电子测量原理（田宝凤）国赛报告

1、2015年全国大学生电子设计竞赛设计报告书【本科组】数字频率计（f题）2015 年 08月 15 0本系统由模拟信号调理部分和信号测量部分组成。模拟信号调理部分由放大 器和比较器构成，放大器以超宽带低噪声放大器ada4817-1为核心器件，将1hz 100mhz小信号进行放大，然后经过超高速比较器ad8561及宽带压控增益放大器 ad8367将输入信号进行整形以供处理器测量；信号测量部分以fpga与arm处理器 相结合的方式实现系统的测量功能，其中fpga对调理后的模拟信号进行频率、周 期、时间间隔以及信号占空比的测量，arm处理器完成信号电参量的显示以及人 机接口部分。经过最终的级联和调试，

2、本系统己完成题目的基本要求且达到发挥 部分的所有指标，部分指标如最低幅度和相对误差的绝对值等已超岀题目要求。关键词：宽带；低噪；信号调理；高速比较abstractthis system is composed of analog signal conditioning part and signal measurement part. analog signal conditioning part is composed of amplifier and a comparator, amplifier with ultra wideband low noise amplifier ada481

3、7-1 as the core device, will be 1 hz 100 mhz small signal amplifier, and then after ultra-high speed comparator ad8561 and broadband voltage-controlled gain amplifier ad8367 shaping for the processor in the input signal measurement; signal measurement part to realize the combination of fpga and arm

4、processor system, the functions of measurement with the fpga to regulate the analog signals of frequency, cycle, after the interval and the duty ratio of the measured signal, arm processor to complete the signal electric parameter display and manmachine interface. after the final grade and debugging

5、, this system has been completed the basic requirement of the subject and achieve all the indicators play part, some indexes such as minimum amplitude and the absolute value of relative error is beyond the topic request.keywords: broadband; low noise; signal disposal; high speed to compare一、方案设计与论证1

6、. 放大器的方案论证方案一：采用ad8009运算放犬器芯片o ad8009是一款高速电流反馈型放人器, 压摆率达到5500 v/|is,上升时间仅为545ps,因而非常适合用作宽带放大器。高 压摆率可降低压摆率限幅效应，使大信号带宽达到440mhz,但是信号质量在整个 宽带宽范围内会有较大失真，不满足题目对于放大器稳定性的要求。方案二：采用ada4817-1运算放大器芯片。ada4817-1是电压反馈型运算放大 器，集新型fet输入运放结构与adt公司的超快速互补双极性(xfcb)工艺于一体， 实现了高速度和低噪声的卓越组合，其-3db带宽为1050miiz o这些特性使ada4817- 1成

7、为高速仪器仪表和高分辨率数据采集系统的绝佳选择。低噪声、皮安级输入 电流、精密失调和高速特性使其特别适合用作系统前置放大器。综合考虑稳定性、增益和系统复杂度等因素，选择方案二。2. 比较器的方案论证方案一：采用max913比较器。max913是一种高速，低功耗的比较器，同时它 的一个独特设计就是在其线性区域是它的比较是可以防止振荡。但是比较器的延 迟在实际中会有所增大，使得其不适合宽频带信号的精确测量。方案二：采用ad8561比较器芯片。ad8561是一款单路7ns比较器，具有单独 的输入和输出部分。ad8561具有7ns快速传播延迟性能，上升信号与下降信号的 传播延迟在整个温度范圉内紧密匹配

8、，输出的占空比与输入的占空比匹配，这种 匹配延迟特性特别适合于本题占空比的测量，而且相比于max931, ad8561具有更 短的延迟时间，满足题目中1hz10mhz信号对比较器的要求。方案三：采用ad8367可控增益放大器芯片搭建比较器电路。ad8367是一款高 性能可变增益放大器，设计用于在最高500 mfh的中频频率下工作。从外部施加0 至1 v的模拟增益控制电压，可调整45db增益控制范围，以提供20 mv/db输出。 实际测量中，ad8561无法整形30mhz以上信号，故利用ad8367放大器的宽频带特 性，将其增益设为最大，并且单电源+5v供电，利用放大后信号的切顶失真，实 现对1

9、 omhz1 oomhz信号的整形。综合比较，基于题目要求，采用方案二与方案三结合的方式测量，当检测 lomiiz以下信号时，选择方案二；当检测lomilzloomiiz的高频信号时，选择方案二、理论分析与计算1. 宽带通道放大器的分析计算为满足题目要求，设计核心应围绕增益带宽积，增益分配，通频带计算，噪 声计算等几个重点。在芯片的选型上，本方案全部选择宽带低噪声放大器。为实 现1hz1 oomhz小信号的放大，系统选用1ghz单位增益带宽，低噪声运放ada4817 搭建前置低噪声固定增益放大电路，为实现题目100mhz有效电压为10mv的正弦波 小信号的放大，采用两级放大器级联的方式，每级在

