2015年全國大學生電子設計大賽F題-數字頻率設計報告

1、2015 年全國大學生電子設計競賽數字頻率計（F 題）【本科組】2015 年 8 月 15 日2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告1摘要摘要 頻率計是數字電路中的一個典型應用，是計算機、通訊設備、音頻視頻等科研生產領域不可缺少的測量儀器，頻率測量在科技研究和實際應用中的作用日益重要。該系統(tǒng)由信號輸入電路、數據處理電路和顯示電路構成，可實現數字頻率計的測頻率、周期、占空比、脈寬等各項功能。以 FPGA 為核心處理數據最更大程度地提高了精度。經過綜合測評，發(fā)現該系統(tǒng)具有高分辨率、輸入頻率量程寬、測量精度高和輸出穩(wěn)定等特點。關鍵詞：關鍵詞： FPGA 頻率計頻率

2、計 高精度高精度 等精度等精度 高帶寬高帶寬 AbstractAbstractFrequency meter is a typical application of digital circuit, computer, communications equipment, audio, video, and other areas of the scientific research production indispensable measuring instrument, the role of frequency measurement in science and technology

3、research and practical application is increasingly important.The system consists of signal input circuit, data processing circuit and display circuit, which can realize the digital frequency meter measuring frequency, cycle, pulse rate, pulse width and so on various functions.The FPGA as the core pr

4、ocessing improves the accuracy of data is the greater.Through the comprehensive evaluation, found that the system has high resolution, wide input frequency range, high measurement accuracy and stable output.Keywords:Keywords: FPGAFPGA、FrequencyFrequency metermeter、HighHigh precisionprecision、equaleq

5、ual precisionprecision、HighHigh bandwidthbandwidth2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告2目 錄目 錄 .2第一章 設計任務與要求 .31.1 設計任務 .31.2 設計要求 .31.2.1 基本要求 .31.2.2 發(fā)揮部分 .3第二章 方案討論與選擇 .42.1 方案設計 .42.1.1 方案一 .42.1.2 方案二 .42.2 方案選擇 .5第三章 理論分析與計算 .53.1 總體分析 .53.2 各項被測參數 .63.2.1 等精度測量的原理： .63.2.2 等精度測量的實現 .63.2.3 等精

6、度數字頻率計誤差分析 .73.3 寬帶通道放大器分析 .73.4 提高儀器靈敏度的措施 .7第四章 硬件電路與程序設計 .84.1 硬件電路 .84.1.1 前置信號輸入電路 .84.1.2 主控 FPGA.94.1.3 顯示模塊 .94.1.4 電源模塊 .94.2 程序設計 .104.2.1 FPGA 處理數據程序框圖.10第五章 測試方案與結果 .105.1 測試方案與測試結果 .105.1.1 測試方案 .105.1.2 測試結果 .105.2 測試結果分析 .13參考文獻 .13附 錄 .131、核心器件 .132、 輸入電路圖 .142015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國

7、大學生電子設計大賽設計報告33、 FPGA 頂層設計圖.154、 實物圖展示 .17第一章第一章 設計任務與要求設計任務與要求1.1 設計任務設計任務 設計并制作一臺閘門時間為 1s 的數字頻率計。1.2 設計要求設計要求1.2.1 基本要求基本要求 (1) 頻率和周期測量功能 a被測信號為正弦波，頻率范圍為1Hz10MHz； b被測信號有效值電壓范圍為50mV1V； c測量相對誤差的絕對值不大于10-4。(2) 時間間隔測量功能 a被測信號為方波，頻率范圍為100Hz1MHz； b被測信號峰峰值電壓范圍為50mV1V； c被測時間間隔的范圍為0.1s100ms； d測量相對誤差的絕對值不大于

8、10-2。(3) 測量數據刷新時間不大于 2s，測量結果穩(wěn)定，并能自動顯示單位。1.2.2 發(fā)揮部分發(fā)揮部分(1) 頻率和周期測量的正弦信號頻率范圍為1Hz100MHz，其他要求同基本要求（1）和（3）。 (2) 頻率和周期測量時被測正弦信號的最小有效值電壓為10mV，其他要求同基本要求（1）和（3）。 (3) 增加脈沖信號占空比的測量功能，要求： a被測信號為矩形波，頻率范圍為1Hz5MHz； b被測信號峰峰值電壓范圍為50mV1V； c被測脈沖信號占空比的范圍為10%90%； d顯示的分辨率為0.1%，測量相對誤差的絕對值不大于10-2。(4) 其他（例如，進一步降低被測信號電壓的幅度等）

