基于FPGA的脉冲信号参数测量系统设计

李德明, 胡君辉

(广西师范大学 物理科学与技术学院, 广西 桂林 541004)

脉冲信号参数测量仪可以测量脉冲信号频率、幅度、占空比、上升时间等参数[1]。为了满足应用需求,本文设计了一种脉冲信号参数测量系统,采用FPGA为主控制器,实现测量精度高、多参数测量、数字化显示、便携式的脉冲信号测量仪。

1 系统设计方案

采用FPGA作为主控制器,充分利用FPGA运行速度快、并行运算处理的特点,实现高速A/D采集、数据存储、逻辑控制等功能[2]。再结合单片机在数据处理、控制灵活方面的优势,由单片机读取FPGA的测量数据进行处理,并在LCD1602液晶模块显示结果。

系统设计框图见图1。由于待测信号的幅度会受到扰动,且有可能幅度太大会损坏器件,从而影响测量,所以系统中对输入信号分两路进行处理。一路经过缓冲衰减电路后通过AGC(增益自动控制)电路控制，输出信号幅值稳定在2 V左右,设置连接AGC电路输出的两路TLV3501高速比较器阈值电压分别为AGC电路输出电压的10%和90%,将比较器的输出信号送到FPGA中测量脉冲的频率、占空比、上升时间[3]；另外一路进入缓冲电路,通过放大、衰减、直通3种量程切换电路将脉冲信号转换成合适的电压幅值送入到AD9280模数转换芯片,由FPGA控制采集实现脉冲信号幅度的精确测量,最后通过单片机从FPGA读取测量参数,经过转换处理后在LCD1602液晶模块显示测得数据。

校准测试需要用到矩形脉冲信号,通过FPGA设计脉冲信号发生器,由IO口输出后经放大电路增加驱动能力,输出脉冲信号是能驱动负载电阻50 Ω、幅度为5 V的脉冲信号。

图1 脉冲信号参数测量系统框图

2 硬件电路设计

2.1 缓冲衰减电路

为了满足AGC电路输入信号电压和输入阻抗50 Ω的要求,采用THS3001芯片设计输入缓冲衰减电路。该芯片是超高速电流负反馈运算放大器,具有转换速率高、工作频带宽、供电范围宽、输出电流大特点,非常适合用于缓冲器、放大器等方面设计[4]。如图2所示,THS3001构成输入缓冲器,R2/R3电阻构成分压衰减电路,将输入信号经过电阻匹配后输出幅度为原信号的五分之一。

图2 缓冲衰减电路原理图

2.2 AGC自动增益控制电路

由于被测信号幅度变化范围为0.1～10 V,不能直接输入到FPGA进行测量,因此需要设计AGC自动增益控制电路,将被测信号幅度稳定在合适范围,然后供给后续比较器电路作为比较输入信号,经比较器输出后再提供给FPGA进行脉冲信号的频率、占空比、上升时间等参数测量。AGC电路模块采用程控放大器AD603作为核心芯片,框图如图3所示。

图3 AGC电路框图

AGC电路原理图如图4所示。利用比较器和检波电路构成负反馈自动调节系统,通过可变增益放大器AD603自动调节放大倍数。AD603依靠控制增益控制端电压GPOS-GNEG控制放大倍数；AD8561构成比较器电路,比较输入信号是第二级AD603输出信号(IN+)和阈值电压(IN-),使用二极管和RC电路对比较器输出信号进行检波,检波的值(VG-)的范围为0～3.3V,电路设置VG+为固定电压值1.4 V,将检波值作为AD603的VG-控制电压,从而保证控制调节电压((VG+)-(VG-))在AD603的控制电压(-500 mV～500 mV)范围内,确保AD603能正常工作。同时为了降低干扰,在后级连接高速放大器OPA690实现同向放大器,能起到缓冲作用,还能提高放大器的带负载能力。

2.3 TLV3501比较器电路

比较器的作用是将AGC电路输出稳定信号转换成FPGA能够识别的脉冲信号。利用比较器阈值为AGC输出电压90%那路输出信号可以测量频率和占空比。而为了测量上升时间需要将两路比较电路阈值电压分别设置为AGC的输出电压的10%和90%,产生的两路方波信号同时输入到FPGA中,利用FPGA计数测出两路信号相位差就可以计算出上升时间。比较器电路原理见图5。

图4 AGC电路原理图

图5 比较器电路原理图

2.4 A/D转换电路

测量脉冲信号幅度需要用到A/D转换器件,该设计采用AD9280转换芯片,AD9280是一款单通道、8位、32 MSPS模数转换器,采用单电源供电,内置一个片内采样保持放大器和基准电压源。A/D采集电路原理见图6。

图6 A/D采集电路原理图

3 参数测量设计分析

系统参数测量设计主要包括基于FPGA设计的频率、占空比、上升时间数据处理,以及单片机对脉冲信号幅度测量与数据显示两部分构成。

3.1 频率测量

频率测量采用等精度测量法,启动测量门控信号由被测信号和预置门共同控制,测量精度与被测信号的频率无关,只与基准信号的频率和稳定度有关,因此保证在整个测量频段内测量精度不变[5]。在预置门时间和常规测频闸门时间相同而被测信号频率不同的情况下,测量频率精度不变。等精度频率测量设计在FPGA中实现,其设计原理图如图7所示,被测信号是从比较器模块输出的脉冲信号,DFF触发器是实现测频开始和停止动作与被测信号上升沿同步的重要器件,从而消除了对被测信号计数所产生±1个字误差。

