2015国赛题湖北汽车工业学院F题

1、11数字频率计摘要：本系统以设计测量精确的多功能数字频率计为主要目的，主要具有三个功能： 频率测量，时间间隔测量，占空比测量。对输入信号进行放大、整形后，利用 FPG/FPG/与DSPDSP进行检测和显示；使用宽带放大器和整形电路对输入信号进行分频 段处理的方法的提高了被测信号的带宽和测量精度，测量带宽为1HZ-100MHZ1HZ-100MHZ可以测量的最小电压低于10mv10mv测量精度小于0.01%0.01%。关键词：频率测量，时间间隔测量，占空比测量，宽带放大系统方案的设计与论证1.1系统整体结构本系统由频率和周期测量、时间间隔测量、脉冲信号占空比测量这三个大模块组成，每个大模块又分为三

2、个子模块：信号放大、整形、FPGAFPGA测量。系统方框图如下：121.2部分模块的方案选择与论证1.2.11.2.1前级放大模块方案选择方案一：使用三极管进行放大，高频三极管的频带很宽，采用共射共基 形式放大电路可很好完成中高频信号的放大，但对几赫兹频率的低频信号实 现起来不容易。方案二：使用集成运放对输入信号进行放大，输出信号稳定，实现简单， 但运放频带相对较窄，高频下无法正常工作。方案三：对输入频段分段，低频使用运放，高频段使用高频晶体管放大。综合比较：对于频率、周期的测量，其被测对象是正弦波，我们选用方 13案二；由于方波含有很多的高次谐波，所以在本设计中，对于时间间隔测量 和脉冲占空

3、比测量，我们选择方案三。1.2.21.2.2整形电路的方案选择方案一：直接使用反相器对信号进行整形，实现起来很简单，但是频率 很高的条件下速度不够。方案二：使用专用高速比较器进行整形，但需要对输入信号加入偏置电 压，频带较方案一宽。综合比较：由于设计要求最高到 100MHz100MHz频率，带宽很宽。在1MHz1MHz以下 的频段更我们采用方案一，而在1MHz1MHz以上的频段采用方案二。理论分析与计算2.1共射共基放大电路的分析与计算本系统在10KHZ-1MHZ10KHZ-1MHZ频段的时间间隔测量中使用了 90189018构成的共射共 基放大电路，其原理分析如下：4*|*| S S*c3*

4、c3忑丄n n叭n n角其申九.|匚所以砂口*B.町 幻号 ri+臥、角略任陷II a ）叫”T”T亦1沁fl + 爲）01込组命放人也路在大多数的实际应用中单霞BJTBJT绢成的放天电賂往往不能满足特定的境 益、输人屯阴、输出电PRPR尊要求*为此，站把三种组态中的FijFij种进行适当的组 仟，以便；44挥$自的优点，获斜更奸的杵能。这种屯路称为组佥成大屯路.如 共集-曲射电路、共射-共基电路、共集-共垦屯路、比筆-北集屯路等4,6.14,6.1 共射-共棊放氏屯路4.4. 6.6. I I 是共射-共基组合放大屯路的原理图，苴中11足共射组态、 丁 2 2魁共垄组态 由于两管是串联的.故

5、又称为串搖放大电路:图4.4. 6.6. lblb是罔 4.4. 6.6. 11的交流通路.圉斗匕共时-扶墓城丸电賂g風理3131 thth）交疏避圖由左流通路町见”第一级的输岀电压就是第二级的输人电压.即叫1=1=就 由此可推导岀电氏增益的表达式为 = -1*1贰W飞.2）说阴，组合放大电路总的电压增益等于组成它的各级单管放 大电路电压壇益的乘积.这午结论可推至多级放大电路。持别要注意的是， 在计算各级的咆压填盈时、必须蓉虑级间的相互响.即前一级的输出电用是 后一级的输人电压.后一级的输入电Si是前一级的负裁电ffl/?,.由式（4. 6. Ib）nl Sa,共射三共基组合就大电路的电压增益

6、与单管共射极 放大电路的电压增箍接近。扶射-扶耳组合放大电路的要忧点是髙频持件好，具有较宽的频带（见三、电路设计3.1硬件电路设计書IIII尺153.1.13.1.1微弱信号放大及整形电路电流型运放Opa690Opa690具有很大增益带宽积，在很宽的带宽内，对于微弱 信号都有很好的放大效果。放大后将信号输入到比较器中进行比较整形。3.1.23.1.2高频信号放大及整形电路在高达数十兆的频带中，upup C1651C1651能够不失真地放大微弱信号，本设计 采用二级upC1651upC1651放大，并将20M20M到100100M M频率之外的干扰信号滤除，很好 的实现了高频放大及整形功能。3.