9、。2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告4第二章第二章 方案討論與選擇方案討論與選擇2.1 方案設計方案設計2.1.1 方案一方案一本方案以單片機為核心，實現波形數據的分析與顯示。先將被測信號進行整形放大，把被測的正弦波整形為矩形波。然后經過分頻電路之后，再利用單片機的計數器和定時器的功能對被測信號進行計數。編寫相應的程序可以使單片機自動調節(jié)測量的量程，并把測出的頻率數據送到顯示電路顯示。該方案雖然程序編寫較為簡單但是整體上模塊漸多。流程框圖如下。 放大整形模塊LED 顯示電路分頻電路輸入放大整形模塊輸入電源模塊為其他模塊供電單片機 2.1.2 方案二方案二

10、采用基于 FPGA 的 SOPC（可編輯片上系統(tǒng)）技術，實現波形數據的分析與顯示。在前置放大整形模塊對信號進行放大整形之后輸入到 FPGA 主控板之中，由FPGA 主控板實現數據處理和數據輸出的功能。穩(wěn)壓電源模塊為兩個放大整形模塊和 FPGA 主控板供電?；?SOPC 的特點，這種方法除了放大整形模塊外，可以把其余部全部集合在一片 FPGA 主控板上，使整體的體積大大減少的同時還提高了穩(wěn)定性，測頻精度高，測頻范圍大，調試方便。流程框圖如下。2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告5 前置放大和整形模塊FPGA 主控模塊穩(wěn)壓電源模塊前置放大和整形模塊輸入輸入2

11、.2 方案選擇方案選擇經過綜合考慮，方案二相對于方案一來說，程序編寫靈活度高，整體結構簡潔，相對容易達到設計要求，且精度高，調試方便，所以我們選擇了方案二。第三章第三章 理論分析與計算理論分析與計算3.1 總體分析總體分析數字頻率計由以下幾個模塊構成：（1）輸入模塊：對輸入信號的波形進行整形放大，以適合于計數器的工作。（2）計數器：累計輸入脈沖的個數，并將結果用十進制數字顯示。（3）時間基準：對晶體振蕩器產生的標準頻率經過分頻和倍頻，產生閘門時間和標準信號。（4）鎖存器：鎖存信號以便做后續(xù)操作。（5）處理與分析模塊：對整形之后的數據進行控制和分析。（6）顯示模塊：輸出顯示被測信號的數據。201

12、5 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告63.2 各項被測參數各項被測參數3.2.1 等精度測量的原理：等精度測量的原理：等精度測量的一個最大的特點是測量的實際門控時間不是一個固定值，而是一個與被測信號有關的值，且是被測信號的整數倍，即與被測信號同步。因此，避免了對被測信號計數所產生1 個字誤差，并且達到了在整個測試頻段的等精度測量。在計數允許的時間內，同時對標準信號和被測信號進行技術，再通過數學公式推導出被測信號的頻率。3.2.2 等精度測量的實現等精度測量的實現我們以被測信號的上升沿作為開啟閘門和關閉閘門的驅動信號，只有在被測信號的上升沿才將預置閘門的狀態(tài)鎖存，

13、因此在實際閘門 Tx 內被測信號的個數就能保證整數個周期，這樣就避免被測信號的1 的誤差，但會產生高頻的標準頻率信號的1 周期誤差，由于標準頻率 f0 的頻率遠高于被測信號，因此它產生的1 周期誤差對測量精度的影響有限，可以大大提高測量精度。預置閘門信號是由 FPGA 的定時模塊產生,這里選擇預置閘門信號的時間長度為 1s。測量時，由 FPGA 的定時模塊產生預置閘門信號，啟動 FPGA 內的 2 個計數器，分別對被測信號和基準信號計數。首先給出閘門開啟信號(預置閘門上升沿) ,此時計數器并不會馬上開始計數, 而是等到被測信號的上升沿到來時, 計數器才真正開始計數。然后預置閘門關閉信號(下降沿

14、) 到來時,計數器并不立即停止計數,而是等到被測信號的上升沿到來時才結束計數,完成 1 次測量過程。 （1）頻率的計算：若在一次實際閘門時間 Tx 中,標準信號與被測信號的脈沖個數分別記為 N0和 Nx,則0/ )0/(fNNxfx 其中 f0 為標準信號的頻率。（2）周期的計算：用 1/T 代替上式中的 f 即可得到周期計算公式（T0 是標準頻率的周期）：0)/0(TNxNTx （3）占空比的計算： 因為占空比即被測信號正脈沖的持續(xù)時間 T1 與脈沖總周期 TX 的比值，所以可以設一個周期內的正脈沖的時間為 T1，則我們所求的占空比計算公式為： 。TxT /12015 年全國大學生電子設計大

