2015全国大学生电子设计大赛F题一等奖--数字频率计.docx

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  PAGE 9 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 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 目录  HYPERLINK \l _bookmark0 摘 要 1  HYPERLINK \l _bookmark1 目录 2  HYPERLINK \l _bookmark2 1. 系统方案 3  HYPERLINK \l _bookmark3 1.1. 方案比较与选择 3  HYPERLINK \l _bookmark4 1.1.1. 宽带通道放大器 3  HYPERLINK \l _bookmark5 1.1.2. 正弦波整形电路 3  HYPERLINK \l _bookmark6 1.1.3. 主控电路 3  HYPERLINK \l _bookmark7 1.1.4. 参数测量方案 4  HYPERLINK \l _bookmark8 1.2. 方案描述 4  HYPERLINK \l _bookmark9 2. 电路设计 4  HYPERLINK \l _bookmark10 2.1. 宽带通道放大器分析 4  HYPERLINK \l _bookmark11 2.2. 正弦波整形电路 5  HYPERLINK \l _bookmark12 3. 软件设计 6  HYPERLINK \l _bookmark13 4. 测试方案与测试结果 6  HYPERLINK \l _bookmark14 4.1. 测试仪器 6  HYPERLINK \l _bookmark15 4.2. 测试方案及数据 7  HYPERLINK \l _bookmark16 4.2.1. 频率测试 7  HYPERLINK \l _bookmark17 4.2.2. 时间间隔测量 7  HYPERLINK \l _bookmark18 4.2.3. 占空比测量 8  HYPERLINK \l _bookmark19 4.3. 测试结论 9  HYPERLINK \l _bookmark20 参考文献 9 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