CN106771582A

CN106771582A - 高频脉冲信号的测试方法及测试仪

Info

Publication number: CN106771582A
Application number: CN201611039270.9A
Authority: CN
Inventors: 张荻; 张一荻
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种高频脉冲信号的测试方法及测试仪，以FPGA为核心，通过FPGA与单片机之间的实时通信，可高速、高精度测量高频脉冲信号的频率、占空比、幅度、上升时间等参数。通过高速比较器将输入的不同幅值高频脉冲信号整形成0~3.3V的方波信号，输入FPGA，实现频率、占空比的测量。通过标准矩形脉冲信号***参数测试提供了标准脉冲信号。信号瞬时幅值经A/D转换后输入单片机，单片机直接进行数据采样、处理，可得出高频信号的幅值。利用单片机分别给比较器输出10%和90%幅值的阀值电压，将整形后的两路信号送入FPGA，采用测时间间隔的方法可获得上升时间。本发明能够实现高频脉冲信号的高速高精度测试。

Description

高频脉冲信号的测试方法及测试仪

技术领域

本发明涉及一种高频脉冲信号的高精度快速测试方法及测试仪，属于电子信号参数测试领域。

背景技术

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相关要求也越来越高，例如在现代电子战中,雷达及反辐射导弹等武器的大量使用,形成了复杂多变且具有严重威胁的电磁环境，雷达辐射源具有高密度、覆盖全频段、频率捷变、重频变化等特点，通过对雷达视频脉冲信号参数的测量,可以获得脉冲频率、脉冲幅度、脉冲上升时间和脉冲宽度等时域参数,获取敌方辐射源的型号、威胁等级等信息,从而对目标进行识别和定位

脉冲信号包含了丰富的高频和低频成分。在数据采集***中，通常需要脉冲信号源提供的信号来检测数据采集设备的工作状况。此外，脉冲信号源产生的信号还可以作为控制信号，用于实现对采集设备的控制。因此，在实际应用中，准确测量各种脉冲信号就显得尤为重要。但目前传统采用示波器对信号进行若干参数的测试，这样往往达不到对脉冲信号的全面掌握。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种能够实现高频脉冲信号的高精度自动测试方法及测量仪。

技术方案：为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种高频脉冲信号的测试方法，其特征在于利用FPGA采集高频脉冲信号参数，通过FPGA与单片机之间的实时通信，将FPGA采集的数据传给单片机，由单片机对数据进行后续处理，其中：

(1)频率的测量：利用比较器将输入的不同幅值高频脉冲信号整形成0～3.3V的方波信号，再输入FPGA；FPGA在设定的闸门时间内分别对标准脉冲信号和整形得到的方波信号进行计数，根据两个计数值和标准脉冲信号的频率，计算出被测高频脉冲信号频率；

(2)占空比的测量：利用脉冲计数法，用高频时钟脉冲分别对被测高频脉冲信号的高电平和低电平进行计数，根据脉冲数目计算出被测高频脉冲信号的占空比；

(3)幅值的测量：被测高频脉冲信号瞬时幅值经A/D转换后输入单片机，单片机在被测高频脉冲信号周期内对输入信号进行采样、处理，获得被测高频脉冲信号的幅值；

(4)上升时间的测量：利用单片机分别输出被测高频脉冲信号10％和90％幅值的阀值电压，将被测高频脉冲信号电压与两个阀值电压分别进行比较，得到两路方波信号，将得到的两路方波信号送入FPGA，采用测量时间间隔的方法得到被测高频脉冲信号的上升时间。

一种高频脉冲信号测试仪，其特征在于，包括：

频率信号调理电路，用于对输入信号的频率进行调理；

占空比信号调理电路，用于对输入信号的占空比进行调理；

幅值信号调理电路，用于对输入信号的幅值进行调理；

上升时间信号调理电路，用于对输入信号的上升时间进行调理；

FPGA，接收各调理电路输出的信号，对高频脉冲信号的参数进行测量，包括频率、占空比和上升时间；

单片机，对高频脉冲信号的幅值进行测量，并实时接收FPGA的测量数据进行数据分析；所述单片机通过一D/A转换器连接至上升时间信号调理电路，为上升时间信号调理电路提供两个阀值电压，被测高频脉冲信号电压分别与两个阀值电压进行比较，得到两路方波信号并输入FPGA用于上升时间的测量。

本发明以FPGA为核心器件，充分利用FPGA高速和并行等特点，实现快速测量高频脉冲信号的频率、占空比、幅值、上升时间等。通过FPGA与单片机之间的实时通信，将FPGA采集的数据传给单片机，由单片机对数据进行后续处理，实现了高频脉冲信号频率、占空比、幅值及上升时间等参数的高精度快速的测量。

