数字频率计：2015年全国大学生电子设计竞赛(F题)一等奖作品汇总

2015年全国大学生电子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 竞赛设计报告竞赛选题：数字频率计（F题）全国一等奖第1页共12页第2页共12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第3页共12页目录摘要....................................................................................................................3目录........................................................................................................................41.系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ...................................................................................................51.1.方案比较与选择................................................................................51.1.1.宽带通道放大器.........................................................................51.1.2.正弦波整形电路.........................................................................51.1.3.主控电路.....................................................................................51.1.4.参数测量方案.............................................................................61.2.方案描述............................................................................................62.电路设计...................................................................................................62.1.宽带通道放大器分析........................................................................62.2.正弦波整形电路................................................................................73.软件设计...................................................................................................84.测试方案与测试结果...............................................................................84.1.测试仪器............................................................................................84.2.测试方案及数据................................................................................94.2.1.频率测试.....................................................................................94.2.2.时间间隔测量.............................................................................94.2.3.占空比测量...............................................................................104.3.测试结论..........................................................................................11参考文献..............................................................................................................11第4页共12页1.系统方案1.1.方案比较与选择1.1.1.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。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。1.1.3.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。第5页共12页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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 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。TFT显示NIOS输入信号AGC电路宽带放大比较器电路FPGAII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。第6页共12页VCA810OPA690输入信号输出信号压控放大器高速放大器控制电压AD8561调整电路高速比较器反馈部分检波电路图2自动增益模块 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 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第7页共12页图4滞回比较器3.软件设计开始功能选择测量时间间隔测量频率测量占空比FPGA通信输出结果图5软件流程图4.测试方案与测试结果4.1.测试仪器 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1测试仪器序号名称、型号、规格数量第8页共12页1RIGOLDG4102100M信号发生器12RIGOLDS2202A200M数字示波器13RIGOLDP832可编程直流电源14FLUKE18B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10mVrms50mVrms100mVrms1Vrms测量值频率测量值/Hz误差/Hz误差测量值/Hz误差测量值/Hz误差1.19E-8.00E-10.9991698.31E-040.999988050.9998851.15E-040.999992061.75E-3.60E-10099.9982481.75E-0510005100.00032.65E-06100.00036063.00E-4.70E-1k10000.00E+001000.003061000.0033.00E-061000.047053.00E-3.00E-100k10000033.00E-0610000030610000033.00E-061000003043.70E-3.90E-10M100000353.50E-061000003706100000393.90E-0610000039043.68E-3.90E-100M1000003683.68E-0610000037061000000000.00E+00100000390044.2.2.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20mV、50mV、以及1V时的结果，并计算误差第9页共12页(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-05100.0012000.10020.0021.00011E-0411E-05100.0025000.09980.0021.0320.03212E-05100.00210000.09960.0041.00011E-0412E-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（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）测量结果第10页共12页表4占空比测量数据表设定占10%30%50%70%90%空比测量测量测量测量测量频值误差值误差值误差值误差值误差率/%/%/%/%/%/%/%/%/%/%10.000.0429.990.00469.990.00089.90.0011Hz5004118771957149874441009.9950.0429.990.00469.990.00789.90.001500Hz1987333514398744410K9.9960.0330.000.00049.994E-69.990.00890.00.000Hz370132998054370430044441MH9.9960.0329.970.08849.980.0270.000.00489.90.001z274726346679021963317319874445MH10.000.0430.020.08650.080.1670.230.33590.00.026z411666729584784042351114.3.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:西安电子科技大学出版社,2009.[4]冈村迪夫.OP放大电路设计: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.[5]Sergio,Franco.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版第11页共12页社,2004.第12页共12页