安装与调试技
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2024年5月11日发(作者:子车焱)
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设计研发
基于AD8310芯片的脉冲检波电路设计
郝术兴
(保定中创电子科技有限公司,河北保定,071000)
摘要:针对高频脉冲信号的采集,本文提出了一种可满足单片机自带A/D采样高频脉冲信号的检波电路。该电路是基于
AD8310芯片的检波电路设计,经过多级检波,将脉冲信号频率降低,从而达到降低采样成本的目的。
关键词:高频;脉冲信号;检波电路
Design of pulse detection circuit based on AD8310
Hao Shuxing
(Baoding Zhongchuang Electronic Technology Co.,Ltd,Baoding Hebei,071000)
Abstract:
For the acquisition of high frequency pulse signal, this paper proposes a detection circuit
which can meet the requirements of a/D sampling of high frequency pulse signal. This circuit is based
on AD8310 chip. After multi-level detection, the frequency of pulse signal is reduced, so as to reduce
the cost of sampling.
Keywords:
high frequency; pulse signal; detection circuit
0 引言
对于脉冲信号,频率高达上百兆赫兹,脉冲沿较陡,一般
的采样芯片无法直接对其进行采样处理,而采用高采样率芯
片直接对脉冲信号进行采集则成本较高。因此,目前工业上
常用的处理方法是对脉冲信号进行检波降频处理。
脉冲信号转换为直流电压信号,其中含有一定量的直流脉冲
分量,后级放大峰值检波电路将该直流脉冲分量继续降频,
将峰值保持住,以便于单片机采样。
2.2 AD8310芯片特性
AD8310是一款高速电压输出、解调频率范围为
DC~440MHz的对数放大检波器,其内部有六个串联的放大
器/限幅器,且在带宽900MHz(-3dB)时,每个放大器/限幅
器的小信号增益均为14.3dB。该芯片共使用了9个检波器,
检波范围从-91dBV(40μV)~+4dBV(2.2V),其中我们定义
0dB为真有效值为1V的正弦波。AD8310的解调输出可精确
标定,其对数斜率为24mV/dB,误差为±1dB。截止电压为-
108dBV,并以独立的供电电压和独立的温度作为标定参数。
AD8310的完全差动输入具有1kΩ电阻与1pF电容
并联的高输入阻抗。通过50Ω阻抗网络的输入匹配可保
证-78dBm~+17dBm的功率灵敏度。当信号频率范围在
100MHz以内时,其对数线性度的误差在±0.4dB以内,到
440MHz时误差略大。
AD8310没有最小使用频率的限制,因而可用于低频信号
检波。AD8310允许输出负载有较大的变化范围,并可驱动高
达100pF的容性负载。
AD8310成本低、体积小、功耗低、精度高、稳定性好、动态
范围宽,其频率范围可从直流信号到超高频信号。另外,它还
具有响应时间快、负载驱动能力强等特点,可广泛应用于需
要衰减信号到分贝级的电路中。AD8310为工业级芯片,其使
用温度范围为-40℃~+85℃,封装采用8脚小型贴片形式。
AD8310对数放大检波器的输入信号在-87dB~13dB范
围内,AD8310的输出均具有很好的线性度。
1 常用方法论证及比较
1.1 二极管分立元件检波
二极管分立元件检波方法主要由二极管,电容器,电阻
构成。其特点为设计简单,成本低,线性度差,温度稳定性低。
1.2 对数放大器检波
对数放大器检波方法主要由对数放大器和二极管组成。
采用级联放大器输出端加二极管整流电路,将脉冲信号或者
其它交流信号转换为直流电压。其特点为元器件多,对高频信
号效果差,线性度和温度稳定性较二极管分立元件检波稍好。
1.3 专用检波芯片检波
目前检波芯片主要分为功率检波和对数检波两种。芯片
内部分为检波和放大两部分,输入信号检波以后进行一定倍
数的放大后再输出。检波芯片检波特点是响应快速,灵敏度
高,线性度和温度稳定性好,外围器件少,设计简单。其输出
量为直流电压,但对于高频的脉冲信号,其输出的电压信号
仍有微秒级的尖脉冲,一般采样芯片仍无法准确捕捉。
2 本方案设计
2.1 整体设计方案
本方案中采用了ADI公司的AD8310专用对数检波芯片
后级加改良后的放大器峰值检波电路。AD8310检波芯片将
33
设计研发
2.3 AD8310芯片基本电路
通过查阅AD8310芯片的技术手册,我们可以得到该芯
