全国大学生电子设计大赛F题一等奖 数字频率计

1.1.4. 参数测量方案

频率等参数的测量采用闸门时间为 1s 的等精度测量法。闸门时间与待测信 号同步，相比于传统方案，避免了对被测信号计数所产生±1 个字的误差，有效 提高了系统精度。测量频率时，在闸门时间内同时对待测信号和标准信号（时钟 信号）计数，标准信号计数值除以待测信号计数值乘上时钟周期即为待测周期； 测量两个信号的时间间隔时，通过异或门将时间间隔转化为周期脉冲信号，通过 对脉冲信号等精度测量得到间隔时间。测量频率时计算闸门时间内的上升沿脉冲 除以闸门时间；测量两个信号的相位差时，则计算第一个信号 1.2. 方案描述

系统总体框图如图 1 所示，待测信号首先进入自动增益电路，其输出电压增 益到一个大于后级滞回比较器窗口电压的固定值，经过比较器电路后，输出给 FPGA 进行相关参数的测量，并最终显示在屏幕上。在 FPGA 内部，数字电路系 统与片内单片机通信，基于闸门时间为 1s 的等精度测量算法，测算相关参数。

输入信号 AGC电路 宽带放大 放大信号

比较器电路 信号整形

FPGA NIOS II TFT显示 蓝牙模块 结果输出

参数测量

图 1 系统总体框图

2. 电路设计

2.1. 宽带通道放大器分析

本设计的宽带通道放大器如图 2 所示，是一个自动增益控制模块。 压控放大器 VCA810 依靠反馈得到的控制电压控制放大倍数；高速比较器 AD8561 比较的是 VCA810 输出信号和预设电压，使用二极管和 RC 对比较器的 输出信号进行检波；TL082 将检波得到的电压转换至 VCA810 的控制电压范围 内，使得 VCA810 能够正常工作；OPA690 起着二级放大与级联缓冲的作用。具 体电路连接如图 3 所示。

输入信号 VCA810 压控放大器 控制电压 调整电路 检波电路 图 2 图 3

OPA690 高速放大器 AD8561 高速比较器 输出信号 反馈部分 自动增益模块流程图 自动增益模块原理图

2.2. 正弦波整形电路

正弦波形醒后经过 AGC 电路后，进入如图 4 所示的滞回比较器，整成方波。 该电路的窗口电压为 96mV

图 4 滞回比较器

3. 软件设计

开始 功能选择 测量时间间隔测量频率 测量占空比FPGA通信输出结果图 5 软件流程图

4. 测试方案与测试结果

4.1. 测试仪器

序号 表 1 测试仪器

名称、型号、规格 数量 1 2 3 4 RIGOL DG4102 100M 信号发生器 RIGOL DS2202A 200M 数字示波器 RIGOL DP832 可编程直流电源 FLUKE 18B 万用电表 1 1 1 1 4.2. 测试方案及数据

4.2.1. 频率测试

（1）测试方法：选取 1Hz、100Hz、1KHz、1MHz、10MHz5 个频率点，测 量分别测量输入信号在 3mVrms、10mVrms、50mVrms、100mVrms、1Vrms 的结 果，并计算误差

（2）测量结果

表 2 频率测量数据表

幅度 10mVrms 误差 频率 测量值/Hz 1 50mVrms 100mVrms 测量值 误差 测量值/Hz 误差 /Hz 1Vrms 测量值/Hz 误差 0.999169 8.31E-04 0.999988 1.19E- 0.999885 1.15E-04 0.999992 8.00E- 05 06 100 1.75E- 100.0003 2.65E-06 100.00036 3.60E- 05 06 100 99.998248 1.75E-05 1k 1000 0.00E+00 1000.003 3.00E- 1000.003 3.00E-06 1000.047 4.70E- 06 05 100k 1000003 3.00E-06 1000003 3.00E- 1000003 3.00E-06 1000003 3.00E- 06 04 10M 10000035 3.50E-06 10000037 3.70E- 10000039 3.90E-06 10000039 3.90E- 06 04 100M 100000368 3.68E-06 10000037 3.68E- 100000000 0.00E+00 100000390 3.90E- 06 04 4.2.2. 时间间隔测量

（1）测试方法：选取 0.1us、1ms、100ms 个频率点，测量分别测量输入信

号在 100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz 四种时间间隔以及 20mV、50mV、以 及 1V 时的结果，并计算误差