基于STM32单片机的脉冲信号参数高精度测试仪

张一荻

摘 要：设计了以STM32单片机为核心的脉冲信号参数测试仪，可测量脉冲信号的幅度、频率、占空比、上升时间等参数。仪器利用STM32增强型单片机的高速、高精度运算能力，可实现脉冲信号参数的高速精密采样；采用的精度测量等一系列措施，有效提高了测量精度，缩短了测量时间。实验结果表明，研制的测试仪精度高、可靠性好、误差率低，可用于电信号参数测量、仪器检测等领域。

关键词：STM32单片机 脉冲信号 精密测试 等精度测量

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（c）-0027-02

随着现代电子技术的高速发展，对于脉冲信号测量精度和速度的要求也越来越高，尤其雷达信号等微弱脉冲信号的检测[1-3]。但目前往往采用传统示波器对脉冲信号进行测试，这样很难达到对脉冲信号参数的全面、精密测量。针对上述情况，该文设计了一种脉冲信号参数高精度测试仪，仪器以STM32增强型单片机为核心，利用STM32增强型单片机的高性能特性，可实现脉冲信号的幅度、频率、占空比、上升時间等参数的高速高精度测量。

1 硬件电路设计

设计的脉冲信号参数测试仪如图1所示，以单片微型计算机为核心，由信号调理电路、采样控制电路、电源电路、键盘电路、通信电路、显示器等组成。单片机选用32位的STM32增强型单片机[4]， 该单片机的最高时钟频率为72 MHz，内置8个定时/计数器和一个实时时钟 RTC，并集成有3个12位的A/D转换器、1个D/A转换器和80个I/O口，其运算速度快、计算精度高、功率消耗低，可高速高精度检测脉冲信号的各个参数。

单片机电源电路如图2所示，选用SPX1117 电压转换芯片，该芯片将5 V的电压转换为3.3 V的电压，提供给单片机，作为单片机的电源电压。

考虑单片机的电源电压为3.3 V，必须对被测的脉冲信号进行幅值处理，脉冲信号调理电路如图3所示，选用LM393比较器，比较器将输入的不同幅值脉冲信号整形成3.3 V的方波信号，再输入单片机，进行频率、占空比测量。

频率测量采用等精度测量的方法，采样时间为被测信号周期的整数倍。采样电路如图4所示，由两个D触发器构成，经两个D触发器的触发后，将被测信号转换成一个采样信号，采样信号高电平的宽度为被测信号周期的2倍，当采样信号上升沿到来时，单片机开始对片内时钟信号和被测信号进行计数；当下降沿到来时，停止计数。然后根据两个计数器的计数值和时钟信号的频率，即可计算出被测信号的频率。

2 软件设计

2.1 测量频率

测量频率采用等精度测量的方法[5]，采样时间是被测信号周期的整数倍，与被测信号同步，由此消除对被测信号计数所产生的±1个字误差，实现整个测试频段的等精度测量。在采样时间段，计数器分别对单片机时钟脉冲信号和被测脉冲信号进行计数，设时钟脉冲信号的频率为，时钟脉冲信号的计数值为N0，被测脉冲信号的计数值为N，则被测信号的频率为：

（1）

2.2 占空比测量

测量占空比采取直接测量脉宽的方法。利用脉冲计数法，分别对待测信号的高电平和低电平用单片机时钟脉冲进行计数，根据脉冲数目计算待测信号宽度。设高电平计数值为NH，低电平计数值为NL，则占空比为：

（2）

2.3 幅值和上升沿时间测量

脉冲信号幅值和上升沿时间直接通过单片机直接检测，如图1所示，被测信号经A/D转换后输入单片机，单片机对转换后的数字量进行采样，若采样结果低于某个值则认为是低电平直接舍去，将剩余的数据存入单片机的数据存储器中，再利用冒泡排序法求中位数，即为脉冲信号的幅值。

在测量占空比时，当单片机检测上升沿数值达到10%幅值时，发出中断，触发计数器计数，当单片机检测上升沿数值达到90%幅值时，则计数器停止计数。设计数器的计数值为N0，时钟脉冲信号的频率为，则上升沿时间为：

（3）

3 实验测试

对设计的仪器进行了频率、占空比、幅值和上升时间测量功能的性能测试，测试数据如表1所示。

由表1可见，仪器能够测量脉冲信号的频率为10 Hz～5 MHz，误差值小于0.01%；占空比为10%～90%，误差值小于0.02%；幅度为0.1～10 V，误差值小于0.1%；脉冲上升时间为100～900 ns，误差值小于1%。

4 结语

设计的以STM32单片机为核心的脉冲信号参数测试仪，可测量脉冲信号的幅度、频率、占空比、上升时间等参数。仪器利用STM32增强型单片机的高速高精度性能，可实现脉冲信号参数的快速精密测试；采用等精度测量等一系列措施，有效提高了测量精度，缩短了测量时间。实验结果表明，研制的测试仪精度高、可靠性好、误差率低，可用于电信号参数测量、仪器检测等领域。

参考文献

[1] 徐文强，任勇峰，文丰.基于FPGA的高速脉冲信号源的设计与实现[J].微计算机信息，2007，23（2）：229，251-252.

[2] 高晓阳，刘成忠.基于单片机的数字信号测试分析仪[J].甘肃农业大学学报，2006，41（2）：95-97.

[3] 任勇峰，安荣，李圣昆.基于FPGA的雷达信号处理器测试台McBSP接口设计[J].计算机与现代化，2009（2）：24-26.

[4] 李文涛，余福兵.基于STM32单片机的电阻炉智能温度控制器的设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（1）：89-91.

[5] 谢浪清.高速等精度频率测量的研究[J].中国科技信息，2006（15）：304-306.