15、賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告7（4）時間間隔測量：當第一個脈沖上升沿到來時開始計數，第二個上升沿到來時計數停止，時間差為t，間隔時間為 t/T03.2.3 等精度數字頻率計誤差分析等精度數字頻率計誤差分析 若被測頻率為 fx，設其真實值為 ft，在一次測量中，計數的起停是由被測頻率的上升沿決定的，因此在 T 時間內對被測信號的脈沖個數 Nx 的計數是無誤差的，而在此時間內對標準信號脈沖個數 N0 的計數與 Nx 的值最多相差一個脈沖，即 N=1，則可得到：。又因為，所)0/(0/NNfNxftftfxftftft/ )(/以可得：。又因為 N=1，所以，而。0/NNftft0/1

16、/Nftft0*0fTN因此可得出結論就是標準頻率越大，誤差越小。3.3 寬帶通道放大器分析寬帶通道放大器分析 題目要求所需的寬帶為 1Hz100MHz，因此我們選用增益帶寬積較大的三極管對輸入信號的電壓進行放大，同時為了減少對上一級電路的影響，盡量增大輸入阻抗。3.4 提高儀器靈敏度的措施提高儀器靈敏度的措施 （1）輸入電路的輸出采用高速 PNP 開關管-2N5771，其可以輸出最小周期為15ns 的脈沖。（2）采用了 ALTERA 公司 CYCLONE 系列的 FPGA，并行執(zhí)行程序，且具有90ns 的讀寫速度，保證了數據的及時處理與反饋。（3）FPGA 的程序采用速度優(yōu)化，最大程度減少了

17、運算時間。2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告8第四章第四章 硬件電路與程序設計硬件電路與程序設計4.1 硬件電路硬件電路 系統(tǒng)硬件結構圖如下：4.1.1 前置信號輸入電路前置信號輸入電路 高低頻切換高低頻切換 該電路的功能通過繼電器來實現，100KHZ作為臨界值，當輸入頻率小于100KHZ時，繼電器不工作，否則工作，可以提高高頻率的精度值，如圖1。 帶通限制與保護電路帶通限制與保護電路 該電路可將頻率帶通限制在 1HZ-100MHZ 之間。同時增加了幅度保護電路，當三極管基級電壓大 0.7V 時，三極管導通接地，保護電路，如圖 2 。放大整形電路顯示模塊

18、穩(wěn)壓電源模塊圖 1.高低頻切換圖 2.帶通限制與保護電路 放大整形電路FPGA 主控電路輸入輸入2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告9 放大電路放大電路 將電壓信號放大，通過滑動變阻器還可以選擇最佳線性放大工作點，獲得最大的頻率寬度，如圖 3。 波形轉換電路波形轉換電路 通過 MC10H116FNG 將上級輸入的壓差逐步放大到約 0.8V 來控制輸出電路的三極管導通與截止，如圖 4。 輸出電路輸出電路 通過 0.8V 的壓降差控制兩個三極管的通斷輸出高低電平，將ECL 電平轉換為 TTL 電平，供 FPGA 處理數據時識別。4.1.2 主控主控 FPGA

19、主控 FPGA 主芯片采用 ALTERA 公司 CYCLONE 系列的 EP4CE6F17C8N。采用并行 FLASH 芯片 AM29LV320B 容量 4M BYTE 90NS 讀寫速度；采用 128MBIT 高速SDRAM,K4S281632K 大儲存容量；采用大容量配置芯片 EPCS16；系統(tǒng)時鐘為 50M。4.1.3 顯示模塊顯示模塊 用 TTL 液晶顯示，可以清晰顯示所測數據。4.1.4 電源模塊電源模塊選用一般的穩(wěn)壓電路方案，采用 LM7805 將輸入電壓轉化為相對穩(wěn)定的 5V 的電壓。經過測試發(fā)現紋波較小，符合我們設計的要求。圖 3.放大電路圖 4.波形轉換電路 2015 年全國