片的基本应用电路。该电路为大多数应用应用设计中所需的
电路图。其中,芯片VPOS引脚的电源电压在2.7V和5.5V之
间,并使用接近管脚的0.01μf电容进行去耦。一般情况下,
可以在电源线路中串联一个小的电阻(4.7Ω)作为电源噪声
的滤波。ENBL引脚为芯片的使能端,其阈值约为1.3V,当使
能引脚不用时需要将其接至AD8310的VPOS引脚,即高电
平。AD8310的输入端可以是差分输入,但是一般情况下其输
入端设置成单端输入,另一端通过电容C1接地。输入信号通
过C2耦合。而且,电容C1和电容C2的值应相同,以尽量减少
AD8310芯片启动时的瞬态不平衡。输入端52.3Ω电阻可与
AD8310芯片内部的1.1kΩ输入阻抗相结合在AD8310中产
生一个50Ω输入阻抗匹配。
在高频应用中,应在芯片输入端加一个高能滤波网络,
滤波截止频率应与尽可能的高,以减少不需要的低频耦合信
号。在低频应用中,相同的原因,应在芯片输入端加一个简单
的低通滤波网络以衰减不需要的高频信号或者干扰。
GND
R1
C1
2.7nF
C3
10uF
4.7R
C2
GND
0.01uF
U1
AD8310
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方向在电路板上通过,以减少干扰。
在该功能测试电路的输入端通过信号发生器给定峰值
1V重复率500Hz的脉冲信号,通过示波器测试其输出端的信
号。通过分析发现,AD8310检波后的波形仍有一部分高频脉
冲,虽然其频率较原始信号降低很多,但是仍不能用采样率
只有1Msps以内的单片机进行直接采样。
2.5 放大器峰值检波电路
为了进一步对脉冲信号进行降频处理,我们加一级放大
器峰值检波电路。
但是,峰值检波电路中二极管有一个缺点,信号电压从
零上升过程中,只有大于二极管的导通电压输出端才会出现
信号变化,而且这个过程需要花费一定时间,如果在这个过
程,输入信号发生变化,输出则会出现失真。
因此,需要在电路中加入一定的措施来解决这一问题。也
就是说,二极管输出部分电压要能够尽量跟随输入信号的电
压,并提供一个尽可能理想的二极管,同时能够提供有效的输
入缓冲。一个经典的电路是通过在输入和输出间增加一个二
极管,这点类似于电压钳位。最终设计的电路如图2所示。
该电路出现于TI公司的Difet静电计级运算放大器
OPA128的DATASHEET里。但电路中的D3为修改后的设计,原
电路设计中为场效应管,这里我们改为快速二极管,通过实
际测试,效果基本一样。在这个电路中,C24为模拟峰值存储
器,建议使用聚本乙烯电容,以减少泄漏电流;运算放大器选
择高输入阻抗运算放大器,以提高直流特性;C23电容为防
自激电容。该电路线性度良好,检波特性明显,有效消除了二
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SMA
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N
H
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B
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GND
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极管的导通压降。
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P5
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2.6 整体电路设计
通过以上分析测试,我们设计的最终检波电路如图3所示。
此次测试,选取200MHz以内的信号为有效信号。在
AD8310前端匹配了一个200MHz的LC低通滤波器以衰减无
效信号,PCB布板信号按照从左到右的方向流通,在PCB电
路板的底层全部铺上信号地,以减小干扰。
GND
GND
1
2
3
4
GND
GND
图1 设计测试电路图
2.7 最终电路输出波形分析
为电路提供±5V电源,信号发生器输出频率500Hz脉
冲波,峰值5mV,通过分析测量电路板输出端的波形得到,脉
冲信号经过放大并多级检波后,波形变为直流量与脉冲量的
R1
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C17
2
10μF/16V
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1
放大器
C13
+
10μF
AGND
+5V
C28
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AGND
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10Dp
C23
D2
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D8
