2015年全国大学生电子设计大赛F题-数字频率设计报告

2015 年全国大学生电子设计竞赛 数字频率计（F 题） 【本科组】 2015 年 8 月 15 日 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 1 摘要摘要 频率计是数字电路中的一个典型应用，是计算机、通讯设备、音频视频等科 研生产领域不可缺少的测量仪器，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益 重要。该系统由信号输入电路、数据处理电路和显示电路构成，可实现数字频率 计的测频率、周期、占空比、脉宽等各项功能。以 FPGA 为核心处理数据最更大 程度地提高了精度。经过综合测评，发现该系统具有高分辨率、输入频率量程宽、 测量精度高和输出稳定等特点。 关键词：关键词： FPGA 频率计频率计 高精度高精度 等精度等精度 高带宽高带宽 AbstractAbstract Frequency meter is a typical application of digital circuit, computer, communications equipment, audio, video, and other areas of the scientific research production indispensable measuring instrument, the role of frequency measurement in science and technology research and practical application is increasingly important.The system consists of signal input circuit, data processing circuit and display circuit, which can realize the digital frequency meter measuring frequency, cycle, pulse rate, pulse width and so on various functions.The FPGA as the core processing improves the accuracy of data is the greater.Through the comprehensive evaluation, found that the system has high resolution, wide input frequency range, high measurement accuracy and stable output. Keywords:Keywords: FPGAFPGA、FrequencyFrequency metermeter、HighHigh precisionprecision、equalequal precisionprecision、HighHigh bandwidthbandwidth 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 2 目 录 目 录 .2 第一章 设计任务与要求 .3 1.1 设计任务 .3 1.2 设计要求 .3 1.2.1 基本要求 .3 1.2.2 发挥部分 .3 第二章 方案讨论与选择 .4 2.1 方案设计 .4 2.1.1 方案一 .4 2.1.2 方案二 .4 2.2 方案选择 .5 第三章 理论分析与计算 .5 3.1 总体分析 .5 3.2 各项被测参数 .6 3.2.1 等精度测量的原理： .6 3.2.2 等精度测量的实现 .6 3.2.3 等精度数字频率计误差分析 .7 3.3 宽带通道放大器分析 .7 3.4 提高仪器灵敏度的措施 .7 第四章 硬件电路与程序设计 .8 4.1 硬件电路 .8 4.1.1 前置信号输入电路 .8 4.1.2 主控 FPGA.9 4.1.3 显示模块 .9 4.1.4 电源模块 .9 4.2 程序设计 .10 4.2.1 FPGA 处理数据程序框图.10 第五章 测试方案与结果 .10 5.1 测试方案与测试结果 .10 5.1.1 测试方案 .10 5.1.2 测试结果 .10 5.2 测试结果分析 .13 参考文献 .13 附 录 .13 1、核心器件 .13 2、 输入电路图 .14 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 3 3、 FPGA 顶层设计图.15 4、 实物图展示 .17 第一章第一章 设计任务与要求设计任务与要求 1.1 设计任务设计任务 设计并制作一台闸门时间为 1s 的数字频率计。 1.2 设计要求设计要求 1.2.1 基本要求基本要求 (1) 频率和周期测量功能 a被测信号为正弦波，频率范围为1Hz10MHz； b被测信号有效值电压范围为50mV1V； c测量相对误差的绝对值不大于10-4。 (2) 时间间隔测量功能 a被测信号为方波，频率范围为100Hz1MHz； b被测信号峰峰值电压范围为50mV1V； c被测时间间隔的范围为0.1s100ms； d测量相对误差的绝对值不大于10-2。 (3) 测量数据刷新时间不大于 2s，测量结果稳定，并能自动显示单位。 1.2.2 发挥部分发挥部分 (1) 频率和周期测量的正弦信号频率范围为1Hz100MHz，其他要求同基本要求 （1）和（3）。 (2) 频率和周期测量时被测正弦信号的最小有效值电压为10mV，其他要求同基本要 求（1）和（3）。 (3) 增加脉冲信号占空比的测量功能，要求： a被测信号为矩形波，频率范围为1Hz5MHz； b被测信号峰峰值电压范围为50mV1V； c被测脉冲信号占空比的范围为10%90%； d显示的分辨率为0.1%，测量相对误差的绝对值不大于10-2。 (4) 其他（例如，进一步降低被测信号电压的幅度等）。 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 4 第二章第二章 方案讨论与选择方案讨论与选择 2.1 方案设计方案设计 2.1.1 方案一方案一 本方案以单片机为核心，实现波形数据的分析与显示。先将被测信号进行整 形放大，把被测的正弦波整形为矩形波。然后经过分频电路之后，再利用单片机 的计数器和定时器的功能对被测信号进行计数。编写相应的程序可以使单片机自 动调节测量的量程，并把测出的频率数据送到显示电路显示。该方案虽然程序编 写较为简单但是整体上模块渐多。流程框图如下。 放大整形模块 LED 显示电路 分频电 路 输入 放大整形模块 输入 电源模块为其他 模块供电 单片机 2.1.2 方案二方案二 采用基于 FPGA 的 SOPC（可编辑片上系统）技术，实现波形数据的分析与显 示。在前置放大整形模块对信号进行放大整形之后输入到 FPGA 主控板之中，由 FPGA 主控板实现数据处理和数据输出的功能。稳压电源模块为两个放大整形模块 和 FPGA 主控板供电。基于 SOPC 的特点，这种方法除了放大整形模块外，可以把 其余部全部集合在一片 FPGA 主控板上，使整体的体积大大减少的同时还提高了 稳定性，测频精度高，测频范围大，调试方便。流程框图如下。 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 5 前置放大和整形 模块 FPGA 主控模块 稳压电 源模块 前置放大和整形 模块 输入输入 2.2 方案选择方案选择 经过综合考虑，方案二相对于方案一来说，程序编写灵活度高，整体结构简洁， 相对容易达到设计要求，且精度高，调试方便，所以我们选择了方案二。 第三章第三章 理论分析与计算理论分析与计算 3.1 总体分析总体分析 数字频率计由以下几个模块构成： （1）输入模块：对输入信号的波形进行整形放大，以适合于计数器的工作。 （2）计数器：累计输入脉冲的个数，并将结果用十进制数字显示。 （3）时间基准：对晶体振荡器产生的标准频率经过分频和倍频，产生闸门时间 和标准信号。 （4）锁存器：锁存信号以便做后续操作。 （5）处理与分析模块：对整形之后的数据进行控制和分析。 （6）显示模块：输出显示被测信号的数据。 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 6 3.2 各项被测参数各项被测参数 3.2.1 等精度测量的原理：等精度测量的原理： 等精度测量的一个最大的特点是测量的实际门控时间不是一个固定值，而是 一个与被测信号有关的值，且是被测信号的整数倍，即与被测信号同步。因此， 避免了对被测信号计数所产生1 个字误差，并且达到了在整个测试频段的等精 度测量。在计数允许的时间内，同时对标准信号和被测信号进行技术，再通过数 学公式推导出被测信号的频率。 3.2.2 等精度测量的实现等精度测量的实现 我们以被测信号的上升沿作为开启闸门和关闭闸门的驱动信号，只有在被测 信号的上升沿才将预置闸门的状态锁存，因此在实际闸门 Tx 内被测信号的个数 就能保证整数个周期，这样就避免被测信号的1 的误差，但会产生高频的标准 频率信号的1 周期误差，由于标准频率 f0 的频率远高于被测信号，因此它产生 的1 周期误差对测量精度的影响有限，可以大大提高测量精度。预置闸门信号 是由 FPGA 的定时模块产生,这里选择预置闸门信号的时间长度为 1s。测量时， 由 FPGA 的定时模块产生预置闸门信号，启动 FPGA 内的 2 个计数器，分别对被 测信号和基准信号计数。首先给出闸门开启信号(预置闸门上升沿) ,此时计数器并 不会马上开始计数, 而是等到被测信号的上升沿到来时, 计数器才真正开始计数。 然后预置闸门关闭信号(下降沿) 到来时,计数器并不立即停止计数,而是等到被测信 号的上升沿到来时才结束计数,完成 1 次测量过程。 （1）频率的计算： 若在一次实际闸门时间 Tx 中,标准信号与被测信号的脉冲个数分别记为 N0 和 Nx,则 0/ )0/(fNNxfx 其中 f0 为标准信号的频率。 （2）周期的计算： 用 1/T 代替上式中的 f 即可得到周期计算公式（T0 是标准频率的周期）： 0)/0(TNxNTx （3）占空比的计算： 因为占空比即被测信号正脉冲的持续时间 T1 与脉冲总周期 TX 的比值，所 以可以设一个周期内的正脉冲的时间为 T1，则我们所求的占空比计算公式为： 。TxT /1 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 7 （4）时间间隔测量： 当第一个脉冲上升沿到来时开始计数，第二个上升沿到来时计数停止，时间差为 t，间隔时间为 t/T0 3.2.3 等精度数字频率计误差分析等精度数字频率计误差分析 若被测频率为 fx，设其真实值为 ft，在一次测量中，计数的起停是由被测频 率的上升沿决定的，因此在 T 时间内对被测信号的脉冲个数 Nx 的计数是无误差 的，而在此时间内对标准信号脉冲个数 N0 的计数与 Nx 的值最多相差一个脉冲， 即 N=1，则可得到：。又因为，所)0/(0/NNfNxftftfxftftft/ )(/ 以可得：。又因为 N=1，所以，而。0/NNftft0/1/Nftft0*0fTN 因此可得出结论就是标准频率越大，误差越小。 3.3 宽带通道放大器分析宽带通道放大器分析 题目要求所需的宽带为 1Hz100MHz，因此我们选用增益带宽积较大的三极 管对输入信号的电压进行放大，同时为了减少对上一级电路的影响，尽量增大输 入阻抗。 3.4 提高仪器灵敏度的措施提高仪器灵敏度的措施 （1）输入电路的输出采用高速 PNP 开关管-2N5771，其可以输出最小周期为 15ns 的脉冲。 （2）采用了 ALTERA 公司 CYCLONE 系列的 FPGA，并行执行程序，且具有 90ns 的读写速度，保证了数据的及时处理与反馈。 （3）FPGA 的程序采用速度优化，最大程度减少了运算时间。 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 8 第四章第四章 硬件电路与程序设计硬件电路与程序设计 4.1 硬件电路硬件电路 系统硬件结构图如下： 4.1.1 前置信号输入电路前置信号输入电路 高低频切换高低频切换 该电路的功能通过继电器来实现，100KHZ作为临界值，当输 入频率小于100KHZ时，继电器不工作，否则工作，可以提高高频率的精度值，如 图1。 带通限制与保护电路带通限制与保护电路 该电路可将频率带通限制在 1HZ-100MHZ 之间。同 时增加了幅度保护电路，当三极管基级电压大 0.7V 时，三极管导通接地，保护 电路，如图 2 。 放大整形电路 显示模块 稳压电源模块 图 1.高低频切换图 2.带通限制与保护电路 放大整形电路 FPGA 主控 电路 输入 输入 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 9 放大电路放大电路 将电压信号放大，通过滑动变阻器还可以选择最佳线性放大工 作点，获得最大的频率宽度，如图 3。 波形转换电路波形转换电路 通过 MC10H116FNG 将上级输入的压差逐步放大到约 0.8V 来 控制输出电路的三极管导通与截止，如图 4。 输出电路输出电路 通过 0.8V 的压降差控制两个三极管的通断输出高低电平，将 ECL 电平转换为 TTL 电平，供 FPGA 处理数据时识别。 4.1.2 主控主控 FPGA 主控 FPGA 主芯片采用 ALTERA 公司 CYCLONE 系列的 EP4CE6F17C8N。采用并 行 FLASH 芯片 AM29LV320B 容量 4M BYTE 90NS 读写速度；采用 128MBIT 高速 SDRAM,K4SK 大储存容量；采用大容量配置芯片 EPCS16；系统时钟为 50M。 4.1.3 显示模块显示模块 用 TTL 液晶显示，可以清晰显示所测数据。 4.1.4 电源模块电源模块 选用一般的稳压电路方案，采用 LM7805 将输入电压转化为相对稳定的 5V 的 电压。经过测试发现纹波较小，符合我们设计的要求。 图 3.放大电路 图 4.波形转换电路 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 10 4.2 程序设计程序设计 4.2.1 FPGA 处理数据程序框图处理数据程序框图 第第 5 章章 测试方案与结果测试方案与结果 5.1 测试方案与测试结果测试方案与测试结果 5.1.1 测试方案测试方案 测试仪器：信号发生器：安捷伦 33522、AFG3101 示波器:安捷伦 DSO-X-2022A 万用表：安捷伦 34401A 5.1.2 测试结果测试结果 频率测试数据：正弦波 输入频率通道 A 测试结果通道 B 测试结果输入频率通道 A 测试结果通道 B 测试结果 1HZ1.0471HZ1.0010HZ5HZ4.9479HZ4.9047HZ 100HZ99.9498HZ99.9758HZ555HZ555.1104HZ554.8095HZ 