2015全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽F題一等獎(jiǎng)數(shù)字頻率計(jì)

1、2015 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)作品設(shè)計(jì)報(bào)告 部分錯(cuò)誤未修正，軟件部分未添加競(jìng)賽選題：數(shù)字頻率計(jì)（F 題）摘要本設(shè)計(jì)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(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于采用了自動(dòng)增益控制電路（AGC）和等精度測(cè)量法， 全部電路使用 PCB 制版，進(jìn)一步減小誤差。AGC 電路可將不同頻率、不同幅度的待測(cè)信號(hào)，放大至基本相同的幅度， 且高于后級(jí)滯回比較器的窗口電壓，有效解決了待測(cè)信號(hào)輸入電壓變化大、頻率 范圍廣的問題。頻率等參數(shù)的測(cè)量采用閘門時(shí)間為 1s 的等精度測(cè)量法。閘門時(shí) 間與待測(cè)信號(hào)同步，避免了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)所產(chǎn)生±1 個(gè)字的誤差

2、，有效提高了系統(tǒng)精度。經(jīng)過實(shí)測(cè)，本設(shè)計(jì)達(dá)到了賽題基本部分和發(fā)揮部分的全部指標(biāo)，并在部分指 標(biāo)上遠(yuǎn)超賽題發(fā)揮部分要求。關(guān)鍵詞：FPGA自動(dòng)增益控制等精度測(cè)量法目錄摘要1目錄21.系統(tǒng)方案31.1.方案比較與選擇31.1.1. 寬帶通道放大器31.1.2. 正弦波整形電路31.1.3. 主控電路31.1.4. 參數(shù)測(cè)量方案41.2.方案描述42.電路設(shè)計(jì)42.1.寬帶通道放大器分析42.2.正弦波整形電路53.軟件設(shè)計(jì)64.測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果64.1.測(cè)試儀器64.2.測(cè)試方案及數(shù)據(jù)74.2.1. 頻率測(cè)試74.2.2. 時(shí)間間隔測(cè)量74.2.3. 占空比測(cè)量84.3.測(cè)試結(jié)論9參考文獻(xiàn)91. 系

3、統(tǒng)方案1.1. 方案比較與選擇1.1.1.寬帶通道放大器方案一：OPA690 固定增益直接放大。由于待測(cè)信號(hào)頻率范圍廣，電壓范圍 大，所以選用寬帶運(yùn)算放大器 OPA690，5V 雙電源供電，對(duì)所有待測(cè)信號(hào)進(jìn)行較 大倍數(shù)的固定增益。對(duì)于輸入的正弦波信號(hào)，經(jīng)過 OPA690 的固定增益，小信號(hào) 得到放大，大信號(hào)削頂失真，所以均可達(dá)到后級(jí)滯回比較器電路的窗口電壓。方案二：基于 VCA810 的自動(dòng)增益控制（AGC）。AGC 電路實(shí)時(shí)調(diào)整高帶寬 壓控運(yùn)算放大器 VCA810 的增益控制電壓，通過負(fù)反饋使得放大后的信號(hào)幅度 基本保持恒定。盡管方案一中的 OPA690 是高速放大器，但是單級(jí)增益僅能滿足本

4、題基本部 分的要求，而在放大高頻段的小信號(hào)時(shí)，增益帶寬積的限制使得該方案無法達(dá)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(jí)聯(lián)放大，并通過外圍負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)自 動(dòng)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(hào)單級(jí)放大時(shí)的帶寬問題。因此，采用基于 VCA810 的自動(dòng)增益控制方案。1.1.2.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(fù)雜、 設(shè)計(jì)難度大等諸多缺點(diǎn)，因此不采用該方案。方案二：采用集成比較器運(yùn)放。常用的電壓比較器運(yùn)放 LM339 的響應(yīng)時(shí)間 為 1300ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到發(fā)揮部分 100MH

5、z 的頻率要求。因此，采用響應(yīng)時(shí)間為 4.5ns 的高速比較器運(yùn)放 TLV3501。1.1.3.主控電路方案一：采用諸如 MSP430、STM32 等傳統(tǒng)單片機(jī)作為主控芯片。單片機(jī)在 現(xiàn)實(shí)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(jī) Avalon，在片內(nèi)將單 片機(jī)和測(cè)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(jī)，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(fù)雜程度、 減小了體積、電路工作也更加可靠和穩(wěn)定，速度也大為提高。且在數(shù)據(jù)傳輸上方

