2015全国大学生电子设计大赛F题一等奖--数字频率计

八戒爱电子

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
( S9 [: N' a) p$ V. c: h3 Y. D5 q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
' @' y' O  C1 f/ b! s5 q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
! G9 v. h) q' F6 q( l& w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
  N' d  e! t; U0 b' S+ Q, E* a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
2 F, N$ [+ m6 {2 S2 F+ s标上远超赛题发挥部分要求。

2 S: T, h- w, t8 W2 J+ s: w1.1.1. 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
: ?/ M% n+ G* d0 G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
! `+ i$ p! E, E0 u( J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。
, g; {/ z; d  J/ i% L方案二：基于 VCA810 的自动增益控制（AGC）。AGC 电路实时调整高带宽
5 T" c' `! J# N0 A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
( U! v5 \1 o& R基本保持恒定。
) v/ s/ |7 `$ P9 I' h- @+ z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
+ `' M* q7 F9 z$ b6 }0 D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
3 ~: N0 n: q! o; }1 W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。
8 X# M# }3 k8 q6 r2 w* J7 I# V& P1.1.2. 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、
. y2 o; e0 G. i6 _& p8 j+ l设计难度大等诸多缺点，因此不采用该方案。
. s* v; K0 ]- o+ l7 E4 g5 X9 o) P3 ^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
$ b6 L; ^! f" g4.5ns 的高速比较器运放TLV3501。
4 p, x# @8 f* O' t/ `) ]& V! u1.1.3. 主控电路
; m6 c& x5 C) x( @4 t7 ~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。
6 j8 [8 F: D1 I4 v, U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，
* v3 S6 h# u- r6 B, o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、
" Y1 d2 P- f6 L7 N& Q4 z, t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。

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