1、2015年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽設(shè)計報告書【本科組】數(shù)字頻率計（f題）2015 年 08月 15 0本系統(tǒng)由模擬信號調(diào)理部分和信號測量部分組成。模擬信號調(diào)理部分由放大 器和比較器構(gòu)成，放大器以超寬帶低噪聲放大器ada4817-1為核心器件，將1hz 100mhz小信號進行放大，然后經(jīng)過超高速比較器ad8561及寬帶壓控增益放大器 ad8367將輸入信號進行整形以供處理器測量；信號測量部分以fpga與arm處理器 相結(jié)合的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的測量功能，其中fpga對調(diào)理后的模擬信號進行頻率、周 期、時間間隔以及信號占空比的測量，arm處理器完成信號電參量的顯示以及人 機接口部分。經(jīng)過最終的級聯(lián)和調(diào)試，

2、本系統(tǒng)己完成題目的基本要求且達到發(fā)揮 部分的所有指標(biāo)，部分指標(biāo)如最低幅度和相對誤差的絕對值等已超岀題目要求。關(guān)鍵詞：寬帶；低噪；信號調(diào)理；高速比較abstractthis system is composed of analog signal conditioning part and signal measurement part. analog signal conditioning part is composed of amplifier and a comparator, amplifier with ultra wideband low noise amplifier ada481

3、7-1 as the core device, will be 1 hz 100 mhz small signal amplifier, and then after ultra-high speed comparator ad8561 and broadband voltage-controlled gain amplifier ad8367 shaping for the processor in the input signal measurement; signal measurement part to realize the combination of fpga and arm

4、processor system, the functions of measurement with the fpga to regulate the analog signals of frequency, cycle, after the interval and the duty ratio of the measured signal, arm processor to complete the signal electric parameter display and manmachine interface. after the final grade and debugging

5、, this system has been completed the basic requirement of the subject and achieve all the indicators play part, some indexes such as minimum amplitude and the absolute value of relative error is beyond the topic request.keywords: broadband; low noise; signal disposal; high speed to compare一、方案設(shè)計與論證1

6、. 放大器的方案論證方案一：采用ad8009運算放犬器芯片o ad8009是一款高速電流反饋型放人器, 壓擺率達到5500 v/|is,上升時間僅為545ps,因而非常適合用作寬帶放大器。高 壓擺率可降低壓擺率限幅效應(yīng)，使大信號帶寬達到440mhz,但是信號質(zhì)量在整個 寬帶寬范圍內(nèi)會有較大失真，不滿足題目對于放大器穩(wěn)定性的要求。方案二：采用ada4817-1運算放大器芯片。ada4817-1是電壓反饋型運算放大 器，集新型fet輸入運放結(jié)構(gòu)與adt公司的超快速互補雙極性(xfcb)工藝于一體， 實現(xiàn)了高速度和低噪聲的卓越組合，其-3db帶寬為1050miiz o這些特性使ada4817- 1成

7、為高速儀器儀表和高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的絕佳選擇。低噪聲、皮安級輸入 電流、精密失調(diào)和高速特性使其特別適合用作系統(tǒng)前置放大器。綜合考慮穩(wěn)定性、增益和系統(tǒng)復(fù)雜度等因素，選擇方案二。2. 比較器的方案論證方案一：采用max913比較器。max913是一種高速，低功耗的比較器，同時它 的一個獨特設(shè)計就是在其線性區(qū)域是它的比較是可以防止振蕩。但是比較器的延 遲在實際中會有所增大，使得其不適合寬頻帶信號的精確測量。方案二：采用ad8561比較器芯片。ad8561是一款單路7ns比較器，具有單獨 的輸入和輸出部分。ad8561具有7ns快速傳播延遲性能，上升信號與下降信號的 傳播延遲在整個溫度范圉內(nèi)緊密匹配

