基于FPGA的脉冲信号发生测试一体装置

任欢 蔡沅坤

摘 要：文中以FPGA和MSP430相互配合组成相应系统，制作出数字显示的周期性矩形脉冲信号参数发生测试一体装置。该系统利用测量周期法和等精度多周期同步测量方法分别对低频信号和高频信号进行测量。为了解决传统测量方式在精度要求方面不足等问题，系统采用优化设置标准时钟频率等改善措施进行弥补。目前，信号频率的测量已有多种测量方案，如过零检测法、离散傅里叶变换、离散卡尔曼滤波等。但这些方法均存在对高频信号快速测量的局限性、频谱泄漏以及准确性不佳等问题。为了使系统具备更加高效、高速的运算能力，选择以MSP430作为微型控制核心，以FPGA作为信号的最小处理单位，完成对正弦信号频率、矩形脉冲信号占空比、脉冲信号幅度和脉冲信号上升时间等参数的测量。

关键词：多周期同步测量;占空比;上升时间;FPGA;等精度频率测量;单片机

中图分类号：TP39;TN741文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）10-00-04

0 引 言

电子产业在市场逐渐占据重要地位，相关产业对频率等数据测量结果的快速性、稳定性、准确性等多项指标拥有更进一步的需求。当前多采用过零检测法、Fourier变换以及Kalman Filtering等测量信号频率。但这些方案中对于高频信号的测量存在频谱泄漏和精度不足等局限，对此，本系统将高速现场可编程逻辑阵列、低消耗微型处理器相结合，利用多周期测量原理，通过优化设置标准时钟信号频率，对于低频信号采用直接测周法测量，对于高频信号利用高精度多周期同步测量法完成对信号频率、占空比、信号幅值及信号上升时间等多项数据的准确测量[1-3]。

1 系统设计思路

1.1 系统总体结构

系统由Cyclone IV EP4 CE6 E22 FPGA，MSP430 F5529 MCU，控制模块，测量模块，外围电路模块（放大模块、比较模块及整形模块）以及显示模块构成，系统总体结构如图1所示。其中，对于数据的接收和处理以及命令传递由MCU负责;利用FPGA的内部计数模块、等精度频率测量模块、电平时间计数模块、信号幅度测量模块及信号上升时间测量模块完成对信号频率、占空比、幅度、上升沿时间的数据测量。同时根据MCU和FPGA之间（通过SPI协议）的信号传输完成指令与数据互传。本系统利用外围电路对输入信号进行相关处理，主要把待测信号通过放大整形调理成能够被FPGA判别的信号，并通过按键控制所测数值的显示，利用OLED12864显示所得数值[4-7]。

1.2 时间及频率测频原理

1.2.1 等精度频率测量法

设置某种特定标准时钟信号条件下，对待测信号的上升沿进行捕获并且计数，从而得到待测信号频率。等精度频率测量原理如图2所示，如果在标准时钟信号T内，待测信号上升沿个数为m，而捕获到的上升沿个数[8]为n，则待测信号频率为：

由上式可以得出结论：通过理论计算所得的测量误差和信号频率参数无直接关系[9-10]。为了进一步提高测量精度，可以增加标准时钟的同步时间T或者增大时钟信号频率。对于频率低于1/T的信号则无法用等精度测频法测量。在实际测量中，因为硬件部分等其他原因，导致FPGA运算结果存在一定误差，实际误差为：

1.2.2 直接测周法

对于待测信号在一个周期内利用标准时钟进行计数，将所得数值通过计算得到待测信号频率，其测量原理如图3所示。如果在待测信号的某个周期内捕获到标准时钟信号有m个上升沿[11]，那么待测信号频率为：

1.3 外围电路设计

外围电路模块对输入信号进行放大整形等调理，从而使得输出信号转换为TTL信号。将输入信号调理为大于等于2.4 V的TTL信号，由于该系统的测量是建立在通过捕获待测信号的上升沿从而完成对信号的频率测量，所以经过调理电路后的输出信号可保证较短的上升时间。

该装置系统的外围电路主要对高频到低频信号进行放大和比较。对于高频信号，正弦信号无需经过调理电路处理也可被捕捉到上升沿，只需经过高增益放大器进行放大即可;为了将低频信号整形为方波电路，不仅需要经过放大电路，并且在后级需要连接施密特触发器;中频信号需要先经过放大电路后再经过十分频电路输出级联至低频信号处理电路整形为方波。本系统应用由TI公司提供的OPA847（宽带超低噪声电压反馈运算放大器）作为前级信号放大电路的核心，该款芯片具有较高的增益带宽积（3.9 GHz）、较低的电压输入噪声（0.85 nV·Hz-1/2）以及较高的压摆率（950 V·μs-1）。

