全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字頻率計(jì)F題

1、2015 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告數(shù)字頻率計(jì)（ f 題）2015年 8 月 15 日摘 要該裝置用于測(cè)量時(shí)間參數(shù)，主要由前級(jí)信號(hào)放大電路，fpga 信號(hào)處理電路， stm32 控制電路， 12864液晶顯示模塊等組成。前端的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、比較后， 由 fpga 進(jìn)行處理與測(cè)量，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給stm32 單片機(jī)，最后單片機(jī)控制液晶12864將結(jié)果顯示。設(shè)計(jì)中使用 fpga altera ii ep2c8f256c8 進(jìn)行測(cè)量，采用 50mhz 高精度溫補(bǔ)晶振作為時(shí)間量度， 使用等精度測(cè)量的方法， 大大提高測(cè)了量的精度關(guān)鍵詞 : 頻率計(jì)等精度測(cè)量fpga stm32 abstract th

2、e design device is used to measure time, mainly by the front stage signal amplifier circuit, fpga signal processing circuit, stm32 control circuit, 12864 lcd module and so on. the front end of the signal after amplification, comparison, and then sent to the fpga for processing and measurement and th

3、e data sent to the stm32 microcontroller, and finally the results show that the microcontroller lcd 12864. design using fpga of altera ii ep2c8f256c8 were measured, the 50mhz high precision temperature compensated crystal oscillator as a measure of time, the use of precision measuring method, greatl

4、y improving measurement accuracy key words: frequency meter equally accurate measurement stm32 fpga 目錄1 系統(tǒng)方案 . 11.1 方案比較與選擇 . 11.1.1 前級(jí)信號(hào)放大和處理 . 11.1.2 后級(jí)信號(hào)測(cè)量 . 11.2 總體方案簡(jiǎn)述 . 22 理論分析與計(jì)算 . 22.1 寬帶通道放大器分析 . 22.2 測(cè)量原理分析 . 22.3 通信方式及顯示方案的選擇. 43 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) . 43.1 模塊電路 . 43.1.1 前級(jí)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì). 43.1.2 fpga 外圍電路 .

5、 54 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) . 55 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果分析. 55.1 測(cè)試方案 . 55.1.1 測(cè)試方案及測(cè)試條件 . 55.1.2 測(cè)試結(jié)果 . 65.2 測(cè)試結(jié)果分析 . 71 1 系統(tǒng)方案1.1 方案比較與選擇1.1.1 前級(jí)信號(hào)放大和處理方案一：待信號(hào)經(jīng)過(guò)前級(jí)放大器放大后，進(jìn)入施密特觸發(fā)器完成整形。前級(jí)放大采用寬帶、超低噪聲的電壓反饋運(yùn)放opa847 搭建的同相放大電路 (如下圖所示 )，增益約為 36 db。放大后的信號(hào)送入施密特反向觸發(fā)器（門限電壓約1.8v）整形，得到方波。該方案優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)上升沿陡峭，便于后級(jí)處理，缺點(diǎn)是前級(jí)放大電路放大能力有限，尤其是在高頻情況或者輸入信號(hào)較

6、小的情況下，施密特觸發(fā)器無(wú)法觸發(fā)。方案二：使用高速比較器 lt1715 進(jìn)行放大整形。比較器是一種特殊的運(yùn)算放大器，理論上，比較器的增益為無(wú)窮大。adcmp600 是一款超高速雙路比較器，外部電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，采用毫伏級(jí)的遲滯比較電路，可以大大簡(jiǎn)化前級(jí)電路。我們最終選擇方案二。方案二電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。1.1.2 后級(jí)信號(hào)測(cè)量方案一：使用 stm32 完成頻率以及時(shí)間間隔的測(cè)量。由于stm32 采用計(jì)數(shù)的方式測(cè)頻，最多只能采集到100khz 以下的頻率，而且測(cè)量誤差較大。使用程控分頻器 mc12080 將信號(hào)分頻分至 100k 以下，單片機(jī)采集分頻后信號(hào)2 頻率，再乘以分頻倍數(shù)， 得到所測(cè)信