图7 FPGA等精度测频设计原理图

3.2 占空比测量

占空比=[(高电平计数×时钟周期)/信号周期]×100%,需要对脉冲信号高电平内对标准时钟进行计数,乘上时钟周期就可以得出高电平持续时间[6],而信号周期可以根据已测得信号频率的倒数计算。将FPGA芯片测量计数值传出到单片机进行处理,根据公式计算出被测脉冲信号的占空比,显示在液晶显示屏LCD1602上。

3.3 上升时间测量

图8 上升时间测量示意图

3.4 幅度测量

脉冲信号幅度是指上稳定电平与下稳定电平的差值,一般下稳定电平为0 V,因此脉冲幅度就是要测量脉冲信号的上稳定电平。

因为峰值检波测量法对脉冲信号幅度测量误差较大,该设计采用高速数据采样技术进行幅度测量[9]。方法是设置一个阈值,取大于阈值的采样数据并存储；对存储的采样数据排序,取其中间值(或去极值去平均)作为幅值。如果被测信号最小脉宽为50 ns,需要在一个周期内取25个数据,则A/D转换器采样速率约需500 MHz,器件选择比较困难,因此可以适度降低采样速率,然后在多个周期内取数据进行处理[10]。

采用采样速率为50 MHz(20 ns)的A/D转换器,则在脉宽为50 ns的被测脉冲信号上,一个周期内至少可以取得2个幅度近似为脉冲幅度的采样值,采集若干个数据后进行处理计算脉冲幅度。

3.5 输入通道的带宽设计

被测量信号频率可以达到2 MHz以上,占空比测量范围是10%～90%,则输入通道电路带宽以2 MHz、占空比10%为设计指标,对应的脉宽是50 ns。矩形脉冲信号的能量集中在0～2π/τ,因此0～2π/τ被认为是信号的频带宽度[11],如图9所示。脉冲信号的带宽与脉冲宽度τ有关,对应的带宽是fB=1/τ=20 MHz。在设计电路时，为了能真实地再现被测脉冲信号,需要设计输入通道的带宽达到100 MHz以上。选择THS3905作为输入缓冲器,信号放大通道选择OPA690电压反馈型运算放大器,模数转换采集电压选择AD9280。

图9 周期矩形脉冲信号的时域波形和频谱

4 系统软件设计

4.1 单片机软件设计

单片机软件设计实现A/D转换、测量计算脉冲幅度,并从FPGA中读取频率、上升时间、占空比的测量数据,经计算处理后在LCD上显示测得参数。软件设计流程图见图10。

图10 单片机软件设计流程图

4.2 FPGA内部逻辑设计

FPGA内部逻辑设计框图如图11所示,两路TLV3501比较器的输出信号送到FPGA中,用比较器1输出信号测量频率,用比较器2输出信号测量占空比,上升时间需要将两路信号进行相与整合后测量高电平脉冲时间。

图11 FPGA内部逻辑设计框图

5 测试结果与分析

5.1 脉冲信号频率测量

在输入端输入10 Hz～2 MHz的脉冲信号,分别取0.5、5 V两种幅度,根据测量显示得到的频率值与标称值计算误差。测试结果见表1。

表1 频率测量结果

5.2 脉冲信号占空比测量

在输入端输入1 V的脉冲信号,分别测试10 Hz、1 kHz、2 MHz频率下对应的占空比。测试结果见表2。

表2 占空比测量结果

5.3 脉冲信号幅度测量

在输入端输入占空比为50%的脉冲信号,分别测试10 Hz、1 kHz、2 MHz频率下对应的信号幅值。测试结果如表3所示。

表3 幅度测量结果

5.4 脉冲信号上升时间测量

在输入端输入频率为1 000 Hz的脉冲信号,调节不同上升沿时间。测试结果见表4。

表4 上升时间测量结果

根据测试结果可知,脉冲参数测量系统所测频率、幅度、占空比、上升时间,具有较高的测量精度,其中频率和占空比测量相对误差在1%以内,幅度和上升时间测量相对误差5%以内,达到预期设计指标。

测量误差来源主要有标准频率误差、量化误差、比较器阈值设置误差。±1量化误差对占空比测量误差的影响随着被测信号的频率的增大而增加,频率越低影响越小[12]。在两路比较器阈值是根据AGC电路输出幅度的10%和90%设定,由于AGC电路输出幅度在测量频带范围内存在误差,以及两个比较器传输延迟时间的不一致也会引入误差,因此造成上升时间的测量误差相对偏大[13]。幅度测量可采用多次采样测量和提高电路设计信噪比的方法,从而减小测量误差。

6 结论

本文设计的脉冲信号参数测量系统,采用 单片机与FPGA相结合的方式实现,充分发挥各自控制特点。通过FPGA并行处理特性实现脉冲信号幅度、频率、占空比和上升时间的测量,所有测量数据再经过单片机读取后送到LCD显示。同时为了满足测试和系统校准的需要,设计制作了参数可调的脉冲信号发生器。系统经过完整的参数测试达到预期设计指标,证明该设计方案具有可行性,后续可以进一步改善电路设计的信噪比,提高参数测量的一致性和稳定性。设计中采用了模块化设计方法,提高了设计效率,具有较高的实用性,性价比高，功能拓展灵活。