8、，輸出的占空比與輸入的占空比匹配，這種 匹配延遲特性特別適合于本題占空比的測量，而且相比于max931, ad8561具有更 短的延遲時間，滿足題目中1hz10mhz信號對比較器的要求。方案三：采用ad8367可控增益放大器芯片搭建比較器電路。ad8367是一款高 性能可變增益放大器，設(shè)計用于在最高500 mfh的中頻頻率下工作。從外部施加0 至1 v的模擬增益控制電壓，可調(diào)整45db增益控制范圍，以提供20 mv/db輸出。 實際測量中，ad8561無法整形30mhz以上信號，故利用ad8367放大器的寬頻帶特 性，將其增益設(shè)為最大，并且單電源+5v供電，利用放大后信號的切頂失真，實 現(xiàn)對1

9、 omhz1 oomhz信號的整形。綜合比較，基于題目要求，采用方案二與方案三結(jié)合的方式測量，當(dāng)檢測 lomiiz以下信號時，選擇方案二；當(dāng)檢測lomilzloomiiz的高頻信號時，選擇方案二、理論分析與計算1. 寬帶通道放大器的分析計算為滿足題目要求，設(shè)計核心應(yīng)圍繞增益帶寬積，增益分配，通頻帶計算，噪 聲計算等幾個重點。在芯片的選型上，本方案全部選擇寬帶低噪聲放大器。為實 現(xiàn)1hz1 oomhz小信號的放大，系統(tǒng)選用1ghz單位增益帶寬，低噪聲運放ada4817 搭建前置低噪聲固定增益放大電路，為實現(xiàn)題目100mhz有效電壓為10mv的正弦波 小信號的放大，采用兩級放大器級聯(lián)的方式，每級在

10、保證帶寬足夠的情況下，應(yīng) 合理分配增益，并進行阻抗匹配。2. 各項被測參數(shù)測量方法的分析本系統(tǒng)采取直接測頻法進行頻率的測量。直接測頻法即在閘門時間t內(nèi)，通 過主門的信號脈沖個數(shù)為n,被測信號的頻率f二n/t;測頻方法的測量誤差包含兩 個方面：一是計數(shù)器的計數(shù)n是否準(zhǔn)確即量化誤差：n±1丄 1=土nn一 tf x二是閘門時間t是否準(zhǔn)確即標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差:fx _n t : a n t(1)直接測頻法測頻原理圖如圖1所示。放總整形二;主門電子計數(shù)器門控邏輯控制單元晶扳-> 分頻圖1直接測頻法測頻原理圖(1) 對于基本要求中頻率的測量，使用直接頻率測量法進行測量。(2) 對于時間間隔的測

11、量，是將兩路輸入信號進行異或運算，將異或后的 信號作為閘門時間，在閘門時間里填充高速脈沖，測得信號的高電平吋間，即為 兩路同頻信號的時間間隔。(3) 對于發(fā)揮部分占空比的測量，將輸入信號接入d觸發(fā)器，在d觸發(fā)器時 鐘的上升沿和下降沿時待測信號進入fpga,將待測信號作為閘門時間，在閘門時 間里填充高速脈沖，計數(shù)得到閘門時間內(nèi)高速脈沖個數(shù)和以得到高電平時間，同 時可測得輸入信號的頻率，即輸入信號的周期，將兩者作除法即得占空比。3. 提高儀器靈敏度的措施(1) 提高放大器的穩(wěn)定性：采取布線時考慮信號流向，防止級間干擾；加 入屏蔽保護，使用同軸電纜等措施進一步降低噪聲影響。(2) 噪聲抑制與抗干擾措

12、施：采用pcb卬刷板，系統(tǒng)合理布局，降低干擾； 前級電路實施屏蔽措施，采用b7c頭等避免級間干擾和高頻自激。(3) 在fpga屮可以實現(xiàn)精確的倍頻移相，時鐘相移誤差tp和計數(shù)時鐘晃動 tc對測量謀差的影響較小，脈沖寬度的課差主要取決于系統(tǒng)原理課差以及信號延 遲誤差：其中系統(tǒng)原理誤差和等效時鐘頻率有關(guān)，等效時鐘頻率越高，系統(tǒng)原理誤 差越小。(4) 對測量誤差影響較大的另外一個因素是信號延遲誤差，由誤差分析可知 信號延遲誤差對系統(tǒng)精度的影響占了很大的比例，可以通過調(diào)整fpga內(nèi)部各元件 的放置位置以及連線來盡量減小延遲謀差，或者通過添加一些門電路增加延時以 使各信號延遲時間盡可能相同。減小各計數(shù)時

