基于STM32F4的脉冲参数测试仪的设计

苗佳兴

沈阳工学院

基于STM32F4的脉冲参数测试仪的设计

苗佳兴

沈阳工学院

目前方波，三角波，正弦波的使用越来越广泛，在通信、计量、测量技术和仪器等领域扮演重要角色，对信号参数的控制及测量也显得极其重要，其中，对其参数(频率、幅值、占空比)测试尤其重要。脉冲参数测试仪是在信号测量常用的一种仪器，用它可以测量峰值、频率、占空比、上升沿时间。本设计基于Cotex-M4内核的STM32F4单片机做为主控芯片，通过一些外围电路的设计可以测量脉冲信号峰值、频率、占空比、上升沿和下降沿时间等参数。

频率 占空比 幅值 脉冲整形

1 系统整体设计

本系统有硬件电路的信号处理部分，与软件数据分析部分组成，共有4个功能模块、峰值测量模块、频率测量模块、占空比测量模块、上升沿时间测量模块。本系统最终实现预测信号智能预处理并送MCU进行分心显示，以极高的速度获得所测信号的峰值、频率、占空比、上升沿和下降沿等参数。系统整体功能模块如图1所示。

图1 基于STM32F4的信号分析仪系统功能模块图

2 峰值测量模块

峰值测量有两个难点，第一难点为信号峰值为周期性变化，并不是稳定不变，所以不能简单直接测量。第二难点为信号存在过充现象并不能简单的取最大值直接测量。本系统采取的解决方案为取平均数X，然后再取比平均数X的值，再循环取平均数N次后乘补偿数。AD采样采用16为ADC芯片ADS1118采样后使用SPI接口传送到MCU。

3 占空比测量模块

占空比测量是指占空比是指（脉冲）信号的通电时间与通电周期之比。在一串理想的脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值，如图2所示。本系统采用高频抽样做比的方式进行占空比测量，利用所抽取的样本的高电平数与信号频率比值测量出所测信号的占空比。本方案解决了高频信号难以采集的难题。首先用MAX913比较器对信号进行整形处理，改善了信号上升下降沿时间引起的误差。信号采样定时器中断频率为500Khz，实测最高频率60Mhz。

图2 占空比测量图

4 信号频率测量模块

频率测量模块分为信号处理与分析两大部分。待测信号首先高速比较器OPA690进行前置放大解决微弱信号无法采集的问题，之后通过MIX913高速比较器进行整形，保证MCU可以稳定采集到所测信号。处理后的信号送入MCU定时器外部计数通道，每过1s在外部计数定时器寄存器内取出的震荡次数，该震荡次数即为所测信号的频率。综合测试本系统可测频率为1hz～40Mhz、0.02v以上的信号。精确度为0.03%，期间频率的误差主要产生于MCU每秒一次的定时器所占用的时间，改时间内产生最高优先级的中断，外部计数定时器无法计数。此误差原因可以采用固定的补偿系数进行实测补偿。

5 软件程序框图

本系统软件主要针对STM32F4单片机，共启动了3个定时器，外接一个SPI模块，一块LCD液晶显示屏。由SPI接口获取所测信号的最大幅值，定时器1对应通道的接口获取所测信号，并测量信号的频率。一个通用I/O接取所测信号的占空比软件框图如图3所示。

图3 基于STM32F4的信号分析仪软件部分功能模块图

[1]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].华中科技大学出版社

[2]吴友宇. 数字电子技术基础[M]. 清华大学出版社

[3]方建邦. 电子线路基础[M].高等教育出版社

[4]侯国宾.一种增益可控射频放大器的设计与实现[D].数码世界

李志