10、保证带宽足够的情况下，应 合理分配增益，并进行阻抗匹配。2. 各项被测参数测量方法的分析本系统采取直接测频法进行频率的测量。直接测频法即在闸门时间t内，通 过主门的信号脉冲个数为n,被测信号的频率f二n/t;测频方法的测量误差包含两 个方面：一是计数器的计数n是否准确即量化误差：n±1丄 1=土nn一 tf x二是闸门时间t是否准确即标准频率误差:fx _n t : a n t(1)直接测频法测频原理图如图1所示。放总整形二;主门电子计数器门控逻辑控制单元晶扳-> 分频图1直接测频法测频原理图(1) 对于基本要求中频率的测量，使用直接频率测量法进行测量。(2) 对于时间间隔的测

11、量，是将两路输入信号进行异或运算，将异或后的 信号作为闸门时间，在闸门时间里填充高速脉冲，测得信号的高电平吋间，即为 两路同频信号的时间间隔。(3) 对于发挥部分占空比的测量，将输入信号接入d触发器，在d触发器时 钟的上升沿和下降沿时待测信号进入fpga,将待测信号作为闸门时间，在闸门时 间里填充高速脉冲，计数得到闸门时间内高速脉冲个数和以得到高电平时间，同 时可测得输入信号的频率，即输入信号的周期，将两者作除法即得占空比。3. 提高仪器灵敏度的措施(1) 提高放大器的稳定性：采取布线时考虑信号流向，防止级间干扰；加 入屏蔽保护，使用同轴电缆等措施进一步降低噪声影响。(2) 噪声抑制与抗干扰措

12、施：采用pcb卬刷板，系统合理布局，降低干扰； 前级电路实施屏蔽措施，采用b7c头等避免级间干扰和高频自激。(3) 在fpga屮可以实现精确的倍频移相，时钟相移误差tp和计数时钟晃动 tc对测量谋差的影响较小，脉冲宽度的课差主要取决于系统原理课差以及信号延 迟误差：其中系统原理误差和等效时钟频率有关，等效时钟频率越高，系统原理误 差越小。(4) 对测量误差影响较大的另外一个因素是信号延迟误差，由误差分析可知 信号延迟误差对系统精度的影响占了很大的比例，可以通过调整fpga内部各元件 的放置位置以及连线来尽量减小延迟谋差，或者通过添加一些门电路增加延时以 使各信号延迟时间尽可能相同。减小各计数时

13、钟和待测信号到计数器的信号延迟 差异可以有效地提高测量精度。三、硬件电路设计1. 系统框图系统的硕件电路主要由放大器，比较器以及fpga和arm控制器组成，如图2 所示。其中放大器实现对小信号的放大功能，比较器实现对放大后的信号进行整形。fpga对整形后的高频信号进行测量，arm控制器完成低频信号的测量以及电 参量的显示。系统整体框图如图2所示。图2系统整体框图2. 低噪声前置固定增益放大电路的设计前级固定增益放大电路是系统信号链的重点和设计难点，主要要求前置放大器具有低噪声、高宽带、低失真等优良特性，这样对于芯片的选型就由为重要;在此我们选择fet输入的单位增益稳定、超高速电压反馈型放大器a

14、da4817放大 器，其具有低噪声（4 nv/厢）、低失调电压（最大值2 mv）以及1050 mhz -3 db 带宽的特性，电路设计信号同相输入，50 q实现阻抗匹配。前置放大电路放大倍 数及反馈电阻均依据数据手册设计：r尸200q,入二1+r/r尸1+200/337倍，具体 屯路如图3所示。3 低频段比较器设计ad8561是一款单路7ns比较器，具有单独的输入和输出部分。ad8561具有7ns 快速传播延迟性能，上升信号与下降信号的传播延迟在整个温度范围内紧密兀 配，故利用其搭建迟滞比较器电路，具体电路如图4所示。vcc£louf1+vs /out in+ out in- lat

15、 vs gnd8ref273645c20.1 ufulad8561图4 ad8561低频段比较器电路4. 高频段比较器电路的设计ad8367是一款高性能可变增益放大器，设计用于在最高500 mfh的中频频率下工作。从外部施加0至iv的模拟增益控制电压，可调整45db增益控制范圉，以提供20 mv/db输出。实际测量中，ad8561无法整形30mhz以上信号，故利用ad8367放大器的宽频带特性，将其增益设为最大，并且单电源+5v供电，利用放大后信号的切顶失真，实现对10mhz100mhz信号的整形，具体电路如图5所示。p8clo.oluf0.01 uf32c10 0.0 luficomicom