6、便、簡(jiǎn)單，因此主控電路的選擇采用方案二。1.1.4.參數(shù)測(cè)量方案頻率等參數(shù)的測(cè)量采用閘門時(shí)間為 1s 的等精度測(cè)量法。閘門時(shí)間與待測(cè)信 號(hào)同步，相比于傳統(tǒng)方案，避免了對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)所產(chǎn)生±1 個(gè)字的誤差，有效 提高了系統(tǒng)精度。測(cè)量頻率時(shí)，在閘門時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)待測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（時(shí)鐘 信號(hào)）計(jì)數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)計(jì)數(shù)值除以待測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)值乘上時(shí)鐘周期即為待測(cè)周期； 測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔時(shí)，通過異或門將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化為周期脈沖信號(hào)，通過 對(duì)脈沖信號(hào)等精度測(cè)量得到間隔時(shí)間。測(cè)量頻率時(shí)計(jì)算閘門時(shí)間內(nèi)的上升沿脈沖 除以閘門時(shí)間；測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)的相位差時(shí)，則計(jì)算第一個(gè)信號(hào)1.2. 方案描述系統(tǒng)總體框圖如圖 1

7、 所示，待測(cè)信號(hào)首先進(jìn)入自動(dòng)增益電路，其輸出電壓增 益到一個(gè)大于后級(jí)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(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)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(jī)通信，基于閘門時(shí)間為 1s 的等精度測(cè)量算法，測(cè)算相關(guān)參數(shù)。FPGA比較器電路AGC電路寬帶放大輸入信號(hào)NIOSIITFT顯示藍(lán)牙模塊FPGA比較器電路AGC電路寬帶放大輸入信號(hào)NIOSIITFT顯示藍(lán)牙模塊FPGA比較器電路AGC電路寬帶放大輸入信號(hào)NIOSIITFT顯示藍(lán)牙模塊FPGA比較器電路AGC電路寬帶放大輸入信號(hào)NIOSIITFT顯示藍(lán)牙模塊放大信號(hào)信號(hào)整形參數(shù)測(cè)量結(jié)

8、果輸出圖 1系統(tǒng)總體框圖2. 電路設(shè)計(jì)2.1. 寬帶通道放大器分析本設(shè)計(jì)的寬帶通道放大器如圖 2 所示，是一個(gè)自動(dòng)增益控制模塊。 壓控放大器 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(hào)和預(yù)設(shè)電壓，使用二極管和 RC 對(duì)比較器的 輸出信號(hào)進(jìn)行檢波；TL082 將檢波得到的電壓轉(zhuǎn)換至 VCA810 的控制電壓范圍 內(nèi)，使得 VCA810 能夠正常工作；OPA690 起著二級(jí)放大與級(jí)聯(lián)緩沖的作用。具 體電路連接如圖 3 所示。VCA810壓控放大器VCA810壓控放大器AD8561高速比較器檢波電路OPA690高速放大器控制電壓調(diào)整電路

9、輸入信號(hào)輸出信號(hào)反饋部分VCA810壓控放大器AD8561高速比較器檢波電路OPA690高速放大器控制電壓調(diào)整電路輸入信號(hào)輸出信號(hào)反饋部分VCA810壓控放大器AD8561高速比較器檢波電路OPA690高速放大器控制電壓調(diào)整電路輸入信號(hào)輸出信號(hào)反饋部分VCA810壓控放大器AD8561高速比較器檢波電路OPA690高速放大器控制電壓調(diào)整電路輸入信號(hào)輸出信號(hào)反饋部分圖 2自動(dòng)增益模塊流程圖圖 3自動(dòng)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(jìn)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(shè)計(jì)測(cè)量頻率FPGA通信開始功

10、能選擇測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量占空比輸出結(jié)果測(cè)量頻率FPGA通信開始功能選擇測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量占空比輸出結(jié)果測(cè)量頻率FPGA通信開始功能選擇測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量占空比輸出結(jié)果測(cè)量頻率FPGA通信開始功能選擇測(cè)量時(shí)間間隔測(cè)量占空比輸出結(jié)果圖 5軟件流程圖4. 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1. 測(cè)試儀器表 1測(cè)試儀器序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量1RIGOL DG4102100M 信號(hào)發(fā)生器12RIGOL DS2202A 200M 數(shù)字示波器13RIGOL DP832可編程直流電源14FLUKE18B 萬用電表14.2. 測(cè)試方案及數(shù)據(jù)4.2.1.頻率測(cè)試（1）測(cè)試方法：選取 1Hz、100Hz、1KHz、1MHz、10M

