高精度频率测量装置的研究与设计.doc

编号：024F011 数字频率计 电气与自动化工程学院 参赛队员姓名： 专业班级：电气工程及其自动化2012-3 参赛队员姓名： 专业班级：电气工程及其自动化2012-2 参赛队员姓名： 专业班级：自动化2013-1 指导教师姓名： 2015年8月15日 摘 要 本设计是基于FPGA和THS3201高速运放设计的数字频率计，由放大整形模块，FPGA核心模块，TTF显示模块，按键操作模块，电源模块组成。1.8GH增益带宽的THS3201高速运放多级放大级联和ADCMP553比较器完成前端双通道信号的放大整形；经前端信号处理，采用等精度测量法，运用FPGA器件实现待测信号的高精度、高灵敏度的频率周期测量、时间间隔测量和占空比测量。在FPGA中开辟51内核完成整个系统的测量数据显示，功能切换等功能。经软硬件联调测试实现了题目的基本要求和发挥部分的所有功能和要求。  目 录 1系统方案 1 1.1 测频的论证与选择 1 1.2 放大模块的论证与选择 1 2系统理论分析与计算 2.1 宽带放大器的分析 3 2.1.1 宽频放大器级数分析 3 2.1.2 前级放大器的分析与计算 3 2.1.3 后级处理电路 5 2.2 射频放大器稳定性 7 2.2.1 噪声分析 7 2.2.2 增益调整 8 3电路与程序设计 3.1电路的设计 8 3.1.1系统总体框图 8 3.1.2 放大部分子系统框图与电路原理图 8 3.1.3电源 9 4测试方案与测试结果 4.1测试方案 10 4.2 测试条件与仪器 10 4.3 测试结果及分析 10 4.3.1测试结果(数据) 10 4.3.2测试分析与结论 11 附录1：电路原理图 1、系统方案设计 1.1 测频方式的论证与选择 方案一：时间门限测频法 输入待测信号经过脉冲电路形成计数的窄脉冲，时基信号发生器产生计数闸门信号，待测信号通过闸门进入计数器计数，即可得到其频率。若闸门开启时间为T、待测信号频率为Fx，在闸门时间内计数器计数值为N，则待测频率为：Fx=N/T。闸门时间为1s，则计数器的值为1000，则待测信号频率为1kHz，所测频分辨力为1Hz，此方案的精度与闸门时间成正比。 方案二:标准频率比较测量法 用两组计数器在相同的时间门限内同时计数，测得待测信号的脉冲个数为Nx,已知的标准频率信号的脉冲个数为Nb，设待测信号的频率为Fx，标准频率信号的频率为Fb；测量时间相同可以得到Nx/Fx=Nb/Fb,可以得出待测频率的公式为Fx=(Nx/Nb)*Fb,对标准频率信号的频率信号的频率准确度和频率的稳定度要求较高，标准信号的频率越高，测量的精度就比较高。该方法测量时间误差与时间门限测量法的相同，可能的最大误差为±1待测信号周期。 方案三:等精度测量法 等精度测量法的机理是在标准频率比较测量法的基础上优化计数器开始和结束与门限的上升沿和下降沿的关系。只有在待测信号的一个周期结束时两组计数器才停止计数。这样就避免待测信号的脉冲周期不完整的问题，其误差只由标准频率信号产生，与待测信号频率无关，最大误差为±1标准频率周期。 综上所述本次设计选择方案三。 1.2 放大模块的论证与选择 方案一：采用场效应管或三极管控制增益 主要利用场效应管的可变电阻区（或三极管等效为压控电阻）实现增益控制，本方案由于采用大量分立元件，电路复杂，稳定性差。 方案二：采用TSH3201控制增益 根据题目信号幅值小、频率高的特点，考虑直接选取带宽较大的运放实现。THS3201是1.8GHz 电流反馈放大器，完全能够满足信号前端处理要求。 整体要求， 2、理论分析与计算 2.1 宽带通道放大器分析计算 宽带通道放大电路分为前级放大和后级放大。前级放大电路主要给后续处理提供宽频带的放大，适当降低放大倍数来提高通频带的宽度，运放选用的器件为THS3201，初级放大的倍数为5.5倍。 图（1）一级放大电路 各参数的分析与计算如下，电阻Rg取标准为50Ω，Rf设置为可调，此为最大阻值500Ω，其 输出电阻Rout为50Ω。各级运放的输入电阻都为50欧姆，该级电路与后级阻抗匹配后输出电压Vout衰减为Vo的一半，则 后级处理电路的运放也都选用THS3201，其基本结构也如第一级相似，电气参数也相似。 以下是信号放大的仿真结果 图（2）1Hz、5mV信号的仿真放大结果 图（3）100MHz、5mV信号的仿真放大结果 由图（2）和图（3）得出此放大电路满足本次竞赛要求。 2.2 被测参数测量方法的分析 2.2.1频率测量方法与分析