16、enblupflinptvpsimodevpsogainvoutdetodeclicomocomulad8367vcc 工23567141312111098r3iko.olufc5 o.olufc8o.olufoutputo.oluf图5 ad8367高频段比较器电路1. 系统流程图系统控制部分主要由arm处理器和fpga两部分组成，如图2所示。其中arm处 理器作为主机，fpga作为从机。主机作为系统控制核心控制整个系统，完成低频 信号频率的测量、与fpga通信以及人机接口部分；从机作为二级控制中心，完成 频率、吋间间隔和占空比的测量。流程图中arm处理器用mcu表示，系统软件流程 如图6所

17、示。图6 fpga和arm软件流程图五、测试方案与测试结果分析1.测试仪器清单测试所用仪器清单如表1所示。表1测试所用仪器清单表序号仪器名称型号指标生产厂家数量1数字示波器gds-2202a200mhzgwinstek12函数信号发生器（双通道）sdg5162160 mhzsiglent13数字万用表gdm-8261a六位半gwinstek14ac-dc直流电源gps-33o3a 32v-+32vgwinstek12. 测试方案及结果（1）频率测量1）频率范围测试测试方案：用双通道信号发生器sdg5162产生峰峰值固定为500mv,不同频率 的正弦信号作为输入信号进行测试。测试条件：信号源输出

18、频率不同的正弦波, 记录输入频率和测试数据，测试结果如表2所示。表2频率范圉测试表预置频率（khz）0.00201.0000100.00001000.000010000.0000100000.0000测试所得频率（khz）0.0020011.0010100.00091000.001210000.0026100000.0027相对误差绝对值（）0.050000000.00090.0001<0.0001<0.00012）信号幅度范围测试测试方案：用双通道信号发生器sdg5162产生频率为10kh7幅度不同的正弦信 号，进行信号峰峰值的测试。测试条件：信号源输出不同幅度的正弦波，记录输

19、入幅度和测试数据，测试结果如表3所示。表3信号峰峰值测试表预置峰峰值（mv）501005001000测试频率（khz）10.000010.000010.000010.0000相对误差绝对值（）0000（2）时间间隔测试1）频率范围测试由于此次测试仪器是双通道信号发生器sdg5162,该仪器只能设置不同相位p 的同频（周期为t）信号，而题目要求测试的是时间间隔。而时间间隔与相位直 接的关系式为：时间间隔t=（p/360°）xto根据该式就可以建立时间间隔与相位 直接的关系。只要按照这样的关系就能实现时间间隔的测试。测试方案：用双通道信号发生器sdg5162产生两路吋间间隔为100 u

20、s的信号, 改变两路信号的频率，测试两路信号z间的时间间隔。测试条件：信号源输出两路带有一定相位差的方波，记录两路信号的时间间 隔。所得测试结果如表4所示。表4固定电压同一时间间隔下频率范围测试预置频率（khz）00.51251000测试所得间隔（卩s）999.532199.92499.93649.97819.9810.100相对误差绝对值（）0.050.040.060.040.0902）电压峰峰值范围测试测试方案：用双通道信号发生器sdg5162产生两路相位差为36° ,时间间隔 为0. 1ms的信号，固定频率为lkhz的信号，改变两路信号的频率，测试两路信号 之间的时间间隔。测试

21、条件：信号源输出两路带有一定相位差的方波，记录两路信号的时间间 隔。所得测试结果如表5所示。表5固定频率同一时间间隔下峰峰值范围测试预置峰峰值（mv）501002004008001000测试所得1'可隔（ps）99.77099.77099.77099.77099.77099.770相对误差绝对值（）0.230.230.230.230.230.23（3）脉冲信号占空比测试1）占空比测试测试方案：使用双通道信号发牛器sdg5162产牛频率为lkhz,幅度为500mv, 占空比不同的矩形波，对矩形波信号的占空比进行测试。测试条件：信号源输出一路矩形脉冲，测量不同占空比的影响。由于双通道 信号

22、发生器sdg5162,输出信号的占空比范围为20%80%,因此，本次测试占空 比下限为20%。测试结果如表7所示。表7固定峰峰值同一频率下信号占空比测试表预置占空比（）20304050607080测试结果（）19.929.939.949.959.969.979.9相对误差绝对值（）0.500.330.250.200.160.140.122）频率范围测试测试方案：使用双通道信号发生器sdg5162产生固定电压幅度为500mv,占空比为60%的矩形波，对矩形波信号的频率进行测试。测试条件：信号源输出一路矩形脉冲，测试占空比的不同。测试结果如表8 所示。表8固定峰峰值同一占空比下信号频率范围测试表预置频率（khz）0.0010.01110010005000测试结果（）60.460.259.959.959.759.9相对误差绝对值（）0.670.330.160.160.50063）电压峰峰值范围测试测试方案：使用双通道信号发牛器sdg5162产牛固定频率lkhz,占空比为40%的矩形波，对矩形波信号的频率进行测试。测试条件：信号源输出一路矩形