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
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，
8 I. F& W- d8 w8 y4 X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
0 _4 ~, J/ T/ Y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
0 a8 X2 z5 }+ ?) D/ 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
& F  [2 q7 E5 c. ?) b系统精度。
, D! s. U' U( e) U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
  K7 k6 _' D( Y0 P# [: i0 y6 N标上远超赛题发挥部分要求。

1 g$ W1 m( J* W# d* d) U1.1.1. 宽带通道放大器
) g- x8 A) k( k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
; n% y  }! [, F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。
方案二：基于 VCA810 的自动增益控制（AGC）。AGC 电路实时调整高带宽
0 M  n( T5 B  b7 [8 b" s  M9 q; b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
基本保持恒定。
, I: K& k5 f2 c" u6 }2 D6 U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
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。
- V# V( L* K8 [: X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
- L& a( g5 Q; a8 k/ u( ^, G8 ]& V! B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。
. R. H8 b5 l' P7 N8 A1.1.2. 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
& j; k0 d$ m% l5 A: U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。
1.1.3. 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
现实中与FPGA 连接，建立并口通信，完成命令与数据的传输。
; p. s1 O! ^" a" g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，
  D6 _0 D, g( A3 H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、
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
  }5 E. y* n) s便、简单，因此主控电路的选择采用方案二。

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