采用FPGA的高频脉冲测量仪设计

1、采用FPGA的高频脉冲测量仪设计摘要：基于FPGA采用脉冲信号参数测试方法,可实现脉冲信号在幅度、频率、占空比、上升时间等参数的测量。利用该系统高速度、高精度的运算能力，实现脉冲信号参数的高速精密采样。并和单片机联络互通交换，提高了事后收集整理运算水平；可大大缩短检测时间，提高测量精度。样机良验证明，本测试系统可靠性好、精度高、误差率低，满足设计要求。关键词：FPGA精密测试脉冲信号中图分类号：文献标识码：A文章编号：1672-3791(2018)10(b)-0018-02伴随时代发展、电子科技对于脉冲信号依赖强度不断增大，其测量的精度与速度的需要程度也不断加大，特别对于无线电探测等设备的细微

2、的脉冲信号的测量要求存在诸多新要求1-4,现有脉冲信号测量方法只是基于传统示波器针对脉冲信号检测试验，测量结果参数难以i蒂足全面、精密测量的需求。基于以上状况，采集脉冲信号参数研发较高精准程度的检测仪器有着重要的意义。设计思路主要是以STM32单片机(增强型)为重要支撑,利用该单片机的高性能计算能力，获取脉冲波动信号的幅度、占空比、额定频率、上升时间等参数，实现高速度、高准度的检测和计量，样机的测试数据达到了设计目的。1系统硬件设计研发仪器的主要组成是：频瞽口幅值调理信号的电源电路、微型单片计算机、上升时间信号和占空比信号调理的电源电路、FPGA、显示器和脉冲信号发生器，如图1所示。利用FPG

3、A核心的数百兆赫兹的频率获取对脉冲信号频率、幅值、上升时间、占空比等数据的高速采集，并借助与单片机的高速联网互通信号传递，采用FPGA获取信息输入到单片机中去,之后将采集的信息数据整理筛选合成,再将测量到的结果显示在显示器上。由于单片机使用是MSP430,其受25MHz的晶体指令然后驱动,指令周期可窄达40ns,这样就可以实现数据的高速处理。占空比和频率调理电源电路(如图2)实际使用TLV3501高强速度对比，主要原理是接收收集波动的脉冲信号，整理成型03.3V区间的方波信号，输入FPGA之后，然后在闸门时间内，针对标准时钟信号和被测信号读取处理、检测计量。再依据获取的两个计数值，与已知的标准

4、信号的频率对比，就可以计算出所需求频率数值。为了增加该测试仪敏锐程度和频率的首尾两端的极值区间。这样就可以计算出所需测试信号的宽度，即我们假设将闸门时间t假定为1s,并规定由为FPGA提供1MHz的标准时钟信号，利用测量占空比所需测试信号的高低电平的高频时钟脉冲，和高低电平的数值对比即可以得出结论。利用单片机输出的区间在“10%90%"范围的计数数值，通过D/A转换后，尝试接入TLV3501高速对比，认定为额定的阀值电压。将额定的阀值电压与测试的信号电压对比，获取两路方波信号源，整理成形再次输入FPGA中。根据所需时间、均匀分隔得出数值,即能获取到上升时间，如图3所示。依据图4首先把

5、FPGA分频后的矩形脉冲信号（幅度为3.3V）输入TLV3501,就可以取得矩形脉冲信号（幅度为5V）,经过THS3091计算、加强集成运算增强放大器对信号的整理和，最后加上50Q负载，就能获取到比较准确的矩形脉冲信号。该标准信号的频率fo是1MHZ,脉竞值tw是100ns,幅度值约在（5±0.1）V左右，上升的时间段应该小于等于30ns。2针对脉冲参数的测量2.1 频率的检测计量倘若用等精度测量方法测量频率。需首先设置一个预置闸门,同步计算系统内的时钟和寄存器的闸门数值。指令启动真实闸门的一段时间，被测信号和标准信号由计数器来完成。假设标准信号计数值是N0,标准信号的频率是,被测信

6、号的计数值是N,那么所需的频率可以计算出来：（1）2.2 幅值的计算测量脉冲信号幅度值的检测可直接使用单片机来完成（见图1）,单片机直接输入需测试信号，经采集后由A/D作为转换，取得幅值参数。在采样时，如果采样结果比某个阀值低，可以认为是低电平而直接舍去，再把其余的获取数据输入单片机内存储,最后通过使用冒泡排序方法算出其数列的中间数，这就是脉冲信号的最终幅值结果。2.3 上升时间的测量上升时间的测量方法，其实是方波高电平的持续时间与上升时间之间的换转，还是先通过单片机分别测试在10%和90%之间输出两个幅值，通过D/A转换后，再输入TLV3501进行高速对比，得到电压值的两个阀值数据。然后将阀

7、值的电压值与需测信号的电压对比分析，就可以得到如方波A、方波B的2路方波信号，再导入FPGA。当A方波被捕捉到上升沿的时候，计数器拉升到1；当B方波被捕捉到上升沿的时候，计数器拉低到0,如此即可得到C方波，然后测量其占空匕价口周期，就可以得到该波形之高电平宽度。2.4 占空比的检测与计量打开真实闸门的时段时，由FPGA对被测信号进行检测。若检测到的信号是高电平，由计数器A计数；如果信号是低电平,由计数器B开始计数。假设计数器A的计数值是NH、计数器B的计数值是NL0那么占空比的计算公式是：(2)为减小占空比测量误差，应该考虑增强时钟信号的启动频率，另外如果只采集一个周期，则检测结果可能紊乱，会

8、产生不确定性，所以实践中，应该多次检测若干个周期，然后取其平均数尽可能缩小误差。3实验泱R式与结论如表1所示，是对仪器进行性能测试的测试变,涉及频率、幅值、上升时间和占空比等参数。由表可见，仪器能够测量脉冲信号的频率为5Hz10MHz,误差值小于0.01%;幅值为0.1V-10V,误差值小于0.1%;脉冲上升时间为100-900ns,误差值小于1%;占空比为1%-90%,误差值小于0.1%。由此可见，该测试仪可比较好地完成10Hz108MHz相关数据的测量,而且其最高测试频率可高达10MHz,同时该仪器的精度高、误差率低,实验结果表明样机各方面性能足符合设计需要。参考文献1高晓阳，刘成忠.基于单片机的数字信号测试分析仪J.甘肃农业大学学报，2006,41(2):95-972徐文强，任勇峰，文丰.基于FPGA的高速脉冲信号源的设计与实现4微计算机信息，2007,23(2):251-252.3邓潇潇.基于VC的单发多收存储式声波测井数据读取及显示J.仪器仪表用户，2011,23(11):13-15.4谢浪清.高速等精度频率测量的研究J.中国科技信息，20