11、Hz5 個(gè)頻率點(diǎn)，測(cè) 量分別測(cè)量輸入信號(hào)在 3mVrms、10mVrms、50mVrms、100mVrms、1Vrms 的結(jié) 果，并計(jì)算誤差（2）測(cè)量結(jié)果表 2 頻率測(cè)量數(shù)據(jù)表幅度10mVrms50mVrms100mVrms1Vrms頻率測(cè)量值/Hz誤差測(cè)量值/Hz誤差測(cè)量值/Hz誤差測(cè)量值/Hz誤差10.9991698.31E-040.9999881.19E-050.9998851.15E-040.9999928.00E-0610099.9982481.75E-051001.75E-05100.00032.65E-06100.000363.60E-061k10000.00E+001000.0

12、033.00E-061000.0033.00E-061000.0474.70E-05100k10000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0410M100000353.50E-06100000373.70E-06100000393.90E-06100000393.90E-04100M1000003683.68E-06100000373.68E-061000000000.00E+001000003903.90E-044.2.2. 時(shí)間間隔測(cè)量（1）測(cè)試方法：選取 0.1us、1ms、100ms 個(gè)頻率點(diǎn)，測(cè)量分別測(cè)量輸入信 號(hào)

13、在 100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz 四種時(shí)間間隔以及 20mV、50mV、以 及 1V 時(shí)的結(jié)果，并計(jì)算誤差(2)測(cè)量結(jié)果表 3 方波 Vpp=20mV 時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)表時(shí)間間隔0.1us1ms100ms頻率測(cè)量誤差測(cè)量誤差測(cè)量誤差1000.09780.0220.9980.00299.99881E-052000.10020.0021.00011E-04100.00111E-055000.09980.0021.0320.032100.00212E-0510000.09960.0041.00011E-04100.00212E-05表 4方波 Vpp=50mV 時(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)表

14、時(shí)間間隔0.1us1ms100ms頻率測(cè)量誤差測(cè)量誤差測(cè)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(shí)間間隔測(cè)量數(shù)據(jù)表時(shí)間間隔0.1us1ms100ms頻率測(cè)量誤差測(cè)量誤差測(cè)量誤差1000.09990.0010.99982E-0499.99982E-062000.101.00011E-04100.0022E-055000.

15、10010.0011.00033E-04100.00212E-0510000.09990.0011.00101E-03100.00232E-054.2.3.占空比測(cè)量（1）測(cè)試方法：選取 10%、30%、50%、70%、90%四個(gè)相位測(cè)，分別測(cè)量 輸入信號(hào)是 1Hz、100Hz、10KHz、1MHz、5MHz 的結(jié)果，并計(jì)算誤差（2）測(cè)量結(jié)果表 4 占空比測(cè)量數(shù)據(jù)表設(shè)定 占 空 比10%30%50%70%90%頻 率測(cè)量 值/%誤差/%測(cè)量 值/%誤差/%測(cè)量 值/%誤差/%測(cè)量 值/%誤差/%測(cè)量 值/%誤差/%1Hz10.00410.04129.998770.004150069.99950

16、.00071489.99870.001444100Hz9.99510.04929.99870.00433350069.9950.00714389.99870.00144410KHz9.99630.03730.00010.0003249.999984E-0569.994370.00804390.00040.0004441MHz9.9962740.0372629.97340.08866749.989020.0219670.003310.00473189.99870.0014445MHz10.00410.04130.0260.08666750.08290.165870.234780.33540490.02350.0261114.3. 其他發(fā)揮部分（亮點(diǎn)）1、頻率測(cè)量時(shí)，在 1Hz-100MHz 時(shí)，最低測(cè)量有效值 Vrms 可降低為 5mV；2、方波測(cè)量占空比和時(shí)間間隔時(shí)，最低測(cè)量的 Vpp 可達(dá)到 10mV；3、頻率、時(shí)間間隔測(cè)量時(shí)分辨率超過發(fā)揮部分要求；4、除使用鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互外，增加了藍(lán)牙通訊功能，可實(shí)現(xiàn)無線控制功能， 切換儀器測(cè)量模式。4.4.測(cè)試結(jié)論實(shí)測(cè)表明，本設(shè)計(jì)在頻率測(cè)量、相位測(cè)量、占空比測(cè)量等多個(gè)參數(shù)上全都可 以達(dá)到賽題基本部分和發(fā)揮部分的要求