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2016数字频率计(F题)
发布时间:2016-04-26 16:41 作者:admin 来源:竞赛组委会 阅读次数:
                                                       数字频率计(F题)
                                                       
                                 中国石油大学(华东)      朱文博  凌永辉    张林林    指导教师:李林

    

(由于电子文档不兼容,符号和线路图没有显示,详情请查看附件)
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本系统以STM32F103C8T6和FPGA-EP2C5为主控制器,采用AD8099芯片TLV3501产生稳定的方波,并输入FPGA, 使用MCU产生控制信号。本系统包括信号调理模块,FPGA模块,MCU模块,液晶显示模块。FPGA进行数据采集并送回MCU进行数据处理,实现精确测量频率,周期,占空比,时间差。设置功能模式选择,实现精确测量并显示。在满足题目基本要求的前提下,发挥部分也全部实现。实际测试表明,所采用的设计方案科学有效,可完全达到基本要求并充分完成发挥部分。
 
关键词:FPGA   MCU   信号调理    精确测量
 
Abstract
 
     The system uses STM32F103C8T6 and FPGA-EP2C5 as the main contro-
ller, using AD8099 chip TLV3501 to generate stable Fang Bo, and enter FPGA, using MCU to generate control signals. The system includes signal conditioning module, FPGA module, MCU module, LCD module. FPGA data acquisition and sent back to the MCU for data processing, accurate  measurement of frequency, cycle, duty cycle, time difference. Set the function mode selection, realize the acc-
urate measurement and display. In meeting the basic requirements of the premi-
se, the play is also fully realized. The practical test shows that the design method is scientific and effective, and can be fully achieved the basic requirements and the full completion of the play.
 

 
   
 
1系统方案.................................................................... 1
1.1宽带放大模块的论证与选择.................................................................................. 1
1.2整形模块的论证与选择......................................................................................... 1
1.3 数字电路芯片...................................................................................................... 2
1.4 MCU.................................................................................................................... 2
1.5 显示模块............................................................................................................. 3
2系统理论分析与计算.......................................................... 3
2.1 等精度测量......................................................................................................... 3
2.1.1 工作原理................................................................................................... 3
2.1.2 等精度测量的计算..................................................................................... 4
2.2 测量原理............................................................................................................. 4
2.2.1 测频过程分析............................................................................................ 4
2.2.2测时间差过程分析...................................................................................... 4
2.2.3 测量占空比过程分析................................................................................. 5
3电路与程序设计.............................................................. 5
3.1电路的设计.......................................................................................................... 5
3.1.1系统总体框图............................................................................................. 5
3.1.2 电路原理图............................................................................................... 5
3.1.3电源........................................................................................................... 5
3.2程序的设计.......................................................................................................... 6
3.2.1程序功能描述............................................................................................. 6
3.2.2程序设计思路............................................................................................. 6
4测试方案与测试结果.......................................................... 6
4.1测试方案.............................................................................................................. 6
4.2 测试条件与仪器.................................................................................................. 6
4.3 测试结果及分析.................................................................................................. 7
4.3.1软件测试结果............................................................................................. 7
4.3.2硬件测试结果............................................................................................. 7
4.3.3测试分析与结论......................................................................................... 9
参考文献..................................................................... 9
附录1:电路原理图........................................................... 10
附录2:软件仿真图........................................................... 12
附录3:测量模块流程图....................................................... 14
 
 
 
 
 
 

数字频率计F题)
【本科组】

1系统方案

本系统主要由信号调理模块、数字电路芯片模块、MCU模块、显示模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
 

1.1宽带放大模块的论证与选择

方案一:采用AD811芯片
使用AD811芯片设计出的宽带放大电路毛刺太大,且不满足频率要求。
 
方案二:采用AD8099芯片
使用AD8099芯片设计出的宽带电路放大倍数可达10倍,对于正弦波可满足1HZ~120MHZ,有效值8mV的信号放大;对于方波可满足1HZ~40MHZ,最小有效值40mV的信号放大,超额完成系统设计要求。
 
综合考虑,选择使用AD8099芯片搭建宽带放大模块。  
 

1.2整形模块的论证与选择

    按照设计要求,输入信号带宽为100MHz,最高频率可达100MHz,因此必须使用高速运算放大器对信号进行整形,所选芯片为TI公司的TLV3501,TLV3501是4.5ns 轨至轨高速比较器,可以满足高速处理的要求,基于这一点有以下方案:
方案一:单门限比较器
电路如附件一所示,运放的负输入端接地,比较电压为0V,用以将输入的正弦波整形为同频率方波,但在实测过程中发现对于高频信号,输出波形不理想,纹波较大且波形不稳定,后级无法处理这些波形。
 
方案二:迟滞比较器
电路如附件一所示,通过分析方案一,由于输入的波形并不会是严格的正弦波,再过零处会存在一些毛刺,单纯的使用过零比较器会使芯片误动作。
 
方案三:两种比较器结合
为了提高其容错能力,考虑在在方案一的基础上加入一个小的迟滞电压提高其抗噪声能力。
 
综合以上三种方案,选择方案三。建议过零比较加入一个小的迟滞电压,这样在实际应用的时候抗噪声能力强一些。如果用于计数的话会更加的准确。
 

1.3 数字电路芯片

方案一:使用DSP实现功能
DSP芯片,也称数字信号处理器,为串行处理,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
 
方案二:使用FPGA实现功能
FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,为并行处理,结构主要分为三部分:可编程逻辑块、可编程I/O模块、可编程内部连线。可编程逻辑块和可编程互连资源的构造主要有两种类型:即查找表类型和多路开关型。允许无限次编程。
 
结合实际情况经过比较,FPGA时序控制能力强,且为并行处理方式,效率高,可以满足要求。故采用FPGA-EP2C5。
 

1.4 MCU

方案一:使用MSP430实现功能
MSP430F149 单片机作为上位机,MSP430F149编程较为简单,功耗低,速度偏低,不可以很好地满足本设计对数据处理的要求。
 
方案二:使用STM32实现功能
STM32F103C8T6作为上位机,STM32F103C8T6编程较为复杂,速度适中,还拥有PWM发生器,可以产生较为精准的方波信号,可以较好地满足本设计对数据处理的要求。
 
基于上述考虑,为了提高系统的精度,我们采用方案二。
 

1.5 显示模块

方案一:使用LCD12864实现功能
采用12864LCD液晶显示模块,12864液晶显示其分辨率是128X64,内置819216X16点汉字和12816X8ASCII字符集,利用该模块可以简单显示。
 
方案二:使用OLED实现功能
采用0.96OLED作为显示模块,该模块显示面积较小,对于多位精准显示的程序调试过程较麻烦。
 
为满足题目要求并使得调试过程较为简便,本系统采用第一种方案。
 

2系统理论分析与计算

2.1 等精度测量   

2.1.1 工作原理

 
采用频率准确的高频信号作为标准频率信号,保证测量的闸门时间为被测时间的整数倍,并在闸门时间内同时对标准信号脉冲和被测信号脉冲进行计数,实现整个频率测量范围内的测量精度相等,当标准信号频率很高,闸门时间也足够长时,就可实现高精度的频率测量。即为:测量一定闸门时间内标准信号与被测信号的脉冲个数,分别记为   和    ,则被测信号频率为 : 。