基于STM32單片機的脈沖信號參數高精度測試儀

張一荻

摘 要：設計了以STM32單片機為核心的脈沖信號參數測試儀，可測量脈沖信號的幅度、頻率、占空比、上升時間等參數。儀器利用STM32增強型單片機的高速、高精度運算能力，可實現脈沖信號參數的高速精密采樣；采用的精度測量等一系列措施，有效提高了測量精度，縮短了測量時間。實驗結果表明，研制的測試儀精度高、可靠性好、誤差率低，可用于電信號參數測量、儀器檢測等領域。

關鍵詞：STM32單片機 脈沖信號 精密測試 等精度測量

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0027-02

隨著現代電子技術的高速發展，對于脈沖信號測量精度和速度的要求也越來越高，尤其雷達信號等微弱脈沖信號的檢測[1-3]。但目前往往采用傳統示波器對脈沖信號進行測試，這樣很難達到對脈沖信號參數的全面、精密測量。針對上述情況，該文設計了一種脈沖信號參數高精度測試儀，儀器以STM32增強型單片機為核心，利用STM32增強型單片機的高性能特性，可實現脈沖信號的幅度、頻率、占空比、上升時間等參數的高速高精度測量。

1 硬件電路設計

設計的脈沖信號參數測試儀如圖1所示，以單片微型計算機為核心，由信號調理電路、采樣控制電路、電源電路、鍵盤電路、通信電路、顯示器等組成。單片機選用32位的STM32增強型單片機[4]， 該單片機的最高時鐘頻率為72 MHz，內置8個定時/計數器和一個實時時鐘 RTC，并集成有3個12位的A/D轉換器、1個D/A轉換器和80個I/O口，其運算速度快、計算精度高、功率消耗低，可高速高精度檢測脈沖信號的各個參數。

單片機電源電路如圖2所示，選用SPX1117 電壓轉換芯片，該芯片將5 V的電壓轉換為3.3 V的電壓，提供給單片機，作為單片機的電源電壓。

考慮單片機的電源電壓為3.3 V，必須對被測的脈沖信號進行幅值處理，脈沖信號調理電路如圖3所示，選用LM393比較器，比較器將輸入的不同幅值脈沖信號整形成3.3 V的方波信號，再輸入單片機，進行頻率、占空比測量。

頻率測量采用等精度測量的方法，采樣時間為被測信號周期的整數倍。采樣電路如圖4所示，由兩個D觸發器構成，經兩個D觸發器的觸發后，將被測信號轉換成一個采樣信號，采樣信號高電平的寬度為被測信號周期的2倍，當采樣信號上升沿到來時，單片機開始對片內時鐘信號和被測信號進行計數；當下降沿到來時，停止計數。然后根據兩個計數器的計數值和時鐘信號的頻率，即可計算出被測信號的頻率。

2 軟件設計

2.1 測量頻率

測量頻率采用等精度測量的方法[5]，采樣時間是被測信號周期的整數倍，與被測信號同步，由此消除對被測信號計數所產生的±1個字誤差，實現整個測試頻段的等精度測量。在采樣時間段，計數器分別對單片機時鐘脈沖信號和被測脈沖信號進行計數，設時鐘脈沖信號的頻率為，時鐘脈沖信號的計數值為N0，被測脈沖信號的計數值為N，則被測信號的頻率為：

（1）

2.2 占空比測量

測量占空比采取直接測量脈寬的方法。利用脈沖計數法，分別對待測信號的高電平和低電平用單片機時鐘脈沖進行計數，根據脈沖數目計算待測信號寬度。設高電平計數值為NH，低電平計數值為NL，則占空比為：

（2）

2.3 幅值和上升沿時間測量

脈沖信號幅值和上升沿時間直接通過單片機直接檢測，如圖1所示，被測信號經A/D轉換后輸入單片機，單片機對轉換后的數字量進行采樣，若采樣結果低于某個值則認為是低電平直接舍去，將剩余的數據存入單片機的數據存儲器中，再利用冒泡排序法求中位數，即為脈沖信號的幅值。

在測量占空比時，當單片機檢測上升沿數值達到10%幅值時，發出中斷，觸發計數器計數，當單片機檢測上升沿數值達到90%幅值時，則計數器停止計數。設計數器的計數值為N0，時鐘脈沖信號的頻率為，則上升沿時間為：

（3）

3 實驗測試

對設計的儀器進行了頻率、占空比、幅值和上升時間測量功能的性能測試，測試數據如表1所示。

由表1可見，儀器能夠測量脈沖信號的頻率為10 Hz～5 MHz，誤差值小于0.01%；占空比為10%～90%，誤差值小于0.02%；幅度為0.1～10 V，誤差值小于0.1%；脈沖上升時間為100～900 ns，誤差值小于1%。

4 結語

設計的以STM32單片機為核心的脈沖信號參數測試儀，可測量脈沖信號的幅度、頻率、占空比、上升時間等參數。儀器利用STM32增強型單片機的高速高精度性能，可實現脈沖信號參數的快速精密測試；采用等精度測量等一系列措施，有效提高了測量精度，縮短了測量時間。實驗結果表明，研制的測試儀精度高、可靠性好、誤差率低，可用于電信號參數測量、儀器檢測等領域。

參考文獻

[1] 徐文強，任勇峰，文豐.基于FPGA的高速脈沖信號源的設計與實現[J].微計算機信息，2007，23（2）：229，251-252.

[2] 高曉陽，劉成忠.基于單片機的數字信號測試分析儀[J].甘肅農業大學學報，2006，41（2）：95-97.

[3] 任勇峰，安榮，李圣昆.基于FPGA的雷達信號處理器測試臺McBSP接口設計[J].計算機與現代化，2009（2）：24-26.

[4] 李文濤，余福兵.基于STM32單片機的電阻爐智能溫度控制器的設計[J].化工自動化及儀表，2012，39（1）：89-91.

[5] 謝浪清.高速等精度頻率測量的研究[J].中國科技信息，2006（15）：304-306.