基于單片機的脈沖信號參數(shù)測量系統(tǒng)

陳蓉，何英萍，陳紅仙

（蘇州大學軌道交通學院，江蘇蘇州215131）

目前，脈沖信號的使用日益頻繁，在工業(yè)各領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其既可以作為激勵信號，也可是未知的待檢測信號[1-5]。例如，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭背景下，脈沖信號是雷達信號的一種重要形式，對敵方此類雷達小信號參數(shù)實現(xiàn)精確監(jiān)測，將對戰(zhàn)局的發(fā)展起到關(guān)鍵作用[6-8]。因此，研究并設計制作一個測量范圍寬、性能穩(wěn)定、讀數(shù)快捷方便的脈沖信號參數(shù)測量設備，對科研及工程應用具有重要意義。

目前，通常采用單片機或者FPGA為控制核心，實現(xiàn)脈沖信號參數(shù)測量[9-12]。相較于FPAG，新型增強型單片機如STM32等，具有性能高，功耗低且價格低廉等優(yōu)點[13-15]?；诖?，文中設計了一種基于STM32F405的高精度脈沖信號參數(shù)測量儀，可實現(xiàn)對矩形脈沖信號頻率、占空比和幅值參數(shù)的有效測量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要硬件電路設計

本系統(tǒng)主要包含用于頻率和占空比測量的阻抗匹配與分壓整形電路模塊、用于幅值測量的峰值檢測電路模塊、基于STM32F405的單片機最小系統(tǒng)以及LCD顯示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 基于STM32F405的單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)是指單片機可以正常運行的最低配置，它由一系列模塊組成，包括電源模塊、復位模塊、時鐘模塊等。有了這些模塊，單片機即可運行各種基本的指令來實現(xiàn)基礎(chǔ)功能。

本設計中最小系統(tǒng)的核心器件為STM32F405，相較于前代的STM32系列，其在性能、接口、硬件設備上有了顯著的提升，采用了先進的90 nm工藝支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速率非常快，為脈沖信號參數(shù)的精確測量提供了有力保障。

最小系統(tǒng)使用外接8 M晶振為系統(tǒng)提供基本的工作脈沖。由于晶體振蕩器和單片機內(nèi)部振蕩電路工作時會產(chǎn)生諧波，進而影響整體電路工作的穩(wěn)定性，因此通常在晶振兩個引腳上外接10～50 pF陶瓷電容器接地，以降低諧波對電路穩(wěn)定性的影響。復位模塊則采用電容和電阻組成的RC復位電路。系統(tǒng)上電時會自動復位一次，需要時按下按鍵，系統(tǒng)即再次復位。

1.2 頻率和占空比測量預處理電路設計

為便于STM32F405對脈沖信號的頻率和占空比進行測量，待測信號首先需通過由THS3091、TLV3501和74LVC1G14組成的前級預處理電路。

首先，待測信號經(jīng)過第一級阻抗匹配電路，如圖2所示。阻抗匹配是指信號源的內(nèi)部電阻等于傳輸線的特性阻抗，且相位相同；或者傳輸線的特性阻抗等于負載阻抗的大小，且相位相同，從而獲得正常工作狀態(tài)的最大功率輸出比。從傳輸?shù)慕嵌瓤?，一旦出現(xiàn)阻抗失配的情況，電路會由輸出端反饋一個信號，導致輸送到傳輸線端子的功率不能被負載吸收，進而使整體傳輸效率大大降低。因此，阻抗匹配電路是必不可少的。本設計選用單路高電壓低失真電流反饋運算放大器THS3091。同向運放可以獲得較大的輸入阻抗，有效的降低輸入噪聲變化的影響。

圖2 第一級阻抗匹配電路

其次，經(jīng)阻抗匹配處理后，信號進入第二級比較電路，如圖3所示。本設計采用的是對信號邊沿進行計數(shù)的方法實現(xiàn)頻率測量。考慮到輸入信號由于各種因素會附帶一些干擾信號，影響對系統(tǒng)對邊沿的辨識和計數(shù)，因此需要選用具有遲滯回線的模擬比較器來消除這種寄生信號的干擾。同時為了確保高頻信號識別的準確性，應選用高速比較器。綜合考慮各種因素后，本設計采用推挽式輸出比較器TLV3501，該型號比較器在指定的偏移電壓（±5 mV）范圍內(nèi)具有一定的抗干擾能力。通常情況下，TLV3501的內(nèi)部遲滯電壓為6 mV。根據(jù)具體電路設計，本電路總的滯后比較電壓計算為：

即本設計電路的實際遲滯比較電壓為6 mV。

圖3 第二級比較電路

最后，第三級為整形電路。由于經(jīng)過前幾級電路的傳輸，脈沖信號往往會由于各種因素而發(fā)生波形畸變，導致上升沿和下降沿不理想，因此在預處理電路的最后一級，本設計采用了施密特觸發(fā)器，將邊沿有瑕疵的信號波形，整形成邊沿陡峭的矩形脈沖波，進而提高單片機對脈沖信號邊沿識別的準確率。設計中選用74LVC1G14對波形進行整形，并將反相后波形轉(zhuǎn)換成和測試信號相同的相位。

經(jīng)上述阻抗匹配、比較整形電路處理后，即可將信號送入STM32F405實現(xiàn)頻率和占空比的參數(shù)測量。

1.3 幅值檢測電路設計

為實現(xiàn)對脈沖信號幅值的測量，本系統(tǒng)采用了峰值檢測電路。目前，常用的峰值檢測電路由二極管和電容組成的，主要有分立二極管電容型、無二極管型以及集成峰值檢測電路等型式。而峰值檢測原理主要分為電壓型和跨導型。然而，電壓型峰值檢測不適用于高頻信號；跨導型峰值檢測則存在檢測波形單一的不足。