7、2软件设计3.2.13.2.1流程图16flF1i1脉冲检测上升沿时间差检测咼电平持续时间检 测发送数据4.24.2设计思想软件主要是用FPGAFPGA寸信号进行采集，采集完成后 DSPDSP对FPFPGA采集的信 号进行读取并处理，然后通过1286412864屏幕显示；FPGAFPGA主频过高，采集高频信 号精确，但对低频信号的采集误差较大，采集时首先对被采信号的频率加以 判断，若为高频则采用测频法测量，若为低频则使用测周法来测量；测量时 间间隔时在测频的基础上采集两路信号的上升沿时间差即可；测量占空比时， 只需要测量高电平的持续时间，DSPDSP读取后根据测量到的频率来计算出占空 比；所有

8、需要显示的数据都通过 DSPDSP处理后由1286412864显示屏显示出来。四、系统测试4.1测试仪器和工具序号名称型号数量用途1 1数字示波器TektroTektro nixnix TDS1002TDS10021 1检测波形2 2函数发生器AglieAglie ntnt 33500B33500B2 2产生参考信号和被测信号3 3数字万用表ATTENATTEN AT9205BAT9205B2 2检测直流参数4 4螺丝刀套装0430030430031 1组装，加固5 5稳压电源DF1743003CDF1743003C1 1作为直流电源6 6电铬铁温度可调型1 1焊接硬件电路7 7频率计VC31

9、65VC3165智能频率计1 1测试正弦波频率4.2测试方法1 1、 由函数发生器随机给出频率在110MHZ110MHZ各个频段的数个有效值在 50mVlV50mVlV勺正弦波，分别用频率计和自行设计的数字频率计，进行频率测量 并加以比较，计算相对误差。2 2、由双通道 DDSDDS函数发生器产生两路同频同周期的方波，其频率在100HZ1MH100HZ1MH之间变换，信号峰峰值限制在 50m1V50m1V之间，测量两路信号的时FPGA流程图kf( 开始17间间隔。3 3、 将被测信号的频率范围增大到1HZ1MHZ1HZ1MHZ再次验证频率和周期的测量 功能。4 4、 检验周期和频率测量功能时，

10、减小函数发生器输出正弦波的有效值到 10mv10mv观察数字频率计的精准度。5 5、 函数发生器给出频率在 1HZ5MHZ1HZ5MHZ笔峰值在50mV1V50mV1V占空比在10%90%10%90% 的脉冲信号。测量其占空比。4.3 测试结果1 1、频率周期测量功能10mv50mv500mv1v10HZ10HZ10HZ10HZ10HZ1KHZ0.999KHZ1.001KHZ1.000KHZ1.000KHZ10KHZ9.998KHZ10.000KHZ9.999KHZ10.000KHZ1MHz1.000143MHZ1.000012MHZ1.000001MHZ1.000000MHZ10MHZ10.

11、000018MHZ10.000031MHZ10.000000MHZ10.000000MHZ100MHZ100.2 2、脉冲信号占空比的测量10%50%90%0.059.2%49.9%89.5%0.59.3%50.1%89.7%10HZ19.5%49.8%89.8%0.059.3%50.2%90.1%0.59.4%49.9%89.8%1KHZ19.6%49.8%89.9%0.0510.1%50.1%90.2%0.59.8%50.1%89.8%1M19.9%49.8%90.1%0.059.7%49.9%89.9%0.510%50%89.8%10M15.3 测试结果分析经过多次测试，本系统能够完成预

12、期的所有性能指标要求， 在信号微弱的条 件下，系统具有很好的精确度。精度可以达到题目要求的范围内，测得波形完美， 采集数据结果稳定。181234参考文献康华光.电子技术基础（模拟部分）.5版.北京.高等教育出版社.2006.1康华光.电子技术基础（数字部分）.5版.北京.高等教育出版社.2006.1铃木雅臣.晶体管电路设计.1版.北京.科学出版社.2004远坂俊昭.测量电子电路设计一一滤波器篇 .1版.北京.科学出版社.2006.619附录:中高频信号处理电路针对10kHz-1MHz10kHz-1MHz频段的方波放大，使用90189018组成的共射共基放大电路 器。实际测试中为了使输出方波可被正常整形，