附图说明

图1是高频脉冲信号测试仪结构框图

图2是频率、占空比、幅值信号调理电路图

图3是上升时间信号调理电路图

图4是标准脉冲信号产生电路图

图5是占空比测量波形图

图6是上升时间测量波形图

具体实施方式

实施例一

如图1所示为本发明高频脉冲信号测试仪结构框图。高频脉冲信号测试仪包括：频率、占空比、幅值信号调理电路，用于对输入信号的频率、占空比和幅值进行调理。上升时间信号调理电路，用于对输入信号的上升时间进行调理。FPGA，接收各调理电路输出的信号，对高频脉冲信号的参数进行测量，包括频率、占空比和上升时间。单片机，对高频脉冲信号的幅值进行测量，并实时接收FPGA的测量数据进行数据分析。单片机通过一D/A转换器连接至上升时间信号调理电路，为上升时间信号调理电路提供两个阀值电压，被测高频脉冲信号电压分别与两个阀值电压进行比较，得到两路方波信号输入FPGA用于上升时间的测量。测试仪还包括一个标准脉冲信号发生器，其连接FPGA，用于产生用于测试被测信号频率的标准参考信号。单片机与显示器连接，可以将处理过的数据通过显示器进行显示。

实施例二

如图2所示，本实施例的频率、占空比和幅值信号调理电路选用轨至轨高速比较器TLV3501，将输入的不同幅值脉冲信号整形成0～3.3V的方波信号，再输入FPGA。FPGA在闸门时间内分别对标准脉冲信号和被测高频脉冲信号进行计数，然后根据两个计数器的计数值和标准脉冲信号的频率，即可计算出被测高频脉冲信号的频率。为提高仪器灵敏度及频率最大测量范围，设置闸门时间为1s，标准脉冲信号由标准脉冲信号发生器产生，为1MHz时钟信号。

单片机采用MSP430单片机，该机在25MHz晶体的驱动下，可实现40ns的指令周期，从而实现数据的快速处理

测量占空比时，分别对被测高频脉冲信号的高电平和低电平用高频时钟脉冲进行计数，根据高、低电平计数值，即可计算出被测信号宽度。

被测高频脉冲信号的幅值直接通过单片机检测，如图1所示，将被测高频脉冲信号直接加在单片机上，单片机利用其自带的A/D进行转换后得到输入信号的幅值参数。在采样时，若采样结果低于某个设定值则认为是低电平直接舍去，将剩余的数据存入单片机存储器中，再利用冒泡排序法求中位数，即为被测高频脉冲信号的幅值。

上升时间信号调理电路如图3所示，单片机输出被测高频脉冲信号10％和90％幅值的两个数值，经D/A转换后分别输入高速比较器TLV3501，作为比器的两个阀值电压，被测高频脉冲信号电压分别与阀值电压进行比较，得到两路方波信号输入FPGA，分别记为A信号、B信号，FPGA在A信号的上升沿将信号设置为高电平，在B信号的上升沿设置为低电平，得到方波脉冲信号C，如图6所示。通过对C信号的频率和占空比测量，即可得到高电平的宽度时间，即被测信号的上升时间。

标准脉冲信号产生电路如图4所示，利用FPGA得到幅度为3.3V的矩形脉冲信号，将其输入比较器TLV3501，得到幅度为5V的矩形脉冲信号，再通过运算放大器THS3091对信号进一步处理输出，并接上50Ω负载，可得到标准脉冲信号。标准脉冲信号为测试被测脉冲信号的频率提供参考基准，其频率f₀为1MHZ，脉宽t_W为100ns，幅度为5±0.1V，上升时间不大于30ns。

利用上述高频脉冲信号测试仪，本发明的测试方法所采取的技术方案为：

(1)频率测量利用等精度测量法，先设定一个预置闸门，然后通过寄存器和***时钟同步得到真实闸门。在真实闸门开启的一段时间中，计数器分别对标准脉冲信号和被测脉冲信号进行计数，设标准脉冲信号计数值为N₀，被测脉冲信号的计数值为N，标准信号的频率为f₀，则被测信号的频率为

f＝f₀N/N₀

(2)占空比测量，如图5，在真实闸门开启的时间内，FPGA检测被测信号，若检测的信号为高电平，则计数器A计数，若为低电平，则计数器B计数，通过计数器A、B的计数值即可计算得到被测信号占空比。设计数器A的计数值为N_H，计数器B的低计数值为N_L，则占空比为

η＝N_H/(N_H+N_L)

测量时，被测信号与计数器时钟是独立的，因此高、低电平脉宽测量值误差最大为一个时钟周期。提高时钟信号的频率可以减小测量误差。并且由于采集一个周期测得的占空比具有一定的偶然性，所以采取多个周期求平均值的方法来减小误差。

