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1、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
2、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目录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
3、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
4、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
5、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。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
6、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。FPGA比较器电路AGC电路宽带放大输入信号NIOSIITFT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
7、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。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反馈部分图 2自动增益模块流程图图 3自动增益模块原理图2.2
8、. 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1RIGOL DG4102100M 信号发生器12RIGOL DS2202A 200M 数字示波器13RIGOL DP832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
9、 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
10、.00E-061000.0033.00E-061000.0474.70E-05100k10000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0610000033.00E-0410M100000353.50E-06100000373.70E-06100000393.90E-06100000393.90E-04100M1000003683.68E-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 1
11、00Hz、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0.1us1ms100ms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
12、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-055000.100
13、10.0011.00033E-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/%1Hz10.00410.04129.998770.004150069.99950.00
14、071489.99870.001444100Hz9.99510.04929.99870.00433350069.9950.00714389.99870.00144410KHz9.99630.03730.00010.0003249.999984E-0569.994370.00804390.00040.0004441MHz9.9962740.0372629.97340.08866749.989020.0219670.003310.00473189.99870.0014445MHz10.00410.04130.0260.08666750.08290.165870.234780.33540490.02
15、350.0261114.3. 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, 2004.5Sergio, Franco. 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计M. 西安:西安交通大学出版社, 2004.