全國大學生電子設計大賽F題一等獎數(shù)字頻率計

1、2015 年全國大學生電子設計競賽 全國一等獎作品 設計報告 部分錯誤未修正，軟 件部分未添加 競賽選題：數(shù)字頻率計（ F 題）摘要本設計選用 FPGA 作為數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制的核心，制作了一款超高精度 的數(shù)字頻率計，其優(yōu)點在于采用了自動增益控制電路（ AGC）和等精度測量法， 全部電路使用 PCB 制版，進一步減小誤差。AGC 電路可將不同頻率、不同幅度的待測信號，放大至基本相同的幅度， 且高于后級滯回比較器的窗口電壓，有效解決了待測信號輸入電壓變化大、頻率 范圍廣的問題。頻率等參數(shù)的測量采用閘門時間為 1s 的等精度測量法。閘門時 間與待測信號同步，避免了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生 1 個字的誤

2、差，有效提高了 系統(tǒng)精度。經(jīng)過實測，本設計達到了賽題基本部分和發(fā)揮部分的全部指標，并在部分指 標上遠超賽題發(fā)揮部分要求。關(guān)鍵詞： FPGA 自動增益控制 等精度測量法目錄摘要 目錄.1.系統(tǒng)方案 .1.1. 方案比較與選擇 .寬帶通道放大器 .正弦波整形電路 .主控電路 .參數(shù)測量方案 .1.2. 方案描述 .電路設計 .2.1. 寬帶通道放大器分析 2.2. 正弦波整形電路 .軟件設計 .測試方案與測試結(jié)果 .4.1. 測試儀器 .4.2. 測試方案及數(shù)據(jù) .頻率測試 .時間間隔測量 .占空比測量 .4.3. 測試結(jié)論 .參考文獻 .2.3.4.1.2 .3. .3.3. .3.3.4.4.

3、4.4.5.6. .6.6. .7.7.8.9.9.1. 系統(tǒng)方案1.1. 方案比較與選擇寬帶通道放大器方案一： OPA690 固定增益直接放大。由于待測信號頻率范圍廣，電壓范圍 大，所以選用寬帶運算放大器 OPA690，5V 雙電源供電，對所有待測信號進行較 大倍數(shù)的固定增益。對于輸入的正弦波信號，經(jīng)過 OPA690 的固定增益，小信號 得到放大，大信號削頂失真，所以均可達到后級滯回比較器電路的窗口電壓。方案二：基于 VCA810 的自動增益控制（AGC）。AGC 電路實時調(diào)整高帶寬 壓控運算放大器 VCA810 的增益控制電壓，通過負反饋使得放大后的信號幅度 基本保持恒定。盡管方案一中的

4、OPA690 是高速放大器，但是單級增益僅能滿足本題基本部 分的要求，而在放大高頻段的小信號時，增益帶寬積的限制使得該方案無法達到 發(fā)揮部分在頻率和幅度上的要求。方案二中采用 VCA810 與 OPA690 級聯(lián)放大，并通過外圍負反饋電路實現(xiàn)自 動增益控制。該方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可調(diào)的輸出電壓，而且可以解決高頻小信 號單級放大時的帶寬問題。因此，采用基于 VCA810 的自動增益控制方案。正弦波整形電路方案一：采用分立器件搭建整形電路。由于分立器件電路存在著結(jié)構(gòu)復雜、 設計難度大等諸多缺點，因此不采用該方案。方案二：采用集成比較器運放。常用的電壓比較器運放 LM339 的響應時間 為 1300

5、ns，遠遠無法達到發(fā)揮部分 100MHz 的頻率要求。因此，采用響應時間為 4.5ns 的高速比較器運放 TLV3501。主控電路方案一：采用諸如 MSP430、STM32 等傳統(tǒng)單片機作為主控芯片。單片機在 現(xiàn)實中與 FPGA 連接，建立并口通信，完成命令與數(shù)據(jù)的傳輸。方案二：在 FPGA 內(nèi)部利用邏輯單元搭建片內(nèi)單片機 Avalon ，在片內(nèi)將單 片機和測量參數(shù)的數(shù)字電路系統(tǒng)連接，不連接外部接線。在硬件電路上，用 FPGA 片內(nèi)單片機，除了輸入和輸出顯示等少數(shù)電路外， 其它大部分電路都可以集成在一片 FPGA 芯片中，大大降低了電路的復雜程度、 減小了體積、電路工作也更加可靠和穩(wěn)定，速度也

6、大為提高。且在數(shù)據(jù)傳輸上方 便、簡單，因此主控電路的選擇采用方案二。個自動增益控制模塊。 壓控參數(shù)測量方案頻率等參數(shù)的測量采用閘門時間為 1s 的等精度測量法。閘門時間與待測信 號同步，相比于傳統(tǒng)方案，避免了對被測信號計數(shù)所產(chǎn)生 1 個字的誤差，有效 提高了系統(tǒng)精度。 測量頻率時，在閘門時間內(nèi)同時對待測信號和標準信號（時鐘 信號）計數(shù)，標準信號計數(shù)值除以待測信號計數(shù)值乘上時鐘周期即為待測周期； 測量兩個信號的時間間隔時，通過異或門將時間間隔轉(zhuǎn)化為周期脈沖信號，通過 對脈沖信號等精度測量得到間隔時間。 測量頻率時計算閘門時間內(nèi)的上升沿脈沖 除以閘門時間；測量兩個信號的相位差時，則計算第一個信號1