20、大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告104.2 程序設計程序設計 4.2.1 FPGA 處理數據程序框圖處理數據程序框圖第第 5 章章 測試方案與結果測試方案與結果5.1 測試方案與測試結果測試方案與測試結果 5.1.1 測試方案測試方案測試儀器：信號發(fā)生器：安捷倫 33522、AFG3101示波器:安捷倫 DSO-X-2022A萬用表：安捷倫 34401A 5.1.2 測試結果測試結果頻率測試數據：正弦波輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果1HZ1.0471HZ1.0010HZ5HZ4.9479HZ4.9047HZ10

21、0HZ99.9498HZ99.9758HZ555HZ555.1104HZ554.8095HZ1KHZ1.0180KHZ1.0570KHZ10KHZ10.2127KHZ9.9873KHZ78.8KHZ78.0673KHZ78.0246KHZ100KHZ99.8343KHZ99.9374KHZ時基信號發(fā)生器門控電路計數器閘門2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告11687KHZ686.9599KHZ687.0077KHZ1.524MHZ1.5796MHZ1.5443MHZ5MHZ5.0228MHZ5.0273MHZ10MHZ10.1768MHZ10.0174MH

22、Z15MHZ15.0087MHZ14.9927MHZ25MHZ24.8617MHZ24.9127MHZ39.9MHZ39.9034MHZ39.9104MHZ55MHZ55.1170MHZ55.0170MHZ65MHZ65.0149MHZ65.0772MHZ88MHZ88.2489MHZ88.1309MHZ95MHZ95.0246MHZ95.1587MHZ100MHZ99.0479MHZ98.7173MHZ110MHZ107.0416MHZ108.1408MHZ周期測試數據：正弦波輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果1HZ998.88952MS

23、997.87535MS5HZ199.76524MS199.87546100HZ9.99990MS9.99986MS555HZ1.80175MS1.80174MS1KHZ1.00003MS1.00008MS10KHZ10KHZ10KHZ78.8KHZ78.7423KHZ78.627US100KHZ100.00US100.00US687KHZ1.46US1.48US1.524MHZ0.60US0.65US5MHZ0.24US0.21US10MHZ0.12US0.11US15MHZ67.44NS6.496NS25MHZ41.841NS42.01NS40MHZ25.122NS25.08US55MHZ1

24、8.11NS18.46NS65MHZ15.34NS15.49NS88MHZ11.28NS11.39NS95MHZ10.52NS10.53NS100MHZ10.11NS10.42NS110MHZ9.10NS9.18NS有效值測試數據： 輸入電壓通道 A 測試結果通道 B 測試結果輸入電壓通道 A 測試結果通道 B 測試結果45MV45.2548MV45.3564MV50MV50.2486MV50.3015MV80MV80.2843MV80.2431MV100MV100.2108MV100.2273MV200MV200.1977MV200.1999MV330MV330.1811MV330.1726

25、MV525MV525.1107MV525.1032MV760MV760.0687MV760.0931MV800MV800.0414MV800.0615MV900MV899.8746MV900.1573MV1V0.9843V0.9918V1.5V1.4780V1.4952V2015 年全國大學生電子設計大賽設計報告年全國大學生電子設計大賽設計報告12峰-峰值測試數據： 輸入電壓通道 A 測試結果通道 B 測試結果輸入電壓通道 A 測試結果通道 B 測試結果45MV45MV45MV50MV50MV50MV80MV80MV80MV100MV100MV100MV200MV200MV200MV330MV

26、330MV330MV525MV525MV525MV760MV760MV760MV800MV800MV800MV900MV900MV900MV1V1V1V1.5V1.5V1.5V時間間隔測試：矩形波占空比測試結果：輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果1HZ0.9846HZ0.9987HZ5HZ5.0171HZ5.0504HZ100HZ100.0017HZ100.0457HZ555HZ554.8724HZ555.0757HZ1KHZ1.0427KHZ1.0897KHZ10KHZ10.0428KHZ0.9757KHZ78.8KHZ78.8016KHZ78.7966KHZ100KHZ100.1776KHZ100.0541KHZ687KHZ686.7524KHZ686.9752KHZ1.524MHZ1.5244MHZ1.5224MHZ5MHZ5.0457MHZ5.0875MHZ10MHZ9.9724MHZ9.8541MHZ占空比范圍測試結果：占空比通道 A 測試結果通道 B 測試結果輸入頻率通道 A 測試結果通道 B 測試結果10%10.02%10.01%1HZ0.9546HZ0.9146HZ15%14.99%15.00%100HZ99.9417HZ99.9717HZ36%36.00%36.03%1KHZ1.0767K