数字频率计分析

1、2015全国电子竞赛f题 数字频率计赛题的分析,2015.11. 01,题意分析 2频率和周期的测量 3时间间隔的测量 4占空比的测量 5信号通道设计要点 6测评分析,题意分析,主要考核点,小信号的宽带放大及整形（ 1hz100mhz ） 频率、周期、时间间隔、占空比的高精度测量方法 fpga的应用能力,(1) 频率和周期测量功能 a正弦波，频率范围为1hz100mhz；有效值电压范围为10mv1v； b预置闸门时间为 1 s 时，测量误差的绝对值不大于10-4。 (2) 时间间隔测量功能 a方波，频率范围为100hz1mhz；峰峰值电压范围为50mv1v； c被测时间间隔的范围为0.1s10

2、0ms； d测量误差的绝对值不大于10-2。 (3) 脉冲信号占空比的测量功能 a矩形波，频率范围为1hz5mhz；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测量误差的绝对值不大于10-2。 (4) 刷新时间不大于2s，测量结果稳定，并能自动显示单位。 (5) 其他（例如，进一步降低被测信号电压的幅度等）,题目主要要求,考核的主要技术指标:,测量误差（约占 60% 以上的分值） 频率和周期测量误差不大于10-4（难点：1hz，100mhz）； 时间间隔测量误差不大于10-2 （难点：频率为100hz，测量0.1s） 占空比测量误差不大于10-2（难点：频率为

3、1mhz，测量10%） 灵敏度（约占 30% 以上的分值） 频率和周期测量时，被测信号有效值电压范围为10mv1v； 进一步降低被测信号电压的幅度 测评时，实际测试点选择为： 1v； 50mv； 10mv；1mv（其他）。,考核点分值的分布:,频率和周期的测量 （64分）； 时间间隔的测量 （16分） 占空比的测量 （16分） 一般要求 （4分）,被测信号在1hz10mhz范围内，每一个频率点上的测量误差均10-4。 10-4的涵义：若 fx=1.123456hz，由于hz的10-4 为0.0001hz，则应该显示 1.12340.0001 hz。即允许的显示数为1.12331.1235 三者

4、之一。 为了体现10-4的精度，频率计的显示范围应该为：1.0000（hz） 99.999（mhz）。即频率计应该采用 5 位数字显示，且最高显示位不能为“0”，且单位能自动设置，小数点能自动定位。 如果显示位数采用 4 位及以下，则仪器不能体现10-4的精度；如果显示位数采用 6 位及以上，则数据最后有 23 位含有误差，无意义。,频率测量范围：1hz100mhz 预置闸门时间为1s时，测量误差10-4,测量误差指标的涵义：,2频率和周期的测量,图1 频率、周期、占空比测量 图2 两信号时间间隔测量,由于dds信号发生器是以晶体振荡器为基础的，因而提供的信号频率的误差 10-5，能满足本题要

5、求（误差 10-4）。 赛区测试时，为保证标准信号源提供的信号足够精准，要求信号源最高输出频率100mhz，采样率500msa/s。例如，可采用普源dg4162型。 全国测试采用泰克afg3252型，其最高输出频率240mhz，采样率1gsa/s,频率和周期测量误差的检定方案,频率计测量误差的检定方法有标准信号源法和比较法两种，全国专家组推荐采用标准信号源法。即以标准信号源给出的信号频率为标准，确定被检定频率计的频率测量误差。,评分标准：每项测量误差 10-4 时给4分， 510-4 时给3分， 10-3 时给2分， 10-2 时给1分。若信号有效值电压在50mv时不能测试，可提高至100 m

6、v测试，但成绩按原满分的50%计算，并在备注栏做出说明。,频率和周期测量误差的测试表（基本部分）,1.1004 hz 3 908.80 s 3,1.1 hz 909 ms,0,2,有效数字的概念： 所谓有效数字是指从左边第一个非零的数字开始，直到最右边一个数字（可为零）为止的所有数字。 当测量误差已知时，表示测量结果的有效数字的位数应该与该测量误差相一致。,2频率和周期的测量,基本要求（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。,2频率和周期的测量,测量数据刷新时间可以判定闸门时间是否为1s左右，可以通过改变被测信号的频率来判定，大于2s时扣2分，大于3s时还要在各参数