(3)幅度测量时，将被测信号直接加在单片机上，利用单片机的A/D采样采出幅值参数。在采样时，若采样结果低于某个设定值则认为是低电平直接舍去，将剩余的数据存入单片机定常队列中。先取出最大的数据A，再将和A差值不超过100的数据取出，用冒泡排序法求中位数作为幅度测量的准确值。

(4)上升时间测量是通过将上升时间转换为测量方波高电平持续时间的方法来实现的，具体做法如下：首先，将单片机测量得到的幅值分别乘0.1和0.9，加在两个相同的TLV3501比较器的反向输入端，作为阀值比较电压，然后被测信号同时加在两个比较器的正向输入端，经过比较后得到两个上升沿不同步的方波A和方波B。当FPGA检测到方波A的上升沿时，将计数器使能拉高为1，当检测到方波B的上升沿时将该使能拉低，这样得到新的使能方波C，再测出该使能方波C的周期、占空比，即可求得该波形的高电平宽度，即被测信号的上升时间。

(5)产生标准矩形脉冲信号时，先利用***时钟倍频产生频率为100M的方波，然后通过计算标定两个固定的数值a，b。当计数值小于a时输出1，大于a小于b时输出0，而当计数值到达b时计数器清零。b的取值决定了产生方波的频率，而a的取值决定了产生方波的占空比大小。

利用本发明进行测试，其***测试性能指标如下列表格所示，其中

表1是频率测量功能的性能测试表

表2是占空比测量功能的性能测试表

表3是幅值测量功能的性能测试表

表4是上升时间测量功能的性能测试表

表5是标准矩形脉冲信号发生器波形测量表

表1频率测量功能的性能测试，

测试环境：脉冲幅度2V

占空比50％

表1

测量频率	相对误差(％)
		10.0000Hz	0
1.0000kHz	0
		1.01Mhz	0.01％
9.0082	0.09％

表2占空比测量功能的性能测试

测试环境：频率1Mhz

脉冲幅度2V

表2

表3幅值测量功能的性能测试

测试环境：频率1MHz

占空比50％

表3

脉冲幅度	测量幅值	相对误差
			100mV	98.2mV	1.8％
2V	1.975V	1.25％
			5V	4.962	0.76％
10V	10.085V	0.85％

表4上升时间测量功能的性能测试

测试环境：频率500kHz

脉冲幅度8V

表4

表5标准矩形脉冲信号发生器波形测量

表5

Claims

1.一种高频脉冲信号的测试方法，其特征在于利用FPGA采集高频脉冲信号参数，通过FPGA与单片机之间的实时通信，将FPGA采集的数据传给单片机，由单片机对数据进行后续处理，其中：

（1）频率的测量：利用比较器将输入的不同幅值高频脉冲信号整形成0~3.3V的方波信号，再输入FPGA；FPGA在设定的闸门时间内分别对标准脉冲信号和整形得到的方波信号进行计数，根据两个计数值和标准脉冲信号的频率，计算出被测高频脉冲信号频率；

（2）占空比的测量：利用脉冲计数法，利用高频时钟脉冲分别对被测高频脉冲信号的高电平和低电平进行计数，根据脉冲数目计算出被测高频脉冲信号的占空比；

（3）幅值的测量：被测高频脉冲信号瞬时幅值经A/D转换后输入单片机，单片机在被测高频脉冲信号周期内对输入信号进行采样、处理，获得被测高频脉冲信号的幅值；

（4）上升时间的测量：利用单片机分别输出被测高频脉冲信号10%和90%幅值的阀值电压，将被测高频脉冲信号电压与两个阀值电压分别进行比较，得到两路方波信号，将得到的两路方波信号送入FPGA，采用测量时间间隔的方法得到被测高频脉冲信号的上升时间。

2.根据权利1所述的高频脉冲信号的测试方法，其特征在于所述标准脉冲信号通过以下方式获得：利用FPGA得到幅度为3.3V的矩形脉冲信号，将其输入比较器，得到幅度为5V的矩形脉冲信号，再通过运算放大器对信号进一步处理得到所述标准脉冲信号。

3.根据权利要求1或2所述的高频脉冲信号的测试方法，其特征在于比较器采用轨至轨高速比较器。

4.一种高频脉冲信号测试仪，其特征在于，包括：

频率信号调理电路，用于对输入信号的频率进行调理；

占空比信号调理电路，用于对输入信号的占空比进行调理；

幅值信号调理电路，用于对输入信号的幅值进行调理；

5.如权利要求4所述的高频脉冲信号测试仪，其特征在于所述频率信号调理电路、占空比信号调理电路、幅值信号调理电路、上升时间信号调理电路均采用比较器实现。

6.如权利要求4所述的高频脉冲信号测试仪，其特征在于还包括标准脉冲信号发生器，所述标准脉冲信号发生器与所述FPGA连接，标准脉冲信号发生器为测试高频脉冲信号的频率提供标准参考信号。