2 系统实现

单片机MSP430F5529的程序框架如图4所示。其主要测量功能包括正弦波频率测量、信号上升沿时间测量、脉冲信号占空比测量以及脉冲信号幅度测量等。程序启动后，根据按下对应功能的按键从而使单片机向FPGA发送控制指令，控制FPGA测量对应参数。参数测量完成后，FPGA与单片机通过SPI通信方式传递数值，单片机控制OLED12864显示测量参数。考虑到FPGA和MUC的系统时钟相差较大，在设置SPI通信时将单片机设置为主设备，FPGA设置为从设备。通过利用单片机以I/O口模拟SPI的工作方式，让I/O口发出时钟信号SCLK，完成FPGA与单片机的通信。

FPGA模块主要包括top文件、频率测量模块、脉冲信号占空比测量模块、SPI通信模块、脉冲上升沿时间测量模块等，FPGA模块的RTL综合结果如图5所示。其可根据需要的模块功能，对FPGA的初始系统时钟进行锁相环倍频处理。单片机MSP430通过控制线对频率、占空比、上升沿时间、幅度四种功能进行选择。待测信号经过调理电路后可转化为易被识别的TTL信号并直接与FPGA的测频和测占空比模块连接，进一步获得测量结果。当测量脉冲信号上升沿时，输入信号通过比较、放大处理后形成两路方波信号，并将其中一路信号经由1.5倍分频与另外一路信號共同接入测量上升沿模块，计算两路信号的时间间隔，完成对两路信号多项数据的测量。

3 测试结果与分析

脉冲信号发生测试一体装置性能优势主要体现在测量结果准确，并且在保证精度的条件下同时具备较大的频率范围以及较低的输入幅值。众所周知，当前该类设备的技术难点在于保证提高频率范围、降低输入幅度的条件下依旧能够完成高精度测量。对此，如果将FPGA系统同步时间设置为1 s，并且保证测量精确度大于等于0.01%，则有：

为了满足各项模块测量精度的需要，本系统根据不同模块设置不同的标准系统时钟（改变锁相环倍频系数，如频率测量时将初始时钟倍频至200 MHz，测量上升沿时将初始时钟倍频至800 MHz）。

首先控制输入幅度为100 mV和300 mV，测量1 Hz～25 MHz频段范围内的正弦波頻率，测试结果见表1、表2所列。根据测试结果可知，在1 Hz～25 MHz的频率范围内，该装置测量数据的相对误差最大值为0.003 0%。

在300 mV至500 mV条件下进行1 Hz～1 MHz频段范围内上升沿时间测试的目的在于验证系统测量信号上升沿时间的准确度，测试结果见表3、表4所列。测试结果显示，信号上升沿时间测量的数值结果相较于仪器数值较小，测试结果的相对误差最大值为2.51%。测量方式产生的一定量误差可由算法弥补。

针对幅值100 mV、频率范围在1 Hz～10 MHz的矩形脉冲信号进行了占空比数据测量，测量目的在于验证系统测量占空比功能的准确度，测量结果见表5、表6、表7所列。由数据结果分析，该测量系统所得数值相对标准值几近准确，误差较小，测量结果的相对误差最大值为0.10%。

针对幅值100 mV～3 V、频率范围在1 Hz～10 MHz的方波信号进行幅度数据测量，测量目的在于验证系统测量信号幅度功能的准确度，测量结果见表8、表9所列。由数据结果分析，该测量系统所得数值相对标准值存在较小误差。当测量幅度值较小时，由于装置内部电路具有20～50 mV的硬件误差，测量结果误差较大;当测量幅度值较大时，测量结果更为准确，结果测量最大相对误差为1.67%。

4 结 语

由于当前测量装置在测量方面的要求逐步提升，本文提出了基于MSP430F5529与FPGA的多功能脉冲信号发生测量一体装置，在标准时钟设置信号频率方面进行了进一步的改进以及优化。该系统能够完成各项信号的产生，同时也能够实现对于正弦波频率测量、矩形脉冲信号占空比测量、信号上升沿时间精确测量以及信号幅度测量等功能。根据结果分析，该系统具备测量精度高、性能稳定等特点，完全达到预期的功能以及目标，但系统的部分功能仍具有完善的空间。根据相关理论可知，该系统可完成200 MHz范围内的精准频率测量，相较于该系统的前期功能和性能有较大提升。后续笔者将对高频信号处理进行研究，并对幅度测量功能进行完善、优化。

参考文献

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