7、號(hào)頻率。 測(cè)相部分則需要在單片機(jī)外部搭設(shè)門電路、計(jì)數(shù)器電路，頻率較高情況下不易實(shí)現(xiàn)，且電路比較復(fù)雜，不易操作。方案二：使用 fpga 完成頻率、時(shí)間間隔、占空比的測(cè)量。fpga 是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，使用50mhz 溫補(bǔ)晶振，內(nèi)部數(shù)字鎖相環(huán)（pll）可將頻率倍至200mhz，可以大大提高測(cè)量精度。使用fpga 測(cè)量高頻信號(hào)，無(wú)需外部分頻電路，而且分辨率可達(dá)到ns級(jí)別，高分辨率也使得fpga 較容易地完成對(duì)于時(shí)間間隔和占空比的測(cè)量。除此之外，fpga 擁有強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)環(huán)境（如quartus ii）易于調(diào)試。經(jīng)過(guò)對(duì)比，我們最終選擇方案二。1.2 總體方案簡(jiǎn)述在測(cè)頻的過(guò)程中， 將待測(cè)正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和整

8、形后，送入 fpga 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成待測(cè)信號(hào)的頻率、時(shí)間間隔、以及占空比的測(cè)量。系統(tǒng)框圖如下：2 理論分析與計(jì)算2.1 寬帶通道放大器分析本系統(tǒng)前端利用比較器對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行開(kāi)環(huán)放大，待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǖ耐瑫r(shí)頻率等信息保持不變。2.2 測(cè)量原理分析本系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的主要的測(cè)量方法為等精度測(cè)量，即以50mhz 溫補(bǔ)晶振作為時(shí)間基準(zhǔn)對(duì)待測(cè)信號(hào)和溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生的clock 同時(shí)計(jì)數(shù)并且同時(shí)結(jié)束計(jì)數(shù)，根據(jù)3 計(jì)數(shù)的比值計(jì)算出所測(cè)時(shí)間。一、頻率和周期測(cè)量：為了提升測(cè)量精度，先對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行粗略測(cè)量，初步判斷出頻率高低，然后根據(jù)頻率的高低采取不同的測(cè)量方法。對(duì)于低頻信號(hào)，采取計(jì)clock 的方法計(jì)算頻率（即

9、對(duì)信號(hào)兩個(gè)上升沿間的clock 上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)），設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)果為 n1。對(duì)于高頻信號(hào)，則采用等精度測(cè)量的方法： 即同時(shí)對(duì) clock 和待測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng) clock 計(jì)數(shù)到 1s的同時(shí)記下此時(shí)待測(cè)信號(hào)的個(gè)數(shù)，由clock 和待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)的比值即可計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的頻率，設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)果為n2。最后由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選擇合適的結(jié)果，以提高測(cè)量精度。設(shè)基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為frestd。則高頻信號(hào)的計(jì)算公式為：低頻信號(hào)的計(jì)算公式為：二、時(shí)間間隔測(cè)量：待測(cè)兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器后進(jìn)入fpga 后，先對(duì)兩路信號(hào)均進(jìn)行二分頻，以消除占空比信息， 再對(duì)所得的信號(hào)進(jìn)行異或操作， 得到的脈沖的寬度即為兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔。