本設計采用由開漏輸出比較器和運算放大器構(gòu)成的電容充放電電路實現(xiàn)輸入信號峰值跟蹤檢測[17]。該類測量電路無需整流二極管檢測電路、放電電路，同時也無需單片機控制即可實時自動跟蹤被測信號，具有可節(jié)約引腳資源，提高微處理器資源利用率，可實現(xiàn)低占空比脈沖信號峰值檢測，可捕獲動態(tài)不穩(wěn)定信號峰值等優(yōu)點。設計中比較器U1A選用LM319AM，U2A選用高速雙運算放大器TL082。R3和C2組成低通濾波器，消除輸出信號中的紋波電壓和開關(guān)噪聲。U3A選用精密運算放大器OP07構(gòu)成電壓跟隨器，實現(xiàn)提高和緩沖幅值檢測電路帶載能力的功能，同時減少U3A輸入失調(diào)電壓對整體電路測量精度的影響，如圖4所示。

圖4 峰值跟蹤檢測電路設計原理圖

根據(jù)文獻[17]分析計算可得，當C1取值為0.1μF時，輸入信號Vin若為頻率為1 kHz，幅值為1 V的方波，則只需經(jīng)四分之一個方波信號周期，輸出信號Vout即可獲得被測信號的峰值。

此外，峰值檢測電路所得輸出為穩(wěn)定的直流電平Vout，其將被送入單片機進行AD轉(zhuǎn)換及顯示。然而本設計所用單片機STM32F405內(nèi)部集成的ADC采樣最大值不能超過3.3 V，但實際被測信號的峰值可達10 V，因此在Vout送入單片機前，需經(jīng)過分壓處理，系統(tǒng)設計中將信號縮小3倍后再送入單片機檢測。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

2 系統(tǒng)軟件程序設計

本設計中主程序主要完成系統(tǒng)時鐘、定時器、A/D以及液晶LCD顯示的初始化設置。然后根據(jù)接口輸入測試信號執(zhí)行各個模塊的測量子程序。主程序流程圖如圖5所示。

2.1 頻率測量子程序

利用單片機的定時/計數(shù)器實現(xiàn)連續(xù)脈沖波頻率的測量基本方法可分為兩種：

1）測頻法：在規(guī)定的時間內(nèi)（如1秒鐘）檢測脈沖的個數(shù)。

2）測周法：檢測規(guī)定的脈沖個數(shù)之間的時間。本設計采用測頻方法，即在1秒的有限時間內(nèi)檢測脈沖個數(shù)[10]。

2.2 占空比測量子程序

占空比是指高電平在一個脈沖周期中所占的比例，即占空比=脈沖寬度/周期。由于系統(tǒng)已經(jīng)測量得到信號的頻率，因此只要再測得信號的脈寬即可通過簡單計算得到相應信號的占空比。

本設計中經(jīng)過預處理的信號輸入STM32F405，定時器捕捉信號上升沿與下降沿之間計數(shù)差值得到信號脈寬，再與周期求商，即為占空比。

實際測量時發(fā)現(xiàn)單片機在捕捉信號邊沿時會受到信號頻率大小的影響，故在程序設計中對測量所得脈寬利用調(diào)整系數(shù)進行修正，以進一步減小測量誤差。

2.3 幅值測量子程序

待測信號經(jīng)幅值測量電路處理后，得到反映信號峰值的相對穩(wěn)定的直流電平，故只需將此信號送入STM32F405芯片進行檢測，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后即可得到相應被測信號的幅值。

信號送入單片機后，首先，啟動AD轉(zhuǎn)換；其次，查詢轉(zhuǎn)換完成標志；待AD轉(zhuǎn)換完成后，存儲當前數(shù)據(jù)；最后，取一定數(shù)量的轉(zhuǎn)換結(jié)果做平均處理，以減小誤差。

3 調(diào)試及測量結(jié)果

電路設計及制作完成后，需進行硬件及軟件調(diào)試。硬件調(diào)試方法下：分別依次測試阻抗匹配電路、比較電路、整形電路和峰值檢測電路的輸入和輸出信號波形，驗證每一部分電路功能是否達到預期效果；每一級電路正常工作后再進行整體性能測試，并將經(jīng)整個電路處理后的信號送入STM32F405完成相應參數(shù)的測量及顯示工作。

測試中，待測脈沖信號頻率為100 kHz，幅值為1.00 V，占空比為40%。信號經(jīng)比較及整形電路的輸入及輸出測試波形分別如圖6、7所示。其中，通道1所示統(tǒng)一為每級電路的輸入信號，通道2為輸出信號。

幅值檢測模塊測試中，輸入信號幅值為2.64 V，其余參數(shù)不變。圖8所示是該模塊輸入及輸出波形圖，可以看到檢測到的幅值為2.68 V，誤差符合設計要求。

圖6 比較模塊輸入輸出波形

改變信號參數(shù)，系統(tǒng)測試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，基于本設計的脈沖信號參數(shù)測量系統(tǒng)，測試誤差在設計指標規(guī)定的范圍內(nèi)，符合預期設計要求。

4 結(jié)論

圖7 整形模塊輸入輸出波形

圖8 峰值檢測模塊輸入輸出波形

表1 脈沖信號參數(shù)測試結(jié)果

文中基于STM32F405設計了一款脈沖信號參數(shù)測試系統(tǒng)，可實現(xiàn)對脈沖信號幅值、頻率及占空比的測量，精度能夠達到預期要求，參數(shù)測量結(jié)果由LCD顯示，便于記錄分析。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，便于攜帶測試，具有較強的實用性。