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
( J8 Q, @- ?' T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。
) O3 E# j- V" |8 G2 a0 JAGC 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
* u8 e* x: C9 R; a3 \1 f8 `: r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
8 C# G( Z$ K9 V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
* V8 t& @8 v9 u& n+ o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。
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  K7 l/ [/ J, s- S# ?  A5 G& |1.1.1. 宽带通道放大器
# w; H- Q5 ~" U8 H* R3 z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
5 x2 N4 C1 v2 b  }: J2 F$ {* f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
/ A4 S) O8 L# |6 A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
6 c9 M* t$ K( [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
. A' C- d5 \; c1 g5 Y- b0 x8 Z发挥部分在频率和幅度上的要求。
) y, t( N* d6 A( K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。
, u- [) B: L% |$ u1.1.2. 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。
  z5 i; N$ ^; C0 q  {6 O* S" v$ _$ l1.1.3. 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
6 }, Z! d* Z+ G3 z' a现实中与FPGA 连接，建立并口通信，完成命令与数据的传输。
) z$ ^# o& |7 [; v8 y% s1 r- i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
4 ^! Y! N6 @1 H片机和测量参数的数字电路系统连接，不连接外部接线。
; f! K# p* [; ?- u- N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、
; P; O& {0 D3 k) o+ L) I3 w5 H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
1 J+ ^, o$ \% }) y5 \4 x便、简单，因此主控电路的选择采用方案二。
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