10、 對(duì)于該時(shí)間間隔 ,fpga 易測(cè)得輸入信號(hào)的的頻率 （方法與頻率及周期的測(cè)量方法同） fsig ，進(jìn)而求得待測(cè)信號(hào)的頻率。 故只要求得輸入信號(hào)的占空比。對(duì)于占空比的測(cè)量， 我們?cè)O(shè)定一定的時(shí)間門限， 分別對(duì)異或后生成的信號(hào)高電平時(shí)的時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)以及時(shí)鐘低電平時(shí)的時(shí)鐘上升沿計(jì)數(shù)，得到計(jì)數(shù) count1與 count2。計(jì)算時(shí)間差 t 的公式如下：三、脈沖信號(hào)占空比的測(cè)量：脈沖信號(hào)占空比的測(cè)量與時(shí)間間隔測(cè)量中信號(hào)占空比的測(cè)量方法相似。設(shè)一4 定時(shí)間閥門下， 在信號(hào)上高電平時(shí)對(duì)時(shí)鐘上升沿的計(jì)數(shù)結(jié)果為cnt1，在信號(hào)低電平時(shí)對(duì)時(shí)鐘上升沿的計(jì)數(shù)結(jié)果為cnt2，則占空比的計(jì)算公式如下：2.3 通信方式及

11、顯示方案的選擇單片機(jī)與 fpga 之間的通信采取并行尋址串行傳輸數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)，即單片機(jī)向 fpga 發(fā)送地址請(qǐng)求數(shù)據(jù)， fpga 收到請(qǐng)求后將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。相應(yīng)時(shí)序圖如下：3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1 模塊電路3.1.1 前級(jí)信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)因?yàn)榇郎y(cè)信號(hào)幅值較小， 需要對(duì)前級(jí)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大與整形，將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员?fpga 處理的數(shù)字信號(hào)。電路原理圖如下圖所示：5 3.1.2 fpga 外圍電路如圖 3 為 fpga 及其外部電路。4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)該系統(tǒng)單片機(jī)作為主控，完成液晶顯示，向fpga 請(qǐng)求數(shù)據(jù)，按鍵檢測(cè)的任務(wù)。5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果分析5.1 測(cè)試方案5.1.1 測(cè)試方

12、案及測(cè)試條件一、測(cè)試方案： 我們采取控制變量法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試：保持待測(cè)信號(hào)的電壓幅值不變，步進(jìn)改變信號(hào)的頻率，記錄待測(cè)頻率測(cè)量值；保持待測(cè)信號(hào)的頻率不變，步進(jìn)改變信號(hào)的幅值，記錄待測(cè)頻率的測(cè)量值。二、測(cè)試條件：在室溫為25條件下，所用儀器如下表所示：6 5.1.2 測(cè)試結(jié)果一、頻率測(cè)量。使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1hz-1mhz的有效值為 50mv-1v的正弦信號(hào)，測(cè)量值與實(shí)際值如下表所示實(shí)際頻率1.0000 29.00 53.00 1.100k 500.00k 1.00m 50.00m 100.00m 顯示頻率0.9999 28.999110 52.999590 1.10000010k 500.00

13、k 1.00m 50.00m 100.00m 二、時(shí)間間隔測(cè)量。使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生2 個(gè) 100hz-1mhz的峰峰值為 50mv-1v的方波（時(shí)間差為 1us） ，測(cè)量值與實(shí)際值如下表 : 峰峰值頻率10mv 500mv 1v 100hz 0.9998us 0.9999us 0.9999us 10khz 0.9997us 0.9996us 0.9995us 1mhz 0.9985us 0.9990us 0.9992us 三、占空比測(cè)量。序號(hào)名稱、型號(hào)及規(guī)格主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)量備注1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器sds3034e 350mhz 2gs/s 1 臺(tái)廣州技創(chuàng)電子設(shè)備有限公司2 函數(shù)發(fā)生器spg2102x 120mhz 1.2gsa/s 1 臺(tái)上海雙旭電子有限公司3 數(shù)字萬(wàn)用表fluke 177 1% 1mv 0.02ma 1 臺(tái)深圳和普泰克電子有限公司7 實(shí)際占空比10khz）0.9 0.5 0.1 0.37 顯示占空比0.899988 0.4999882 0.09998739 0.36998714 實(shí)際占空比(100hz) 0.5 0.1 0.71 0.9 顯示占空比0.4999989 0.09999991 0.70999985 0.89999992 5.2 測(cè)試結(jié)果分析測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了