2015全国大学生电子设计大赛F题一等奖--数字频率计

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 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 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） 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 摘 要.................................................................................................................... 1 目录........................................................................................................................ 2 1. 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 ................................................................................................... 3 1.1. 方案比较与选择................................................................................ 3 1.1.1. 宽带通道放大器......................................................................... 3 1.1.2. 正弦波整形电路......................................................................... 3 1.1.3. 主控电路..................................................................................... 3 1.1.4. 参数测量方案............................................................................. 4 1.2. 方案描述............................................................................................ 4 2. 电路设计................................................................................................... 4 2.1. 宽带通道放大器分析........................................................................ 4 2.2. 正弦波整形电路................................................................................ 5 3. 软件设计................................................................................................... 6 4. 测试方案与测试结果............................................................................... 6 4.1. 测试仪器............................................................................................ 6 4.2. 测试方案及数据................................................................................ 7 4.2.1. 频率测试..................................................................................... 7 4.2.2. 时间间隔测量............................................................................. 7 4.2.3. 占空比测量................................................................................. 8 4.3. 测试结论............................................................................................ 9 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。 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 自动增益模块原理图 2.2. 正弦波整形电路 AGC 电路后，进入如图 4 所示的滞回比较器，整成方波。 96mV 第 5 页 共 10 页 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 第 6 页 共 10 页 4.2. 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 4.2.2. 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 7 页 共 10 页 (2)测量结果 表 3 方波 Vpp=20mV 时间间隔测量数据表 表 4 方波 Vpp=50mV 时间间隔测量数据表 表 5 方波 Vpp=1V 时间间隔测量数据表 4.2.3. 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 8 页 共 10 页 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） 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 摘 要.................................................................................................................... 1 目录........................................................................................................................ 2 1. 系统方案................................................................................................... 3 1.1. 方案比较与选择................................................................................ 3 1.1.1. 宽带通道放大器......................................................................... 3 1.1.2. 正弦波整形电路......................................................................... 3 1.1.3. 主控电路..................................................................................... 3 1.1.4. 参数测量方案............................................................................. 4 1.2. 方案描述............................................................................................ 4 2. 电路设计................................................................................................... 4 2.1. 宽带通道放大器分析........................................................................ 4 2.2. 正弦波整形电路................................................................................ 5 3. 软件设计................................................................................................... 6 4. 测试方案与测试结果............................................................................... 6 4.1. 测试仪器............................................................................................ 6 4.2. 测试方案及数据................................................................................ 7 4.2.1. 频率测试..................................................................................... 7 4.2.2. 时间间隔测量............................................................................. 7 4.2.3. 占空比测量................................................................................. 8 4.3. 测试结论............................................................................................ 9 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。