13、鐘和待測信號到計數(shù)器的信號延遲 差異可以有效地提高測量精度。三、硬件電路設(shè)計1. 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的碩件電路主要由放大器，比較器以及fpga和arm控制器組成，如圖2 所示。其中放大器實現(xiàn)對小信號的放大功能，比較器實現(xiàn)對放大后的信號進行整形。fpga對整形后的高頻信號進行測量，arm控制器完成低頻信號的測量以及電 參量的顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。圖2系統(tǒng)整體框圖2. 低噪聲前置固定增益放大電路的設(shè)計前級固定增益放大電路是系統(tǒng)信號鏈的重點和設(shè)計難點，主要要求前置放大器具有低噪聲、高寬帶、低失真等優(yōu)良特性，這樣對于芯片的選型就由為重要;在此我們選擇fet輸入的單位增益穩(wěn)定、超高速電壓反饋型放大器a

14、da4817放大 器，其具有低噪聲（4 nv/廂）、低失調(diào)電壓（最大值2 mv）以及1050 mhz -3 db 帶寬的特性，電路設(shè)計信號同相輸入，50 q實現(xiàn)阻抗匹配。前置放大電路放大倍 數(shù)及反饋電阻均依據(jù)數(shù)據(jù)手冊設(shè)計：r尸200q,入二1+r/r尸1+200/337倍，具體 屯路如圖3所示。3 低頻段比較器設(shè)計ad8561是一款單路7ns比較器，具有單獨的輸入和輸出部分。ad8561具有7ns 快速傳播延遲性能，上升信號與下降信號的傳播延遲在整個溫度范圍內(nèi)緊密兀 配，故利用其搭建遲滯比較器電路，具體電路如圖4所示。vcc£louf1+vs /out in+ out in- lat

15、 vs gnd8ref273645c20.1 ufulad8561圖4 ad8561低頻段比較器電路4. 高頻段比較器電路的設(shè)計ad8367是一款高性能可變增益放大器，設(shè)計用于在最高500 mfh的中頻頻率下工作。從外部施加0至iv的模擬增益控制電壓，可調(diào)整45db增益控制范圉，以提供20 mv/db輸出。實際測量中，ad8561無法整形30mhz以上信號，故利用ad8367放大器的寬頻帶特性，將其增益設(shè)為最大，并且單電源+5v供電，利用放大后信號的切頂失真，實現(xiàn)對10mhz100mhz信號的整形，具體電路如圖5所示。p8clo.oluf0.01 uf32c10 0.0 luficomicom

16、enblupflinptvpsimodevpsogainvoutdetodeclicomocomulad8367vcc 工23567141312111098r3iko.olufc5 o.olufc8o.olufoutputo.oluf圖5 ad8367高頻段比較器電路1. 系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)控制部分主要由arm處理器和fpga兩部分組成，如圖2所示。其中arm處 理器作為主機，fpga作為從機。主機作為系統(tǒng)控制核心控制整個系統(tǒng)，完成低頻 信號頻率的測量、與fpga通信以及人機接口部分；從機作為二級控制中心，完成 頻率、吋間間隔和占空比的測量。流程圖中arm處理器用mcu表示，系統(tǒng)軟件流程 如圖6所

17、示。圖6 fpga和arm軟件流程圖五、測試方案與測試結(jié)果分析1.測試儀器清單測試所用儀器清單如表1所示。表1測試所用儀器清單表序號儀器名稱型號指標(biāo)生產(chǎn)廠家數(shù)量1數(shù)字示波器gds-2202a200mhzgwinstek12函數(shù)信號發(fā)生器（雙通道）sdg5162160 mhzsiglent13數(shù)字萬用表gdm-8261a六位半gwinstek14ac-dc直流電源gps-33o3a 32v-+32vgwinstek12. 測試方案及結(jié)果（1）頻率測量1）頻率范圍測試測試方案：用雙通道信號發(fā)生器sdg5162產(chǎn)生峰峰值固定為500mv,不同頻率 的正弦信號作為輸入信號進行測試。測試條件：信號源輸出

