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)

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）第第1頁(yè)共10頁(yè)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，范圍廣的問(wèn)題。頻率等參數(shù)的測(cè)量采用閘門(mén)時(shí)間為1s的等精度測(cè)量法。閘門(mén)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，有效提高了系統(tǒng)精度。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.系統(tǒng)方案1.1.方案比較與選擇1.1.1. 寬帶通道放大器固定增益直接放大。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。VCA810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(guò)負(fù)反饋使得放大后的信號(hào)幅度基本保持恒定。盡管方案一中的發(fā)揮部分在頻率和幅度上的要求。方案二中采用與號(hào)單級(jí)放大時(shí)的帶寬問(wèn)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100MHz4.5ns的高速比較器運(yùn)放1.1.3. 主控電路現(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F(xiàn)PGA芯片中，大大降低了電路的復(fù)雜程度、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(mén)時(shí)間為1s的等精度測(cè)量法。閘門(mén)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；除以閘門(mén)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(guò)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統(tǒng)與片內(nèi)單片機(jī)通信，基于閘門(mén)時(shí)間為1s的等精度測(cè)量算法，測(cè)算相關(guān)參數(shù)。FPGAFPGA比較器電路AGC電路寬帶放大NIOSTFT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)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VCA810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)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(guò)4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)量頻率測(cè)量頻率FPGA通信開(kāi)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1RIGOLDG4102 100M信號(hào)發(fā)生器12RIGOLDS2202A200M數(shù)字示波器13RIGOLDP832 可編程直流電源14FLUKE 18B萬(wàn)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、10MHz5個(gè)頻率點(diǎn)，測(cè)量分別測(cè)量輸入信號(hào)在的結(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+001000.0033.00E-061000.0033.00E-061000.0474.70E-05100k10000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-04100000353.50E-06100000373.70E-06100000393.90E-06100000393.90E-041000003683.68E-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)在100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz四種時(shí)間間隔以及及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-055000.10010.0011.00033E-04100.00212E-0510000.09990.0011.00101E-03100.00232E-054.2.3. 占空比測(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/%1Hz10.00410.04129.998770.004150069.99950.00071489.99870.001444100Hz9.99510.04929.99870.00433350069.9950.00714389.99870.00144410KHz9.99630.03730.00010.0003249.999984E-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(guò)發(fā)揮部分要求；4、除使用鍵盤(pán)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(wú)線控制功能，切換儀器測(cè)量模式。4.4. 測(cè)試結(jié)論以達(dá)到賽題基本部分和發(fā)揮部分的要求，并在部分指標(biāo)上遠(yuǎn)超發(fā)揮部分要求。參考文獻(xiàn)[1]張永瑞.電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.[2]夏