2015年全国大学生电子设计大赛F题技术报告

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12日II摘要本设计是基于FPGA的数字频率计，利用Verilog硬件描述语言设计实现了频率计内部功能模块，在软件平台Quartus上完成逻辑仿真。前端信号输入调理采用宽带放大器AD8099对微弱信号进行放大，经过高速比较器TLV3501整形后变成大小，波形都适合FPGA直接处理的信号。STM32单片机与FPGA之间依照时序的变化传送控制、状态，数据信息，CPU从FPGA读取计数值，根据按键选择模块的设定，确定要测量的信号参数类型，包括频率/周期、时间间隔、占空比等，再经过进一步运算处理，输出到OLED显示。测量频率的方法为等精度测量法，相比直接测频法和测周法其精度更高，测量范围更广，能够满足题目中1Hz到100MHz频率范围的要求，精度也高于0.01%，整个系统实时性好，灵活性高，功耗小，较好地达到了设计要求。关键字：FPGA频率计等精度测量VerilogIII目录目录......................................................................III1系统方案...................................................................41.1信号放大整形模块的论证与选择...................................................................................41.2频率/周期测量模块的论证与选择.................................................................................41.3单片机控制及显示模块的论证与选择...........................................................................52系统理论分析与计算.........................................................52.1前置放大整形电路的分析...............................................................................................52.2各被测参数测量方法的分析...........................................................................................62.2.1信号频率/周期测量的分析...............................................................................62.2.2同频率方波时间间隔测量的分析.......................................................................62.2.3矩形波占空比的分析...........................................................................................62.3提高仪器灵敏度措施的分析...........................................................................................73电路与程序设计.............................................................73.1电路的设计........................................................................................................................73.1.1系统总体框图........................................................................................................73.1.2信号整形子系统框图............................................................................................83.1.3信号参数测量子系统框图...................................................................................83.1.4单片机控制及显示子系统框图...........................................................................93.1.5电源........................................................................................................................93.2程序的设计........................................................................................................................93.2.1程序功能描述与设计思路....................................................................................93.2.2程序流程图............................................................................................................94测试方案与测试结果........................................................104.1测试方案..........................................................................................................................104.2测试条件与仪器.............................................................................................................114.3测试结果及分析.............................................................................................................114.3.1测试结果(数据)..................................................................................................114.3.2测试分析与结论..................................................................................................125总结心得..................................................................126参考文献..................................................................13附录1：电路原理图..........................................................13附录2：信号放大整形电路输出波形............................................14附录3：STM32部分源程序.....................................................154数字频率计（F题）【本科组】1系统方案本系统主要由如下三部分组成：信号整形、信号参数测量、单片机控制及显示。其中，信号参数测量又可细分为频率/周期测量，时间间隔测量，占空比测量等模块，下面分别论证这几个子系统的选择。1.1信号放大整形模块的论证与选择方案一：采用分立元件实现前置放大整形功能，用两只三极管对信号放大后送入反相器整形。设计电路详见附录图6.1.1，通过仿真发现当被测信号幅度较小，频率较高时所得到的波形品质较差，而频率超过50MHz时输出信号完全无法满足要求。另外，此方案需要大量采用分立元件，系统设计复杂，调试困难，尤其是增益的定量调节很难，而且，稳定性差，容易自激震荡也是该电路另外一个缺点。方案二：AD811同比例放大电路放大小信号，大信号直接输入比较器，由于AD811带宽积太小放大高频信号的时候衰减严重。方案三：AD8099同相比例放大电路，迟滞比较器，输入输出阻抗匹配；这种电路放大电路的输出信号杂波较多，放大器的输出信号波形较粗，适当调节迟滞比较器的门限电压可以有效抑制杂波对后级比较器的影响，这样输入信号为方波时信号的频率以及有效值的范围都比题目要求宽，输入为正弦波时也能满足题目要求。综合以上三种方案，选择方案三。1.2频率/周期测量模块的论证与选择方案一：时间门限测量法，包括直接频率测量和直接周期测量。测频法即在一定的时间门限T内，若测得输入信号的脉冲数为N，则待测信号的频率TNfx/，通过改变T即可改变所测频率范围，但此法在频率较低时误差较大；而测周法恰与测频相反，即被测信号用来控制闸门电路的开关，标准时基信号作为计数脉冲。若时基信号的周期为T0，则被测信号周期TTNx0，然后利用Tfxx/1即可求得被测信号频率，但此法在频率较高时误差较大。方案二：组合法，由方案一可知，仅仅采用时限测量法中的一种，即仅用测周法或测频法无法满足题目中从1Hz到100MHz的要求，且二者在中界频率附近测量精度较难保证。故可设置上下限频率fM和fm，当fmf时采用测周法，fMf时用测频法，处于二者中间时可通过适当分频转化为低于下限频率的继续用测周法测量。但此种5方案实施较麻烦，且测量精度不易提到很高。方案三：采用等精度测量方法，两组计数器在相同的时间门限内同时计数。当闸门信号有效且待测信号的上升沿到来时开始计数；当闸门门限的下降沿到来，只有在待测信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。克服了待测信号的脉冲周期不完整的问题，其误差只由标准频率信号产生，与待测量信号的频率无关，最大误差为正负一个标准频率周期，而标准信号采用的是10MHz，对应精度达到107方便实现题目要求的精度。综合以上三种方案，选择方案三。1.3单片机控制及显示模块的论证与选择方案一：单片机采用STC89C52，编程相对简单，价格便宜，用多位数码管或者液晶12864显示测量结果。方案二：采用STM32单片机，32位Cortex-M3CPU，其具有低功耗模式，处理速度较快，I/O口较多，可方便实现与FPGA及外设的通信。显示模块采用OLED，其厚度，重量都要优于LED,且视角范围大，发光效率高，能耗低，与此同时，其存在的缺点有色彩纯度不够，寿命较短，屏幕