7、测量误差的分数中酌情扣分，并在备注栏做出说明； 测量结果稳定的判定方法是，有效数的末位跳动范围超过2个字以上（不含2个字）扣1分；跳动范围超过5个字，判定该位无效； 要求显示单位。不能自动显示参数单位时扣1分。,频率计的总测量误差由三种类型的误差组合而成。 标准频率误差： 触发误差：= 0.3210-r/20，其中为信噪比。 计数误差： ，其中1。,数字频率计测量误差的组成,2频率和周期的测量,若某种类型的误差小于仪器总误差一个数量级及以上，则该项误差对仪器总误差的影响可以近似忽略。,本题最主要的考核指标是：测量误差,本题设计目标：使三项误差之和小于10-4，最好使每项测量误差10-5。, 标

8、准频率误差的分析,标准频率误差是指频率、周期测量中，由于闸门时间不准，或时标不准而引人的误差。 闸门时间或时标是由晶体振荡器多次倍频或分频得到，所以，标准频率误差是由仪器中晶体振荡器输出频率的误差引起的，经推导，其值就等于晶体振荡器输出频率的准确度 。 目前，晶体振荡器（尤其带温补的晶体振荡器）的准确度一般达到10-5及以上。,本题要求仪器的总测量误差不大于10-4，因此，当设计中采用了晶体振荡器时，标准频率误差的影响可以忽略。,2频率和周期的测量, 触发误差的分析,在周期测量时，当被测信号含有噪声时，将会在闸门的开启与关闭的时刻，产生超前触发或滞后触发，甚至误触发，从而产生误差。 经推导，触

9、发误差= 0.3210-r/20，其中为信噪比。 例如，若被测信号的信噪比为20db（100倍），若不采取措施，触发误差约为310-3。对频率计来说，310-3是一个较大的误差。,提高信号的信噪比。当要求仪器具有较高的灵敏度时，需要认真设计低噪声的前置放大器。 由于触发误差发生在闸门的开启与关闭的时刻，所以，采用“多周期平均测量方法”是减少触发误差非常有效的方法。 例如，在闸门时间为1s时，采用多周期平均方法测量频率为1mhz的信号的周期，可以使触发误差误差减少10-6倍。 在整形电路中采用具有滞后特性的施密特电路来减少噪声影响。,减小触发误差的措施,采用具有滞后特性施密特电路减少噪声影响的示

10、意图:, 触发误差的分析,电赛测试的被测信号来自信号源，信号质量比较高，若在设计中采用多周期平均方法，触发误差远大于10-4，该项一般可以不予考虑。 但当信号较弱，尤其频率较低时，需要认真考虑触发误差的影响。, 触发误差的分析, 计数误差（ ）的分析,由于闸门时间与被测信号之间没有同步关系，因而存在n =1字范围内的计数误差。 计数误差是不可避免的； 计数误差的大小是随机的，其值可能为 +1、0 或 -1。,n =1 总是存在的。 为了减小计数误差（相对值） ，应该使计数值 n 尽量大。,减小计数误差（ ）的思路,减小计数误差是本次设计中需要重点考虑的问题！, 计数误差的分析,频率测量时，计数

11、误差与被测信号频率成反比。 例如，若闸门时间t=1s，当被测信号频率为100khz，计数值为100000，计数误差为10-5；但当被测信号频率分别为10hz时，其计数误差为10-1。,频率测量实现原理（传统方法）, 计数误差的分析,周期测量时，计数误差与被测信号周期成正比（与频率成反比）。 例如，若时标取t0=1s，则当被测信号周期为100ms（ f =10hz）时，计数值为100000，其计数误差为10-5；但当被测信号周期分别为10s（f =100khz ）时，其计数误差10-1。,周期测量实现原理（传统方法）,在频率测量时，当被测信号频率较高时，直接测其频率；当被测信号频率较低时，先测其

