基于FPGA的脉冲参数测量系统

陈元莉，谭　劲

（西华师范大学a.电子信息工程学院；b.网络中心，四川 南充 637002）

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(周期、频率、脉宽、占空比)测试更显重要[1]，本系统采用由FPGA构造的2个32位计数器对相关参数进行测量，并将测量结果送入单片机中进行处理，将处理的结果用LED显示器显示出来，该系统测量精度高，工作稳定可靠。

1　测量原理

1.1　频率测量的基本原理

根据频率的定义，通过计数器统计出在1 s时间内被测信号的脉冲个数N为被测信号的频率，测量原理如图1所示。

图1　频率测量的基本原理

1.2　等精度频率测量原理

等精度测量的基本方法是，设置2个计数器，在相同的时间里分别对标准信号和被测信号计数，设标准信号频率用fs表示，计数值用Ns表示，被测信号频率用fx表示，计数值用Nx表示，则：

本系统采用50 MHz的信号作为标准信号源，只要测得计数值，就可以算出被测信号的频率，等精度测频法可以获得更高的测量精度、更宽的测量范围，本系统采用此法测量频率，测量原理如图2所示。

图2　等精度频率测量原理

1.3　周期测量原理

利用被测信号控制门电路，当被测信号的上升沿到来时，打开控制门电路，启动计数器对标准信号计数，当被测信号的下一个上升沿到来时，关闭控制门电路，停止计数器计数，设控制门打开期间的计数值为Ns，则信号的周期Tx可用下式计算：

测量原理如图3所示。

图3　周期测量原理

1.4　脉宽测量原理

利用被测信号控制门电路，当被测信号的上升沿到来时，打开控制门电路，启动计数器对标准信号计数，当被测信号的下降沿到来时，关闭控制门电路，停止计数器计数，设控制门打开期间的计数值为Ns，则信号的脉宽Px可用下式计算：

1.5　占空比测量原理

利用被测信号控制门电路，当被测信号的上升沿到来时，打开控制门电路，启动计数器对标准信号计数，当被测信号的下降沿到来时，关闭控制门电路，停止计数器计数，设高电平持续期间计数值为N1，然后再利用门控电路测量被测信号一个周期内对标准信号的计数值Ns，则信号的占空比Dx可用下式计算：

2　系统硬件电路的构成

2.1　系统的总体结构

本系统由单片机AT89s52和FPGA组成，由FPGA构造2个32位计数器分别对标准信号和被测信号进行计数，测量周期、脉宽及占空比所需门控电路也由FPGA构造，32位计数结果通过多路选择器按8位一组通过P2口送往单片机进行处理和显示，单片机部分由按键电路，显示电路等组成，P0口用来进行功能选择并传送相应控制信号控制FPGA的工作，系统总体结构框图如图4所示。

图4　系统总体结构框图

2.2　按键电路

图5　按键电路

系统中设置4个功能键，一个复位键，其中S0为复位键，S1，S2，S3，S4分别为测周期键、测频率键、测脉宽键、测占空比键，与P1.0～P1.3相连，P1剩余端口可用于扩充其它功能。

2.3　显示电路

显示电路采用静态显示，单片机的串行口工作在同步输出方式下，单片机的TXD端为同步脉冲输出分别接8个74LS164的时钟端，而单片机的RXD端用串行输出待显示的数据，通过8片74LS164作串并转换后，分别接8个LED显示器，显示器电路如图6所示。

图6　静态显示电路

2.4　FPGA内部电路

FPGA内部电路如图7所示，电路由一个D触发器，2个多路选择器，一个门控电路，2个32位计数器组成。其中门控电路根据具体功能用来控制计数器的启停时间，核心部分为2个32位计数器，分别用于对标准信号和待测信号计数，并将计数结果通过多路选择器送往单片机进行处理并显示。

图7　FPGA内部电路

3　软件设计

单片机部分主要是进行系统功能选择，并根据功能送出响应的控制信号去控制FPGA中计数器的工作，待计数停止后，读取计数器的计数结果，根据相关公式计算后得到待测参数值，最后送显示器显示，软件流程图如图8所示。

图8　主程序流程图

4　结语

通过综合测试，该系统可以测量频率为10～50 MHz的方波信号的频率、周期、占空比、脉宽等参数，并能在8位LED数码管显示器上显示结果。整个系统测量精度高，测量参数稳定可靠，如果在系统中提高标准信号的频率值，可以进一步提高测量频率范围。