18、頻率不同的正弦波, 記錄輸入頻率和測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表2所示。表2頻率范圉測試表預(yù)置頻率（khz）0.00201.0000100.00001000.000010000.0000100000.0000測試所得頻率（khz）0.0020011.0010100.00091000.001210000.0026100000.0027相對誤差絕對值（）0.050000000.00090.0001<0.0001<0.00012）信號幅度范圍測試測試方案：用雙通道信號發(fā)生器sdg5162產(chǎn)生頻率為10kh7幅度不同的正弦信 號，進行信號峰峰值的測試。測試條件：信號源輸出不同幅度的正弦波，記錄輸

19、入幅度和測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表3所示。表3信號峰峰值測試表預(yù)置峰峰值（mv）501005001000測試頻率（khz）10.000010.000010.000010.0000相對誤差絕對值（）0000（2）時間間隔測試1）頻率范圍測試由于此次測試儀器是雙通道信號發(fā)生器sdg5162,該儀器只能設(shè)置不同相位p 的同頻（周期為t）信號，而題目要求測試的是時間間隔。而時間間隔與相位直 接的關(guān)系式為：時間間隔t=（p/360°）xto根據(jù)該式就可以建立時間間隔與相位 直接的關(guān)系。只要按照這樣的關(guān)系就能實現(xiàn)時間間隔的測試。測試方案：用雙通道信號發(fā)生器sdg5162產(chǎn)生兩路吋間間隔為100 u

20、s的信號, 改變兩路信號的頻率，測試兩路信號z間的時間間隔。測試條件：信號源輸出兩路帶有一定相位差的方波，記錄兩路信號的時間間 隔。所得測試結(jié)果如表4所示。表4固定電壓同一時間間隔下頻率范圍測試預(yù)置頻率（khz）00.51251000測試所得間隔（卩s）999.532199.92499.93649.97819.9810.100相對誤差絕對值（）0.050.040.060.040.0902）電壓峰峰值范圍測試測試方案：用雙通道信號發(fā)生器sdg5162產(chǎn)生兩路相位差為36° ,時間間隔 為0. 1ms的信號，固定頻率為lkhz的信號，改變兩路信號的頻率，測試兩路信號 之間的時間間隔。測試

21、條件：信號源輸出兩路帶有一定相位差的方波，記錄兩路信號的時間間 隔。所得測試結(jié)果如表5所示。表5固定頻率同一時間間隔下峰峰值范圍測試預(yù)置峰峰值（mv）501002004008001000測試所得1'可隔（ps）99.77099.77099.77099.77099.77099.770相對誤差絕對值（）0.230.230.230.230.230.23（3）脈沖信號占空比測試1）占空比測試測試方案：使用雙通道信號發(fā)牛器sdg5162產(chǎn)牛頻率為lkhz,幅度為500mv, 占空比不同的矩形波，對矩形波信號的占空比進行測試。測試條件：信號源輸出一路矩形脈沖，測量不同占空比的影響。由于雙通道 信號

22、發(fā)生器sdg5162,輸出信號的占空比范圍為20%80%,因此，本次測試占空 比下限為20%。測試結(jié)果如表7所示。表7固定峰峰值同一頻率下信號占空比測試表預(yù)置占空比（）20304050607080測試結(jié)果（）19.929.939.949.959.969.979.9相對誤差絕對值（）0.500.330.250.200.160.140.122）頻率范圍測試測試方案：使用雙通道信號發(fā)生器sdg5162產(chǎn)生固定電壓幅度為500mv,占空比為60%的矩形波，對矩形波信號的頻率進行測試。測試條件：信號源輸出一路矩形脈沖，測試占空比的不同。測試結(jié)果如表8 所示。表8固定峰峰值同一占空比下信號頻率范圍測試表預(yù)置頻率（khz）0.0010.01110010005000測試結(jié)果（）60.460.259.959.959.759.9相對誤差絕對值（）0.670.330.160.160.50063）電壓峰峰值范圍測試測試方案：使用雙通道信號發(fā)牛器sdg5162產(chǎn)牛固定頻率lkhz,占空比為40%的矩形波，對矩形波信號的頻率進行測試。測試條件：信號源輸出一路矩形