7、.2. 方案描述系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示，待測信號首先進入自動增益電路，其輸出電壓增 益到一個大于后級滯回比較器窗口電壓的固定值，經(jīng)過比較器電路后，輸出給 FPGA 進行相關(guān)參數(shù)的測量，并最終顯示在屏幕上。在 FPGA 內(nèi)部，數(shù)字電路系 統(tǒng)與片內(nèi)單片機通信，基于閘門時間為 1s 的等精度測量算法，測算相關(guān)參數(shù)。2. 電路設計2.1. 寬帶通道放大器分析本設計的寬帶通道放大器如圖 2 所示，是放大器 VCA810 依靠反饋得到的控制電壓控制放大倍數(shù)；高速比較器 AD8561 比較的是 VCA810 輸出信號和預設電壓，使用二極管和 RC 對比較器的 輸出信號進行檢波； TL082 將檢波得到的

8、電壓轉(zhuǎn)換至 VCA810 的控制電壓范圍 結(jié)果輸出參數(shù)測量放大信號 信號整形圖 1 系統(tǒng)總體框圖內(nèi)，使得 VCA810 能夠正常工作； OPA690 起著二級放大與級聯(lián)緩沖的作用。具 體 電 路 連 接 如 圖 3 所 示 。圖 2 自動增益模塊流程圖圖 3 自動增益模塊原理圖2.2. 正弦波整形電路正弦波形醒后經(jīng)過 AGC 電路后，進入如圖 4 所示的滯回比較器，整成方波。 該電路的窗口電壓為 96mV圖 4 滯回比較器3. 軟件設計4. 測試方案與測試結(jié)果4.1. 測試儀器表 1 測試儀器序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量圖 5 軟件流程圖1RIGOL DG4102 100M 信號發(fā)生器12RIGO

9、L DS2202A 200M 數(shù)字示波器13RIGOL DP832 可編程直流電源14FLUKE 18B 萬用電表14.2. 測試方案及數(shù)據(jù)頻率測試（1）測試方法：選取 1Hz、100Hz、1KHz、1MHz、10MHz5 個頻率點，測 量分別測量輸入信號在 3mVrms、 10mVrms、50mVrms、100mVrms、1Vrms 的結(jié) 果，并計算誤差（2）測量結(jié)果表 2 頻率測量數(shù)據(jù)表幅度10mVrms50mVrms100mVrms1Vrms頻率 測量值 /Hz誤差測量值 /Hz誤差測量值 /Hz誤差測量值 /Hz誤差10.9991698.31E-040.9999881.19E-050.

10、9998851.15E-040.9999928.00E-0610099.9982481.75E-051001.75E-05100.00032.65E-06100.000363.60E-061k10000.00E+001000.0033.00E-061000.0033.00E-061000.0474.70E-05100k10000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0410M3.50E-063.70E-063.90E-063.90E-04100M3.68E-063.68E-060.00E+003.90E-04時間間隔測量（1）

11、測試方法：選取 號在 100Hz、 200Hz、 及 1V 時0.1us、1ms、100ms 個頻率點，測量分別測量輸入信 500Hz、1000Hz 四種時間間隔以及 20mV、50mV、以 的結(jié)果并計算誤差（2）測量結(jié)果表 3 方波 Vpp=20mV 時間間隔測量數(shù)據(jù)表時間間隔0.1us1ms100ms頻率測量誤差測量誤差測量誤差1000.09780.0220.9980.00299.99881E-052000.10020.0021.00011E-04100.00111E-055000.09980.0021.0320.032100.00212E-0510000.09960.0041.00011

12、E-04100.00212E-05表 4 方波 Vpp=50mV 時間間隔測量數(shù)據(jù)表時間間隔0.1us1ms100ms頻率測量誤差測量誤差測量誤差1000.09980.0020.9970.00399.99982E-062000.10010.0011.00022E-04100.00101E-055000.09980.0021.0030.003100.0022E-0510000.09990.0011.0000100.0022E-05表5 方波Vpp=1V 時間間隔測量數(shù)據(jù)表時間間隔0.1us1ms100ms頻率測量誤差測量誤差測量誤差1000.09990.0010.99982E-0499.9998

13、2E-062000.101.00011E-04100.0022E-055000.10010.0011.00033E-04100.00212E-0510000.09990.0011.00101E-03100.00232E-05占空比測量（1）測試方法：選取 10%、30%、50%、 70%、90%四個相位測，分別測量 輸入信號是 1Hz、 100Hz、10KHz 、1MHz、5MHz 的結(jié)果，并計算誤差（2）測量結(jié)果2、3、4、表 4 占空比測量數(shù)據(jù)表設10%30%50%70%90%定占空比測量誤差測量誤差測量誤差測量誤差測量誤差頻率值/%值/%值/%值/%值/%率/%/%/%/%/%10.00

14、0.0429.990.00469.990.00089.90.0011Hz4118771500957149874441009.9950.0429.990.00469.990.00789.90.001Hz1987333500514398744410K 9.9960.0330.000.00049.994E-69.990.00890.00.000Hz370132998054370430044441MH9.9960.0329.970.08849.980.0270.000.00489.90.001z274726346679021963317319874445MH10.000.0430.020.08650.

15、080.1670.230.33590.00.026z411666729584784042351114.3. 其他發(fā)揮部分（亮點）1、頻率測量時，在 1Hz-100MHz 時，最低測量有效值 Vrms 可降低為 5mV； 方波測量占空比和時間間隔時，最低測量的 Vpp 可達到 10mV； 頻率、時間間隔測量時分辨率超過發(fā)揮部分要求； 除使用鍵盤進行人機交互外，增加了藍牙通訊功能，可實現(xiàn)無線控制功能， 切換儀器測量模式。4.4.測試結(jié)論實測表明，本設計在頻率測量、相位測量、占空比測量等多個參數(shù)上全都可 以達到賽題基本部分和發(fā)揮部分的要求，并在部分指標上遠超發(fā)揮部分要求。參考文獻1張永瑞 . 電子測量技術(shù)基礎 M. 西安:西安