12、周期，然后再换算其频率值。 测量误差与被测频率的大小有关，且最低测量误差受中介频率的限制。,频率和周期测量设计方案（主要考虑计数误差的影响）：,方案一，基于传统频率与周期的测量方法,方案二，多周期同步测量方法（倒数计数器法）,被测信号脉冲先同步再计数； 设两个计数器，分别测量被测脉冲个数及闸门时间的大小。,测量精度高，且与被测频率的大小无关，实现了“等频率”测量。,同步电路,同步原理,由于触发器的同步作用，计数器所记录的 na已不存在 1 字误差的影响。,但是，实际的闸门时间已不等于预置的闸门时间tp。因此，还需要同时测量实际的闸门时间的大小。,触发器的功能：对应 ck 端上升沿，端的信号传送

13、到端。,tp,t,为了测量实际的闸门时间t，设置了计数器，并用标准时钟 f0 进行计数来确定实际闸门时间t的大小。 计数器的累计数 nafxt；t= na / fx 计数器的累计数 nbf0t；t= nb / f0 联立上两式，得,计数器记录的n值仍存在1字误差的影响，但由于时钟频率很高，1字误差的影响很小。 取时钟频率f0= 100mhz，则由1字引起的相对误差为10-8。该误差与被测信号的频率无关，且在全频段的测量精度是均衡的。,100mhz,时标电路,2频率和周期的测量,频率计的三类测量误差 标准频率误差： 触发误差：= 0.3210-r/20，其中为信噪比。 计数误差： ，其中1。,参

14、赛作品概况 获全国奖的作品均采用了晶体振荡器（或带温补的晶体振荡器），其准确度一般可以达到10-5及以上，其标准频率误差可忽略。 获全国奖的作品大部分都采用了多周期同步测量方法，因而大幅度较低了触发误差和计数误差的影响。 除通道电路和控制电路，测量电路几乎都在 fpga 的芯片中完成。,时间间隔的测量（相位测量）,a方波，频率范围为100hz1mhz；峰峰值电压范围为50mv1v； c被测时间间隔的范围为0.1s100ms； d测量误差的绝对值不大于10-2。,单周期测量方案（传统方法）,当晶振频率不变情况下，被测时间间隔越小，计数误差就越大 精度最差的测试点： 被测时间间隔为0.1s（100

15、ns），晶振频率（fs）为 100mhz（t0=10ns）时，由1字误差引起的误差为10-1，不能能达到10-2。,注：要求a、b通道电路性能一致!,100mhz,时间间隔的测量（相位测量）,提高 ta-b 测量精度的方法（思路）, 当采用单周期测量的传统方法时，应尽量提高晶振的频率 设计测时间间隔为0.1s（100ns）， 当晶振频率为10mhz（t0=100ns）时，由1字误差引起的误差为100%， 当晶振频率为100mhz（t0=10ns）时，由1字误差引起的误差降为10-1 采用多周期平均的测量方法（广泛采用） 采用模拟内插法（可在原有基础上进一步提高10-3量级），难度较大。 实际应

16、用中，一般将以上 2种以上的方法组合使用。,本题只需综合采用方法和方法，即可达到10-2的测量要求。,理论证明，在进行ta-b 测量时，若在闸门时间内有 n个测量结果，测量误差将降低 倍。,多周期平均测量方案（目前被广泛采用）,例，晶振频率 fs=100mhz（t0=10ns），闸门时间为1s，被测频率fa、fb为1mhz，被测时间间隔ta-b为0.1s（100ns）。 由于被测频率fa、fb为1mhz， 则n=106， = 10 3 则由1字误差引起的测量误差将降低103倍，使总的误差为10-4。,时间间隔的测量（相位测量）,a方波，频率范围为100hz1mhz；峰峰值电压范围为50mv1v

