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

1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽全國一等獎(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)的測量采用閘門時(shí)間為1s的等精度測量法。閘門時(shí)間與待測信號(hào)同步，避免了對(duì)被測信號(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。經(jīng)過實(shí)測，本設(shè)計(jì)達(dá)到了賽

2、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)增益控制等精度測量法目錄系統(tǒng)方案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(hào)頻率范圍廣，電壓范圍大，所以選用寬帶運(yùn)算放大器OPA6905V雙電源供電，對(duì)所有待測信號(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

3、一中的OPA690是高速放大器，但是單級(jí)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(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。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

4、100MHz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。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、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)傳輸上方便、簡單，因此主控電路的選擇采用方案二。頻

5、率等參數(shù)的測量采用閘門時(shí)間為1s的等精度測量法。閘門時(shí)間與待測信號(hào)同步，相比于傳統(tǒng)方案，避免了對(duì)被測信號(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。測量頻率時(shí)，在閘門時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)待測信號(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)值除以待測信號(hào)計(jì)數(shù)值乘上時(shí)鐘周期即為待測周期；測量兩個(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)等精度測量得到間隔時(shí)間。測量頻率時(shí)計(jì)算閘門時(shí)間內(nèi)的上升沿脈沖除以閘門時(shí)間；測量兩個(gè)信號(hào)的相位差時(shí)，則計(jì)算第一個(gè)信號(hào)方案描述系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，待測信號(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

6、，輸出給FPGA進(jìn)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(jī)通信，基于閘門時(shí)間為1s的等精度測量算法，測算相關(guān)參數(shù)。放大信號(hào)信號(hào)整形參數(shù)測量結(jié)果輸出圖1系統(tǒng)總體框圖電路設(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

7、接如圖3所示。輸入信號(hào)VCA810.壓控放大器OPA690*高速放大器控制電壓調(diào)整電路AD8561高速比較器I反饋部分檢波電路圖2.2.正弦波整形電路自動(dòng)增益模塊流程圖自動(dòng)增益模塊原理圖正弦波形醒后經(jīng)過AGC電路后，進(jìn)入如圖!所示的滯回比較器，整成方波。該電路的窗口電壓為96mV圖4滯回比較器軟件設(shè)計(jì)圖5軟件流程圖測試方案與測試結(jié)果4.1.測試儀器表1測試儀器序號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量1RIGOLDG4102100M信號(hào)發(fā)生器12RIGOLDS2202A200M數(shù)字示波器13RIGOLDP832可編程直流電源14FLUKE18B萬用電表1頻率測試(1)測試方法：選取1Hz、100Hz、lKHz、

8、1MHz、10MHz5個(gè)頻率點(diǎn)，測量分別測量輸入信號(hào)在3mVrms、10mVrms、50mVrms、100mVrms、1Vrms的結(jié)果，并計(jì)算誤差(2)測量結(jié)果表2頻率測量數(shù)據(jù)表幅度lOmVrms50mVrms100mVrms1Vrms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-050.9998851.15E-040.9999928.00E-0610099.9982481.75E-051001.75E-05100.00032.65E-06100.000363.60E-061k10000.00E+001000.

9、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(shí)間間隔測量(1)測試方法：選取0.1us、1ms、100ms個(gè)頻率點(diǎn)，測量分別測量輸入信號(hào)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）測量結(jié)果表3方波Vpp=20mV

10、時(shí)間間隔測量數(shù)據(jù)表時(shí)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-0510000.09960.0041.00011E-04100.00212E-05表4方波Vpp=50mV時(shí)間間隔測量數(shù)據(jù)表時(shí)間間隔01us1ms100ms頻率測量誤差測量誤差測量誤差1000.09980.0020.9970.00399.99982E-062000.10010.0011.00022E-

11、04100.00101E-055000.09980.0021.0030.003100.0022E-0510000.09990.0011.0000100.0022E-05表5方波Vpp=1V時(shí)間間隔測量數(shù)據(jù)表時(shí)間間隔01us1ms100ms頻率測量誤差測量誤差測量誤差1000.09990.0010.99982E-0499.99982E-062000.101.00011E-04100.0022E-055000.10010.0011.00033E-04100.00212E-0510000.09990.0011.00101E-03100.00232E-05（1）測試方法：選取10%、30%、50%、7

12、0%、90%四個(gè)相位測，分別測量輸入信號(hào)是1Hz、100Hz、10KHz、1MHz、5MHz的結(jié)果，并計(jì)算誤差（2）測量結(jié)果表4占空比測量數(shù)據(jù)表設(shè)10%30%50%70%90%定占空比頻率測量誤差測量誤差測量誤差測量誤差測量誤差值/%值/%值/%值/%值/%/%/%/%/%/%1Hz10.000.0429.990.00450069.990.00089.90.0014118771957149874441009.9950.0429.990.00450069.990.00789.90.001Hz1987333514398744410K9.9960.0330.000.00049.994E-69.990

13、.00890.00.000Hz370132998054370430044441MH9.9960.0329.970.08849.980.0270.000.00489.90.001z274726346679021963317319874445MH10.000.0430.020.08650.080.1670.230.33590.00.026z41166672958478404235111其他發(fā)揮部分（亮點(diǎn)）1、頻率測量時(shí)，在lHz-100MHz時(shí)，最低測量有效值Vrms可降低為5mV；2、方波測量占空比和時(shí)間間隔時(shí)，最低測量的Vpp可達(dá)到10mV；3、頻率、時(shí)間間隔測量時(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，切換儀器測量模式。測試結(jié)論實(shí)測表明，本設(shè)計(jì)在頻率測量、相位測量、占空比測量等多個(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，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.電子測量技術(shù)