天津工业大学电子与信息工程学院 天津 300387
摘要：随着现代科技的高速发展，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：在电子侦察中,通过对雷达脉冲信号时域参数的高精度测量，可获取脉冲的相应细节,从而完成对目标的识别和定位。因此，在实际应用中，准确测量各种脉冲信号参数就显得尤为重要。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、准确测量。针对上述情况，本文设计了一种高速脉冲信号的高精度测试仪，仪器以FPGA为核心，通过与单片机之间的实时通信，可高速、高精度测量脉冲信号的频率、占空比、幅度、上升时间等。
关键词：FPGA；脉冲信号；参数高精度；测量技术
1硬件电路设计
高精度脉冲信号测试仪由频率信号调理电路、占空比信号调理电路、上升时间信号调理电路、幅值信号调理电路、现场可编程门阵列FPGA、单片微型计算机、显示器和标准矩形脉冲信号发生器等组成，由于FPGA核心频率可以达到几百MHz，并行处理能力强，非常适于处理高速信号，因此FPGA可以高速采集脉冲信号的频率、占空比、幅值、上升时间等数据，并通过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，再将测量结果在显示器上显示。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。选用高速比较器TLV3501，比较器将输入的不同幅值脉冲信号整形成0V～3.3V的方波信号，再输入FPGA。FPGA在闸门时间内分别对标准时钟信号和被测信号进行计数，然后根据2个计数器的计数值和标准信号的频率，即可计算出被测信号的频率。为提高仪器灵敏度及频率最大测量范围，设置闸门时间t为1s，标准信号为FPGA所提供1MHz时钟信号。测量占空比时，分别对被测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。单片机输出10%和90%幅值的2个数值，经D/A转换后输入高速比较器TLV3501，作为比器的2个阀值电压，被测信号电压分别与阀值电压进行比较，得到2路方波信号，将整形后的2路信号送入FPGA，采用测时间间隔的方法可得到上升时间。标准矩形脉冲信号产生电路，将FPGA分频后幅度为3.3V的矩形脉冲信号输入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，可得到标准矩形脉冲信号，标准信号的频率f0为1MHZ，脉宽tw为100ns，幅度为5±0.1V，上升时间不大于30ns。
2脉冲参数测量
2.1频率测量
频率测量利用等精度测量法，先设定一个预置闸门，然后通过寄存器和系统时钟同步得到真实闸门。在真实闸门开启的一段时间中，计数器分别对标准信号和被测信号进行计数，设标准信号计数值为N0，被测信号的计数值为N，标准信号的频率为f0，则被测信号的频率为
测量时，待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。
2.3幅值测量
脉冲信号幅值直接通过单片机直接检测。将被测信号直接加在单片机上，单片机采出A/D转换后的幅值参数。在采样时，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。
2.4上升时间测量
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。单片机输出10%和90%幅值的两个数值，经D/A转换后输入高速比较器TLV3501，作为比较器的2个阀值电压，被测信号电压分别与阀值电压进行比较，得到两路方波信号，分别记为A信号、B信号，输入FPGA。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。
3实验测试与结论
对仪器进行了频率、占空比、幅值和上升时间测量功
KF-1B型：C=2.544Cv=1.536
实验数据分析：1）从上述泵体重复性误差实验数据看，折算成每ml的绝对误差ΔX均在允许的±0.02ml的范围内，误差原因主要是由于泵体的加工误差以及水的表面张力引起的挂滴而造成的。2）从整机对水的检测结果比较可以看出，智能化全自动水份测定仪测得的数据平行性好，重复性误差小。
4设计中的几个重要问题
4.1腐蚀性
经实验证实：卡尔•费休具有较强的腐蚀性，时间长了会对仪器内的活塞、三通转化阀、管道和密封元件最先产生腐蚀，造成漏夜，进而对仪器的其他元器件也造成了腐蚀，使得仪器无法正常工作。
4.2气密性
卡尔•费休试剂对水特别灵敏，遇到水就会发生反应。从颜色上，就可以判定出来，一滴新鲜的棕红色试剂滴在干燥的纸上，遇到空气中的水分后，立马就会变为浅黄色。因此，仪器管道中密封的卡尔•费休试剂的颜色在短时间内（2～3天）就发生了明显的变化，可以说明所选择的管道在气密性上不够。
4.3精密计量泵体的玻璃管选择
目前普通的玻璃管内部凹凸不平和少量的细小突出。由于玻璃管内的凹凸不平，造成了泵体的每一段滴定的量都不相同，大大的影响了仪器的精度和准确性，同时玻璃管内的细小突点在活塞经过时，会在活塞上造成永久性的物理划伤，从而引起计量泵体内部卡尔•费休试剂的泄露，同时也影响泵体的气密性，造成卡尔•费休试剂很快失效。
5结论
本文介绍的智能化全自动水份测定仪的设计是采用了卡尔•费休容量法原理进行样品水份检测，该仪器通过嵌入式系统模拟人的手动滴定过程、光电控制技术、高灵敏信号放大检测系统，控制仪器的机械结构的动作，实现自动滴定的全过程。仪器具有较高的灵敏度、测量精度、重复性和稳定性，友好的人机交互界面，操作步骤简单，对操作人员的能力要求不高，系统密封性好，符合环境保护的要求。可广泛应用于测定医药、食品、石油化工、化学试剂、烟草、化肥、化工原料、皮革、轻工以及其它工业产品中的水份含量。
参考文献：
[1]郑一,孙晓峰,陈健,岳军.基于集合经验模态的随钻脉冲信号优良降噪算法[J].石油勘探与开发,2012,06：750-753.
[2]涂兵,廖万强,王思成,张晓飞,王伟,张国云.基于PLM编码的泥浆脉冲信号提取算法研究[J].电子测量与仪器学报,2015,02：227-232.
[3]涂兵.MWD中泥浆脉冲信号辨识及地面适配技术研究[D].北京工业大学,2013.
[4]赵金栋.基于FPGA的多路脉冲信号同步测量技术研究[D].哈尔滨工业大学,2013.
论文作者:关世阳
论文发表刊物:《基层建设》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/30
标签：信号论文; 脉冲论文; 测量论文; 频率论文; 单片机论文; 卡尔论文; 仪器论文; 《基层建设》2017年第17期论文;