2015全国大学生电子设计大赛F题一等奖-数字频率计

2015年全国大学生电子设计竞赛全国一等奖作品设计报告部分错误未修正，软件部分未添加竞赛选题：数字频率计（F题）第第1页共10页摘 要本设计选用FPGA作为数据处理与系统控制的核心，制作了一款超高精度全部电路使用PCB制版，进一步减小误差。AGC电路可将不同频率、不同幅度的待测信号，放大至基本相同的幅度，范围广的问题。频率等参数的测量采用闸门时间为1s的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，避免了对被测信号计数所产生±1个字的误差，有效提高了系统精度。标上远超赛题发挥部分要求。关键词：FPGA 自动增益控制 等精度测量法目录摘 要 1目录 21. 系统方案 31.1. 方案比较与选择 31.1.1.宽带通道放大器 31.1.2.正弦波整形电路 31.1.3.主控电路 31.1.4.参数测量方案 41.2. 方案描述 42. 电路设计 42.1. 宽带通道放大器分析 42.2. 正弦波整形电路 53. 软件设计 64. 测试方案与测试结果 64.1. 测试仪器 64.2. 测试方案及数据 74.2.1.频率测试 74.2.2.时间间隔测量 74.2.3.占空比测量 84.3. 测试结论 9参考文献 91.系统方案1.1.方案比较与选择1.1.1. 宽带通道放大器固定增益直接放大。由于待测信号频率范围广，电压范围得到放大，大信号削顶失真，所以均可达到后级滞回比较器电路的窗口电压。VCA810电路实时调整高带宽压控运算放大器VCA810的增益控制电压，通过负反馈使得放大后的信号幅度基本保持恒定。尽管方案一中的发挥部分在频率和幅度上的要求。方案二中采用与号单级放大时的带宽问题。因此，采用基于VCA810的自动增益控制方案。1.1.2. 正弦波整形电路方案一：采用分立器件搭建整形电路。由于分立器件电路存在着结构复杂、设计难度大等诸多缺点，因此不采用该方案。方案二：采用集成比较器运放。常用的电压比较器运放LM339的响应时间为100MHz4.5ns的高速比较器运放1.1.3. 主控电路现实中与FPGA连接，建立并口通信，完成命令与数据的传输。方案二：在FPGA内部利用逻辑单元搭建片内单片机Avalon，在片内将单片机和测量参数的数字电路系统连接，不连接外部接线。在硬件电路上，用FPGA片内单片机，除了输入和输出显示等少数电路外，其它大部分电路都可以集成在一片FPGA芯片中，大大降低了电路的复杂程度、便、简单，因此主控电路的选择采用方案二。1.1.4. 参数测量方案频率等参数的测量采用闸门时间为1s的等精度测量法。闸门时间与待测信号同步，相比于传统方案，避免了对被测信号计数所产生±1个字的误差，有效信号）计数，标准信号计数值除以待测信号计数值乘上时钟周期即为待测周期；除以闸门时间；测量两个信号的相位差时，则计算第一个信号1.2.方案描述系统总体框图如图1益到一个大于后级滞回比较器窗口电压的固定值，经过比较器电路后，输出给FPGA进行相关参数的测量，并最终显示在屏幕上。在FPGA统与片内单片机通信，基于闸门时间为1s的等精度测量算法，测算相关参数。FPGAFPGA比较器电路AGC电路宽带放大NIOSTFT显示蓝牙模块放大信号 信号整形 参数测量 结果输出图1 系统总体框图2.电路设计2.1.宽带通道放大器分析本设计的宽带通道放大器如图2所示，是一个自动增益控制模块。压控放大器VCA810依靠反馈得到的控制电压控制放大倍数；高速比较器AD8561比较的是VCA810输出信号和预设电压，使用二极管和RC对比较器的输出信号进行检波；TL082将检波得到的电压转换至VCA810的控制电压范围VCA810起着二级放大与级联缓冲的作用。具体电路连接如图3所示。VCA810压控放大器VCA810压控放大器VCA810压控放大器AD8561高速比较器检波电路OPA690高速放大器控制电压调整电路输入信号输出信号图2 自动增益模块流程图图3 自动增益模块原理图2.2.正弦波整形电路正弦波形醒后经过4该电路的窗口电压为96mV图4 滞回比较器3.软件设计测量频率测量频率FPGA通信开始功能选择测量时间间隔测量占空比输出结果图5 软件流程图4.测试方案与测试结果4.1.测试仪器表1 测试仪器序号名称、型号、规格数量1RIGOLDG4102 100M信号发生器12RIGOLDS2202A200M数字示波器13RIGOLDP832 可编程直流电源14FLUKE 18B万用电表14.2.测试方案及数据4.2.1. 频率测试（1）测试方法：选取1Hz、100Hz、1KHz、1MHz、10MHz5个频率点，测量分别测量输入信号在的结果，并计算误差（2）测量结果表2频率测量数据表幅度10mVrms50mVrms100mVrms1Vrms频率测量值/Hz误差测量值/Hz误差测量值/Hz误差测量值/Hz误差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.时间间隔测量（1）测试方法：选取0.1us、1ms、100ms个频率点，测量分别测量输入信号在100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz四种时间间隔以及及1V时的结果，并计算误差(2)测量结果表3方波Vpp=20mV时间间隔测量数据表时间间隔0.1us1ms100ms频率测量误差测量误差测量误差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时间间隔测量数据表时间间隔0.1us1ms100ms频率测量误差测量误差测量误差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时间间隔测量数据表时间间隔0.1us1ms100ms频率测量误差测量误差测量误差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. 占空比测量输入信号是1Hz、100Hz、10KHz、1MHz、5MHz的结果，并计算误差（2）测量结果表4占空比测量数据表设定占空比10%30%50%70%90%频率测量值/%误差/%测量值/%误差/%测量值/%误差/%测量值/%误差/%测量值/%误差/%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.其他发挥部分（亮点）1、频率测量时，在1Hz-100MHz时，最低测量有效值Vrms可降低为5mV；2、方波测量占空比和时间间隔时，最低测量的Vpp可达到10mV；3、频率、时间间隔测量时分辨率超过发挥部分要求；4、除使用键盘进行人机交互外，增加了蓝牙通讯功能，可实现无线控制功能，切换仪器测量模式。4.4. 测试结论以达到赛题基本部分和发挥部分的要求，并在部分指标上远超发挥部分要求。参考文献[1]张永瑞.电子测量技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.[2]夏