全国大学生电子设计大赛题一等奖数字频率计.docx
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全国大学生电子设计大赛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）
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的数字频率计，其优点在于采用了自动增益控制电路（AGC）和等精度测量法，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，且高于后级滞回比较器的窗口电压，有效解决了待测信号输入电压变化大、频率范围广的问题。
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。
经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指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
1.系统方案
1.1.方案比较与选择
宽带通道放大器
方案一：
OPA690固定增益直接放大。
由于待测信号频率范围广，电压范围大，所以选用宽带运算放大器OPA690，5V双电源供电，对所有待测信号进行较大倍数的固定增益。
对于输入的正弦波信号，经过OPA690的固定增益，小信号得到放大，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。
方案二：
基于VCA810的自动增益控制（AGC）。
AGC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OPA690是高速放大器，但是单级增益仅能满足本题基本部分的要求，而在放大高频段的小信号时，增益带宽积的限制使得该方案无法达到发挥部分在频率和幅度上的要求。
方案二中采用VCA810与OPA690级联放大，并通过外围负反馈电路实现自动增益控制。
该方案不仅能够实现稳定可调的输出电压，而且可以解决高频小信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。
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1300ns，远远无法达到发挥部分100MHz的频率要求。
因此，采用响应时间为4.5ns的高速比较器运放TLV3501。
主控电路
方案一：
采用诸如MSP430、STM32等传统单片机作为主控芯片。
单片机在现实中与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、减小了体积、电路工作也更加可靠和稳定，速度也大为提高。
且在数据传输上方便、简单，因此主控电路的选择采用方案二。
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，有效提高了系统精度。
测量频率时，在闸门时间内同时对待测信号和标准信号（时钟信号）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；测量两个信号的时间间隔时，通过异或门将时间间隔转化为周期脉冲信号，通过对脉冲信号等精度测量得到间隔时间。
测量频率时计算闸门时间内的上升沿脉冲除以闸门时间；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所示，待测信号首先进入自动增益电路，其输出电压增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内部，数字电路系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。
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的控制电压范围内，使得VCA810能够正常工作；OPA690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。
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AGC电路后，进入如图4所示的滞回比较器，整成方波。
该电路的窗口电压为96mV
图4滞回比较器
3.软件设计
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
1
RIGOLDG4102100M信号发生器
1
2
RIGOLDS2202A200M数字示波器
1
3
RIGOLDP832可编程直流电源
1
4
FLUKE18B万用电表
1
4.2.测试方案及数据
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3mVrms、10mVrms、50mVrms、100mVrms、1Vrms的结果，并计算误差
（2）测量结果
表2频率测量数据表
幅度
10mVrms
50mVrms
100mVrms
1Vrms
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
1
0.999169
8.31E-04
0.999988
1.19E-
05
0.999885
1.15E-04
0.999992
8.00E-
06
100
99.998248
1.75E-05
100
1.75E-
05
100.0003
2.65E-06
100.00036
3.60E-
06
1k
1000
0.00E+00
1000.003
3.00E-
06
1000.003
3.00E-06
1000.047
4.70E-
05
100k
1000003
3.00E-06
1000003
3.00E-
06
1000003
3.00E-06
1000003
3.00E-
04
10M
3.50E-06
3.70E-
06
3.90E-06
3.90E-
04
100M
3.68E-06
3.68E-
06
0.00E+00
3.90E-
04
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20mV、50mV、以及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
0.1us
1ms
100ms
频率
测量
误差
测量
误差
测量
误差
100
0.0978
0.022
0.998
0.002
99.9988
1E-05
200
0.1002
0.002
1.0001
1E-04
100.001
1
1E-05
500
0.0998
0.002
1.032
0.032
100.002
1
2E-05
1000
0.0996
0.004
1.0001
1E-04
100.002
1
2E-05
表4方波Vpp=50mV时间间隔测量数据表
时间间隔
0.1us
1ms
100ms
频率
测量
误差
测量
误差
测量
误差
100
0.0998
0.002
0.997
0.003
99.9998
2E-06
200
0.1001
0.001
1.0002
2E-04
100.0010
1E-05
500
0.0998
0.002
1.003
0.003
100.002
2E-05
1000
0.0999
0.001
1.000
0
100.002
2E-05
表5方波Vpp=1V时间间隔测量数据表
时间间隔
0.1us
1ms
100ms
频率
测量
误差
测量
误差
测量
误差
100
0.0999
0.001
0.9998
2E-04
99.9998
2E-06
200
0.1
0
1.0001
1E-04
100.002
2E-05
500
0.1001
0.001
1.0003
3E-04
100.0021
2E-05
1000
0.0999
0.001
1.0010
1E-03
100.0023
2E-05
占空比测量
（1）测试方法：
选取10%、30%、50%、70%、90%四个相位测，分别测量输入信号是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
/%
1Hz
10.00
41
0.04
1
29.99
877
0.004
1
50
0
69.99
95
0.000
714
89.9
987
0.001
444
100
Hz
9.995
1
0.04
9
29.99
87
0.004
333
50
0
69.99
5
0.007
143
89.9
987
0.001
444
10K
Hz
9.996
3
0.03
7
30.00
01
0.000
32
49.99
998
4E-
05
69.99
437
0.008
043
90.0
004
0.000
444
1MH
z
9.996
274
0.03
726
29.97
34
0.088
667
49.98
902
0.02
196
70.00
331
0.004
731
89.9
987
0.001
444
5MH
z
10.00
41
0.04
1
30.02
6
0.086
667
50.08
29
0.16
58
70.23
478
0.335
404
90.0
235
0.026
111
4.3.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
实测表明，本设计在频率测量、相位测量、占空比测量等多个参数上全都可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]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2013.[3]刘凯,顾新.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设[M]西安:
西安电子科技大
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从重视再现性设计的基础到实际应用[M].北京:
科学出版社,2004.
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西安交通大学出版
社,2004.
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