基于FPGA的脉冲信号参数测量仪

袁汇丰　胡佳文　郭成钧

摘要：本设计利用FPGA作为数据处理和系统控制的核心，通过FPGA及其外围电路完成脉冲信号参数的测量。其中外围电路由信号前置处理模块、双路比较器模块、显示模块等模块组成。经前级电路处理后的信号送入FPGA，利用FPGA较强的信号处理能力完成对信号的测量，最后由LCD显示屏显示参数。在实际应用中具有体积小、实时性好、工作效率高等特点。

关键词：FPGA；电压比较器；脉冲信号参数测量仪

中图分类号：TM935.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0068-02

脉冲信号参数测量仪作为一种重要的电子测量仪器，其作用是测量脉冲信号的幅值、频率、占空比、上升时间等参数。随着微电子技术与自动控制技术的发展，越来越多的FPGA器件正广泛应用于各种数字信号处理。FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、运行快、可靠性强等特点。近年来，以虚拟仪器为代表的新型测量仪器异军突起，其突破了传统的电子测量仪器的制约，充分利用计算机技术，将软硬件相结合。本设计中将FPGA应用于脉冲信号测量仪就是一个非常好的应用，使我们能够更好的了解FPGA在脉冲信号测量仪的应用中所体现出来的优势，减少了脉冲信号测量仪的复杂度。

1 系统设计原理及测量方案

1.1 系统总方案

本设计将输入信号经前端电路处理，可以将0.1-10V的信号整形成3.3V以下的方波，经过双路比较电路将比较结果送入FPGA测得与时间相关的三个参数，将处理后的信号送入FPGA，其中对于频率和占空比测量采用计数法和测周法相结合的方法。利用A/D测量峰值用以得到脉冲信号的幅值，最后将测得的参数显示在LCD显示屏。

1.2 精密整流电路

精密整流电路常运用于信号变换的场合，本设计将衰减后的信号整流成直流信号，鉴于信号的幅值较小，若直接采用二极管整流，考虑到二极管上的电压降，会使测量所得的数据存在较大误差。而本设计将二极管的单向导电性和运算放大器的优良放大性能相结合，从而减小了测量误差，可做到对输入的小幅度交变信号进行精密的整流，由此构成精密整流电路。精密整流电路的结构如图1所示。

1.3 频率、占空比测量方案

方案一：计数法。这是指在一定的时间间隔内，对输入的周期信号脉冲进行计数，则信号的频率可以求得。但是这种方法会存在一定误差，且脉冲信号的频率越高，则相对误差越小，故这种方法适合于高频测量。

方案二：测周法。这种方法的原理是利用被测脉冲信号一个周期内所测得的标准信号的脉冲数来间接测量频率。被测脉冲信号的频率越低，则测得的标准信号的脉冲数越大，则相对误差越小，故这种方法适合于低频测量。

本设计由于涉及到的频带较宽，故需要针对不同的频带运用不同的方法来减小测量的误差。

占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。本设计采用计数法和测周法相结合的原理来测量占空比，若测得的高电平时间为t1，低电平时间为t2，可算得占空比为t1/（t1+t2）。

1.4 上升时间测量方案

脉冲信号的上升时间是指脉冲瞬时值最初到达脉冲峰值幅度的10%和脉冲峰值幅度的90%的两瞬时之间的间隔。根据定义将比较器触发阈值电压分别设置为0.1倍和0.9倍信号的幅值，将信号经过两路由LMV7219M5构成的高速比较器处理，再将处理结果送入FPGA进行相位比较，从而得出两者的时间差。

2 程序设计及显示电路

2.1 软件设计

图2为系统软件流程图。开始程序后进入初始化，而后对模式进行选择。依照设计的需要，设置了频率测量、幅值测量、占空比测量、上升时间四个功能，选中某一功能后由显示器显示测量结果。

2.2 显示电路

本设计采用JLX12864G-131图像型点阵液晶模块。其可以显示16*16点阵的汉字8列*4行，显示8*16点阵的英文、数字、符号16列*4行。JLX12864G-131的接口简单方便，采用4线SPI串行接口。具有刷新速度较快、显示内容较为丰富、指令功能强、显示效果好等优点。

3 测试方案和测试结果

3.1 测试方案

频率测量：取幅值为0.1V，占空比为10%，频率从10HZ-2MHZ可调的一系列脉冲信号，将显示的参数记录下来，并计算出误差。再将幅值分别调为1、10V，占空比分别调为50%，90%，将显示的参数记录下来，并计算出误差。

占空比的测量：取幅值为0.1V，频率为10HZ，占空比从10%-90%可调的一系列脉冲信号，将显示的参数记录下来，并计算出误差。再将幅值分别调为1、10V，频率分别调为2KHZ、500KHZ、2MHZ，将显示的参数记录下来，并计算出误差。

幅值的测量：取频率为10HZ，占空比为10%，幅值0.1V-10V可调的一系列脉冲信号，将显示的参数记录下来，并计算出误差。再将频率分别调为2KHZ、500KHZ、2MHZ，占空比分别调为50%，90%，将显示的参数记录下来，并计算出误差。

上升时间的测量：取频率为10HZ，占空比为10%，上升时间50ns-999ns可调的一系列脉冲信号，将显示的参数记录下来，并计算出误差。再将频率分别调为2KHZ、500KHZ、2MHZ，占空比分别调为50%，90%，将显示的参数记录下来，并计算出误差。

3.2 测试结果及分析

幅值为0.1V，占空比为10%时频率的測量结果如表1所示。

幅值为0.1V，频率为10HZ时的占空比的测量结果如表2所示。

频率为10HZ，占空比为10%时的幅值测量结果如表3所示。

频率为10HZ，占空比为10%时的上升时间测量结果如表4所示。

经实际测量均能够满足设计要求，但有些指标误差相对较大，主要存在以下多种原因：系统电压测量误差主要来源于前级电路，而被测信号的带宽较宽对前级电路的要求较高，主要是由于运放在通带内幅频特性不平坦，以及运放间存在耦合匹配及干扰问题。系统频率的误差主要来源于测量原理中本来就存在误差，而对于某一频段其误差较为明显。上升时间误差主要来源于边沿抖动问题，可以在FPGA内部设置软件滤波进一步消除边沿抖动，提高测量精度。

4 结语

由实际测量结果可知基于FPGA设计的脉冲信号参数测量仪具有测量范围大、测量精度高、稳定性高等优点。本设计改变了以往数字电路小规模多器件组合的设计方法，整个脉冲信号参数测量仪设计在一块FPGA芯片上，与用其他方法做成的脉冲信号参数测量仪相比，体积更小，性能更可靠。采用模块化的设计使得系统较为精简，便于系统的运行和维护。成本比较低，较易进行市场推广，提供一种较为高效的方案。

参考文献

[1]杜冬，尹雪峰，吉小军.基于FPGA的脉冲信号发生/测试仪一体化设计[J].电子测量技术，2015，38（1）：64-68，94.

[2]黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2005.

[3]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].北京：科学技术出版社，2005.

[4]王海，周渭，宣宗强.高精度频率测量技术及其实现[J].系统工程与电子技术，2008，30（5）：981-931.