1KHZ1.0180KHZ1.0570KHZ10KHZ10.2127KHZ9.9873KHZ 78.8KHZ78.0673KHZ78.0246KHZ100KHZ99.8343KHZ99.9374KHZ 时基信号 发生器 门控电路 计数器 闸门 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 11 687KHZ686.9599KHZ687.0077KHZ1.524MHZ1.5796MHZ1.5443MHZ 5MHZ5.0228MHZ5.0273MHZ10MHZ10.1768MHZ10.0174MHZ 15MHZ15.0087MHZ14.9927MHZ25MHZ24.8617MHZ24.9127MHZ 39.9MHZ39.9034MHZ39.9104MHZ55MHZ55.1170MHZ55.0170MHZ 65MHZ65.0149MHZ65.0772MHZ88MHZ88.2489MHZ88.1309MHZ 95MHZ95.0246MHZ95.1587MHZ100MHZ99.0479MHZ98.7173MHZ 110MHZ107.0416MHZ108.1408MHZ 周期测试数据：正弦波 输入频率通道 A 测试结果通道 B 测试结果输入频率通道 A 测试结果通道 B 测试结果 1HZ998.88952MS997.87535MS5HZ199.76524MS199.87546 100HZ9.99990MS9.99986MS555HZ1.80175MS1.80174MS 1KHZ1.00003MS1.00008MS10KHZ10KHZ10KHZ 78.8KHZ78.7423KHZ78.627US100KHZ100.00US100.00US 687KHZ1.46US1.48US1.524MHZ0.60US0.65US 5MHZ0.24US0.21US10MHZ0.12US0.11US 15MHZ67.44NS6.496NS25MHZ41.841NS42.01NS 40MHZ25.122NS25.08US55MHZ18.11NS18.46NS 65MHZ15.34NS15.49NS88MHZ11.28NS11.39NS 95MHZ10.52NS10.53NS100MHZ10.11NS10.42NS 110MHZ9.10NS9.18NS 有效值测试数据： 输入电压通道 A 测试 结果 通道 B 测试 结果 输入电压通道 A 测试 结果 通道 B 测试 结果 45MV45.2548MV45.3564MV50MV50.2486MV50.3015MV 80MV80.2843MV80.2431MV100MV100.2108MV100.2273MV 200MV200.1977MV200.1999MV330MV330.1811MV330.1726MV 525MV525.1107MV525.1032MV760MV760.0687MV760.0931MV 800MV800.0414MV800.0615MV900MV899.8746MV900.1573MV 1V0.9843V0.9918V1.5V1.4780V1.4952V 2015 年全国大学生电子设计大赛设计报告年全国大学生电子设计大赛设计报告 12 峰-峰值测试数据： 输入电压通道 A 测试 结果 通道 B 测试 结果 输入电压通道 A 测试 结果 通道 B 测试 结果 45MV45MV45MV50MV50MV50MV 80MV80MV80MV100MV100MV100MV 200MV200MV200MV330MV330MV330MV 525MV525MV525MV760MV760MV760MV 800MV800MV800MV900MV900MV900MV 1V1V1V1.5V1.5V1.5V 时间间隔测试： 矩形波占空比测试结果： 输入频率通道 A 测试 结果 通道 B 测试 结果 输入频率通道 A 测试 结果 通道 B 测试 结果 1HZ0.9846HZ0.9987HZ5HZ5.0171HZ5.0504HZ 100HZ100.0017HZ100.0457HZ555HZ554.8724HZ555.0757HZ 1KHZ1.0427KHZ1.0897KHZ10KHZ10.0428KHZ0.9757KHZ 78.8KHZ78.8016KHZ78.7966KHZ100KHZ100.1776KHZ100.0541KHZ 687KHZ686.7524KHZ686.9752KHZ1.524MHZ1.5244MHZ1.5224MHZ 5MHZ5.0457MHZ5.0875MHZ10MHZ9.9724MHZ9.8541MHZ 占空比范围测试结果： 占空比通道 A 测试结果通道 B 测试结果输入频率通道 A 测试结 果 通道 B 测试结 果 10%10.02%10.01%1HZ0.9546HZ0.9146HZ 15%14.99%15.00%100HZ99.9417HZ99.9717HZ 36%36.00%36.03%1KHZ1.0767KHZ1