U1B
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R3
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输出
C25
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2.4 AD8310芯片实际电路设计及测试
通过了解掌握AD8310芯片的基本资料,设计测试电路
如图1所示。
其中,R2选择与52.3Ω
近似的51Ω常规电阻,C1与
C9为预留设计,可不焊接。注
要去除,否则会将检波后的脉
冲信号吸收掉。
在设计PCB电路板的时
候,尽量保证R1,C1与C2对称
布局,以保证阻抗平衡。整体布
局时,保持信号由从左到右的
输入
4
意,在测试脉冲信号的时候C6
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放大器
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图2 最终设计电路图
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C19
105
C11
17nF
R1
4.7R
C20
104
U4
AD8310
+5V
4
1 3
R1
-3V
C22
104
C17
AGND
D1
10Dp
C23
D2
10k
R4
1M
6
D8
U1B
7
I
N
L
O
I
N
H
I
滤波器
GND
+5V
GND
OUT
GND
-5V
J1
1
2
3
4
5
6
CON6
8765
4
R3
100R
105
C13
2
3
C12 105
10μF/16V
U1A
1
放大器
C13
+
10μF
AGND
C28
104
5
C24
102
放大器
AGND
R3
100
输出
C25
105
AGND
1234
图3 检波电路图
累加,并且该脉冲经过峰值检波后,波峰可保持400微秒以
上。在这种情况下,一般单片机均可对其进行直接采样处理。
为了进一步验证该方案的可行性,对其进行线性度测
试。实际测量证明,该方案所设计电路线性度良好,基本满足
设计要求。
8
+5V
反应灵敏,能够有效识别脉冲信号变化。但在实际应用当中
发现,AD8310输入端极易受到外界噪声干扰,因此建议在实
际电路中,对该部分电路进行外部金属屏蔽处理。
参考文献
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[2]德州仪器公司OPA128数据手册[Z].
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电子制作, 2014(01) : 26.
3 结论
针对脉冲信号,本方案中所设计的多级检波电路完全可
以有效起到降频作用,并将信号峰值保持在一定时间内,以
保证单片机自带A/D功能进行正常采样分析处理,且该电路
(上接第28页)
过程中上位机负责处理下位机发送回来的数据信息以及用
户输入的数据信息,同时上位机还将处理后的数据发送给下
位机,控制下位机动作。
控制器测试系统,整个测试系统可以模拟飞机负载,实现了
防冰控制器的测试以及故障排除,极大的缩短了维修周期并
保障了维修质量。
3.4 信息管理
测试一旦开始以后被测件号、序号、测试人员、测试软件
等信息将无法修改,会在测试结束后统一写入测试报告中。
方便后期质量管理人员查阅相应的维修记录。
参考文献
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自动测试系统的研制[J].测控技术, 2018, 37(05) :
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开发与应用[J].网络新媒体技术, 2010, 31(12) : 59-63.
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于STM32的RS485适配器开发[J].科技与创新,
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件设计[J].电子技术与软件工程, 2017(07) : 59-61.
4 实现总结
将飞机防冰控制器与本测试系统链接,打开PC端上位
机软件,通信连接成功后根据需要选择好测试步骤。根据上
位机软件的提示进行一步一步的测试工作。目前通过飞机防
冰控制器测试系统已经成功的测试了多台防冰控制器,并且
安装到飞机上正常使用。
5 结束语
本设计以QT和STM32F103ZET6为核心设计了飞机防冰
(上接第101页)
要与插口正对,插入的深度要达到标准。在安装电压互感器
之前,要进行交流耐压的试验,且避雷器的安装要在完成工
频耐压工作之后进行。
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