基于FPGA和MSP430的脉冲参数测试仪设计

范 燕 唐 龙

(常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164)

0 引言

脉冲参数测试仪是以时域瞬态信号为测量对象的脉冲参数测量技术[1]。目前，在数字通信、雷达、核物理、计算机、地质勘探、力学、激光、遥感、生物、广播电视、医疗电子等众多领域，脉冲测量技术应用十分广泛[2]。经过最近30年的发展，脉冲参数计量测试技术已成为无线电电子学计量专业重要的组成部分。随着脉冲参数计量测试技术的进一步发展和相关计量参数研究内容的相互渗透，其研究方法更加完善、研究手段更加先进，技术基础作用也更加明显[3]。

1 设计目标及原理

本系统预期目标是设计并制作一个数字显示的周期性矩形脉冲信号参数测量仪，输入阻抗为50 Ω。同时设计并制作一个标准矩形脉冲信号发生器，作为测试仪的附加功能。具体要求：①测量脉冲信号频率，频率范围为10 Hz～2 MHz，测量误差的绝对值不大于0.1%；②测量脉冲信号占空比D，测量范围为10%～90%，测量误差的绝对值不大于2%；③测量脉冲信号幅度，幅度范围为0.1～10 V，测量误差的绝对值不大于2%；④测量脉冲信号上升时间，测量范围为50.0～999 ns，测量误差的绝对值不大于5%；⑤提供一个标准矩形脉冲信号发生器，要求：a)频率为1 MHz，误差的绝对值不大于0.1%；b)脉宽为100 ns，误差的绝对值不大于1%；c)幅度为5±0.1 V(负载电阻为50)；d)上升时间不大于30 ns，过冲不大于5%。

本系统的设计原理是将输入的脉冲信号经THS300电路缓冲衰减处理后，将信号幅度控制在3.3～5 V范围，接着利用FPGA控制系统对处理过的信号进行等精度测频及脉宽测量，输出数字量传送给MSP430控制系统进行处理，并将结果在LCD12864上显示出来。系统的结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 技术方案分析比较

2.1 测量频率的论证与选择

方案一：IAP15F61S单片机。本方案使用IAP15F61S的外部中断和定时器“0”共同控制下，外部中断采用上升沿检测计数，定时器控制1秒的时间闸门信号，1秒内外部中断累计的脉冲次数就是信号的频率。方案简单易行，成本较低，但是只能测低频[4]。

方案二：纯硬件电路。本方案采用74HC04进行放大整形发送数码管，稳定性好，但是设计复杂，成本较高。

方案三：FPGA和单片机结合。本方案利用FPGA的高速性和可靠性，对处理过的信号进行等精度测频及脉宽测量，再利用单片机的运算能力，对信号进行数字处理，并将结果在LCD上显示出来。本方案FPGA、单片机易编写，使用方便，满足本题需要。

方案选择：综合以上三种方案，选择方案三。

2.2 前级电路的论证与选择

方案一：用继电器进行调挡，利用反馈电阻的阻值不一样，进行放大和衰减，高速AD进行采集。

方案二：压控放大电路和峰值检波。波峰检波电路可以将正弦波和方波取其峰值，进行电阻分压，进行采样后数值送到液晶显示。

方案选择：综合以上方案，选择方案二。

2.3 控制系统的论证与选择

方案一：15系列单片机。价格便宜，性能比51单片机高出很多。但是在高速电路中可能速度不够，片内集成资源少。

方案二：MSP430单片机。低电源电压范围，1.8～3.6 V。超低功耗，拥有5种低功耗模式，灵活的时钟使用模式。高速的运算能力，16位RISC架构，125 ns指令周期。丰富的功能模块，多通道10-14位AD转换器；双路12位DA转换器；综合考虑采用MSP430单片机[5]。

方案选择：综合以上方案，选择方案二。

3 功能指标实现方法

FPGA片内包括等精度测频模块、占空比测量模块、时间检测模块、分频脉冲信号发生器模块及数据传输模块。

3.1 脉冲信号频率的测量

测量脉冲信号频率(如图2)主要是利用FPGA等精度测量法，以FPGA开发板上的50 MHz晶振作为基准频(Fs)，FPGA对基准频计数为Ns，对被测频率Fx计数计为Nx，通过公式：Fx = Fs*Nx/Nx，实现等精度计算测量频率。

图2 等精度测频模块

3.2 脉冲信号占空比的测量

脉冲信号占空比(如图3)主要以FPGA开发板自带50 MHz作为基准，通过基准计数实现对脉冲信号正负脉宽的测量，从而实现对脉冲占空比的测量。设正脉宽为Pn，负脉宽为Pp，则周期T=Pn+Pp，占空比Du=Pn/T=Pn/(Pn+Pp)。

图3 占空比测量模块

3.3 脉冲信号幅度的测量

脉冲幅度测量(如图4)主要是利用峰值检波电路，将输入的脉冲信号整形为等幅的直流信号，然后将直流信号输入MSP430单片机，MSP430利用自带的ADC12将电压信号采集转换成数字信号，通过数据处理得到数字信号的幅度值。

图4 时间检测模块

3.4 1 MHz矩形脉冲信号发生器的实现

矩形脉冲信号发生器(如图5)主要利用FPGA开发板自带的50 MHz晶振50分频，并通过控制系统内部计时控制脉宽为10%[6]。

4 系统软件设计分析

测量各参数软件流程图如图6所示。

图5 分频脉冲信号发生器模块

图6 软件流程图

5 作品成效总结分析

1)测频信号测试结果(单位HZ/V)如表1：

表1 频率测试结果

2)占空比测试结果(单位/V)如表2：

表2 占空比测试结果

3)幅度信号测试结果如表3所示：(单位/V)

表3 脉冲幅度变化的数据

所测得的数据均在误差范围之内，达到了所有的性能指标。

6 结论

本次作品在制作过程中遇到了许多问题，由于题目参数的要求，测量频率的范围最高要达到2 MHz，测量误差绝对值不大于0.1%，普通的51单片机无法实现对2 MHz频率的测量。为了频率测量的准确性和稳定性，采用FPGA对频率和占空比的精确测量，并将测量到的数据传送给MSP430单片机进行显示。由于涉及MSP430单片机和FPGA的编程联调，在测试的过程中，出现MSP430无法采集到FPGA传送的数据，这时就需要一级一级进行测试，需要对FPGA是否采集到频率信号进行检测，同时也需要排查接线是否插好，还要检查单片机的数据接收程序和数据处理是否有问题，这对处理问题能力的提升有很大帮助。