苗佳興

沈陽工學院

基于STM32F4的脈沖參數(shù)測試儀的設計

苗佳興

沈陽工學院

目前方波，三角波，正弦波的使用越來越廣泛，在通信、計量、測量技術和儀器等領域扮演重要角色，對信號參數(shù)的控制及測量也顯得極其重要，其中，對其參數(shù)(頻率、幅值、占空比)測試尤其重要。脈沖參數(shù)測試儀是在信號測量常用的一種儀器，用它可以測量峰值、頻率、占空比、上升沿時間。本設計基于Cotex-M4內(nèi)核的STM32F4單片機做為主控芯片，通過一些外圍電路的設計可以測量脈沖信號峰值、頻率、占空比、上升沿和下降沿時間等參數(shù)。

頻率 占空比 幅值 脈沖整形

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)有硬件電路的信號處理部分，與軟件數(shù)據(jù)分析部分組成，共有4個功能模塊、峰值測量模塊、頻率測量模塊、占空比測量模塊、上升沿時間測量模塊。本系統(tǒng)最終實現(xiàn)預測信號智能預處理并送MCU進行分心顯示，以極高的速度獲得所測信號的峰值、頻率、占空比、上升沿和下降沿等參數(shù)。系統(tǒng)整體功能模塊如圖1所示。

圖1 基于STM32F4的信號分析儀系統(tǒng)功能模塊圖

2 峰值測量模塊

峰值測量有兩個難點，第一難點為信號峰值為周期性變化，并不是穩(wěn)定不變，所以不能簡單直接測量。第二難點為信號存在過充現(xiàn)象并不能簡單的取最大值直接測量。本系統(tǒng)采取的解決方案為取平均數(shù)X，然后再取比平均數(shù)X的值，再循環(huán)取平均數(shù)N次后乘補償數(shù)。AD采樣采用16為ADC芯片ADS1118采樣后使用SPI接口傳送到MCU。

3 占空比測量模塊

占空比測量是指占空比是指（脈沖）信號的通電時間與通電周期之比。在一串理想的脈沖周期序列中，正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值，如圖2所示。本系統(tǒng)采用高頻抽樣做比的方式進行占空比測量，利用所抽取的樣本的高電平數(shù)與信號頻率比值測量出所測信號的占空比。本方案解決了高頻信號難以采集的難題。首先用MAX913比較器對信號進行整形處理，改善了信號上升下降沿時間引起的誤差。信號采樣定時器中斷頻率為500Khz，實測最高頻率60Mhz。

圖2 占空比測量圖

4 信號頻率測量模塊

頻率測量模塊分為信號處理與分析兩大部分。待測信號首先高速比較器OPA690進行前置放大解決微弱信號無法采集的問題，之后通過MIX913高速比較器進行整形，保證MCU可以穩(wěn)定采集到所測信號。處理后的信號送入MCU定時器外部計數(shù)通道，每過1s在外部計數(shù)定時器寄存器內(nèi)取出的震蕩次數(shù)，該震蕩次數(shù)即為所測信號的頻率。綜合測試本系統(tǒng)可測頻率為1hz～40Mhz、0.02v以上的信號。精確度為0.03%，期間頻率的誤差主要產(chǎn)生于MCU每秒一次的定時器所占用的時間，改時間內(nèi)產(chǎn)生最高優(yōu)先級的中斷，外部計數(shù)定時器無法計數(shù)。此誤差原因可以采用固定的補償系數(shù)進行實測補償。

5 軟件程序框圖

本系統(tǒng)軟件主要針對STM32F4單片機，共啟動了3個定時器，外接一個SPI模塊，一塊LCD液晶顯示屏。由SPI接口獲取所測信號的最大幅值，定時器1對應通道的接口獲取所測信號，并測量信號的頻率。一個通用I/O接取所測信號的占空比軟件框圖如圖3所示。

圖3 基于STM32F4的信號分析儀軟件部分功能模塊圖

[1]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）[M].華中科技大學出版社

[2]吳友宇. 數(shù)字電子技術基礎[M]. 清華大學出版社

[3]方建邦. 電子線路基礎[M].高等教育出版社

[4]侯國賓.一種增益可控射頻放大器的設計與實現(xiàn)[D].數(shù)碼世界

李志