17、； c被测时间间隔的范围为0.1s100ms； d测量误差的绝对值不大于10-2。,多周期平均法的电路原理(在频率测量电路的基础上改进),同步电路 2 输出脉冲的脉宽即为ta-b，其个数 na代表 fa 或 fb 的频率。 nb为 fo 在na个 ta-b中的计数。,一体化设计：频率周期测量和时间间隔测量的切换,max：二选一选择器,模拟内插法简介,内插法不仅累计ts内的脉冲个数，还能把t1和t2扩宽n倍，然后再在扩展后的时间内用同一时钟计数。 已知，时钟频率为10mhz（100ns），内插扩展倍数n1000。 设n0 为在ts内的计数值，n1为在1000 t1内的计数值，n2为在1000 t

18、2内的计数值，则被测时间间隔可以表示为： tx= ts+ tst1t2,txtst1t2 一般频率计仅累计ts部分的脉冲个数，而忽略t1、t2两个部分, 于是存在1字误差。,ns,模拟内插装置示意图,模拟内插频率计示意图,4占空比的测量（本质：时间间隔测量）,a矩形波，频率范围为1hz5mhz；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测量误差的绝对值不大于10-2。,精度最差的测试点：晶振频率 fs=100mhz（t0=10ns），闸门时间1s，被测频率为5mhz（t=200ns），被测占空比为10%（对应脉宽为20ns）。,单周期测量时，计数值为2，计数

19、误差为510-1（50%） 多周期测量时，由于被测频率为5mhz（n=510-6）， 则由1字误差引起的测量误差将降低 = 2.210 3倍，使总的误差约为10-3，达到了题目10-2的要求。,单周期测量方案 多周期测量方案,占空比的测量电路（多周期同步方式）,tw,在多周期 ta-b 测量电路的基础上，调整通道电路，编制对应测试软件即可。,5信号通道设计要点,总体设计方案一（建议）,总体设计方案二,5信号通道设计要点, 宽带放大器 宽带：要求频率范围足够寬，但对带内波动要求不高 放大倍数：注意低噪放大，但放大倍数不宜过大（因噪声会随之放大）,频率计最小输入电压幅度 后级比较器触发所需最小输入

20、电压幅度, ,例如，设比较器所需最小输入电压幅度为15mv 若要求频率计最小输入电压幅度为1mv，则放大倍数应该15倍； 若要求频率计最小输入电压幅度为10mv，则放大倍数仅需 1.5倍,放大倍数约为15倍，按比较器的比较电平10mv计算； 输入阻抗为50，增强了高频性能； 采用超低噪声宽带电压反馈型运算放大器opa847，增益带宽积为3ghz，组成的放大器的带宽接近200mhz,学生作品： 南京大学刘晓真队设计,特点：简单,5信号通道设计要点, 整形电路 比较器（或施密特触发器）电路 采用高速比较器，以能处理频率高达100mhz的高频信号： 例如，tlv3501、max961，其响应时间仅为

21、4.5ns 采用具有滞回特性的比较器电路，以增强抗噪能力： 例如，tlv3501自身已经具备6mv的内部滞回电压，在需要更大抗干扰性能时，可通过正反馈的滞回电路，进一步增大滞回电压。,总滞后电压 = 31mv,设计要点：信号幅度峰峰值滞回电压宽度噪声幅度峰峰值。,一个普遍存在的问题： 大部分作品在被测信号的低频段（例，1hz）时测量误差大幅度增加。 原因：采用了高速比较器。 高速比较器具有高增益和宽频带的特点，这意味着信号在接近比较值附近的时候，微小的噪声和抖动可能被放大并引起正反馈，从而出现“振荡” 现象。,相应措施： 优化电路板布局，杂散电容和大的源阻抗是导致振荡的重要因素。布线是要特别注意地线设计和退耦电容的位置与容量。 适当增大滞回比较器的阈值电压，进一步