數字頻率計（F題）
中國石油大學(華東) 朱文博 淩永輝 張林林 指導教師：李林
（由于電子(zǐ)文檔不兼容，符号和線路(lù)圖沒有顯示，詳情請查看附件）
摘 要
本系統以STM32F103C8T6和FPGA-EP2C5爲主控制器(qì)，采用AD8099芯片TLV3501産生(shēng)穩定的方波，并輸入FPGA， 使用MCU産生(shēng)控制信号。本系統包括信号調理(lǐ)模塊，FPGA模塊，MCU模塊，液晶顯示模塊。FPGA進行數據采集并送回MCU進行數據處理(lǐ)，實現精确測量頻率，周期，占空比，時間差。設置功能(néng)模式選擇，實現精确測量并顯示。在滿足題目基本要求的前提下(xià)，發揮部分(fēn)也(yě)全部實現。實際測試表明，所采用的設計方案科學有效，可完全達到基本要求并充分(fēn)完成發揮部分(fēn)。
關鍵詞：FPGA MCU 信号調理(lǐ) 精确測量
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.
數字頻率計（F題）
【本科組】
1系統方案
本系統主要由信号調理(lǐ)模塊、數字電路(lù)芯片模塊、MCU模塊、顯示模塊組成，下(xià)面分(fēn)别論證這幾個模塊的選擇。
方案一(yī)：采用AD811芯片
使用AD811芯片設計出的寬帶放(fàng)大電路(lù)毛刺太大，且不滿足頻率要求。
方案二：采用AD8099芯片
使用AD8099芯片設計出的寬帶電路(lù)放(fàng)大倍數可達10倍，對于正弦波可滿足1HZ~120MHZ，有效值8mV的信号放(fàng)大；對于方波可滿足1HZ~40MHZ，最小有效值40mV的信号放(fàng)大，超額完成系統設計要求。
綜合考慮，選擇使用AD8099芯片搭建寬帶放(fàng)大模塊。
1.2整形模塊的論證與選擇
按照設計要求，輸入信号帶寬爲100MHz，最高頻率可達100MHz,因此必須使用高速運算(suàn)放(fàng)大器(qì)對信号進行整形，所選芯片爲TI公司的TLV3501，TLV3501是4.5ns 軌至軌高速比較器(qì)，可以滿足高速處理(lǐ)的要求，基于這一(yī)點有以下(xià)方案：
方案一(yī)：單門限比較器(qì)
電路(lù)如(rú)附件一(yī)所示，運放(fàng)的負輸入端接地，比較電壓爲0V，用以将輸入的正弦波整形爲同頻率方波，但(dàn)在實測過程中發現對于高頻信号，輸出波形不理(lǐ)想，紋波較大且波形不穩定，後級無法處理(lǐ)這些(xiē)波形。
方案二：遲滞比較器(qì)
電路(lù)如(rú)附件一(yī)所示，通過分(fēn)析方案一(yī)，由于輸入的波形并不會是嚴格的正弦波，再過零處會存在一(yī)些(xiē)毛刺，單純的使用過零比較器(qì)會使芯片誤動作(zuò)。
方案三：兩種比較器(qì)結合
爲了(le)提高其容錯能(néng)力，考慮在在方案一(yī)的基礎上(shàng)加入一(yī)個小的遲滞電壓提高其抗噪聲能(néng)力。
綜合以上(shàng)三種方案，選擇方案三。建議過零比較加入一(yī)個小的遲滞電壓，這樣在實際應用的時候抗噪聲能(néng)力強一(yī)些(xiē)。如(rú)果用于計數的話會更加的準确。
1.3 數字電路(lù)芯片
方案一(yī)：使用DSP實現功能(néng)
DSP芯片，也(yě)稱數字信号處理(lǐ)器(qì)，爲串行處理(lǐ)，是一(yī)種特别适合于進行數字信号處理(lǐ)運算(suàn)的微處理(lǐ)器(qì)，其主要應用是實時快(kuài)速地實現各種數字信号處理(lǐ)算(suàn)法。支持流水線操作(zuò)，使取指、譯碼和執行等操作(zuò)可以重疊執行。
方案二：使用FPGA實現功能(néng)
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，爲并行處理(lǐ)，結構主要分(fēn)爲三部分(fēn):可編程邏輯塊、可編程I/O模塊、可編程内部連線。可編程邏輯塊和可編程互連資源的構造主要有兩種類型:即查找表類型和多路(lù)開關型。允許無限次編程。
結合實際情況經過比較，FPGA時序控制能(néng)力強，且爲并行處理(lǐ)方式，效率高，可以滿足要求。故采用FPGA-EP2C5。
1.4 MCU
方案一(yī)：使用MSP430實現功能(néng)
由MSP430F149 單片機作(zuò)爲上(shàng)位機，MSP430F149編程較爲簡單，功耗低(dī)，速度偏低(dī)，不可以很好(hǎo)(hǎo)地滿足本設計對數據處理(lǐ)的要求。
方案二：使用STM32實現功能(néng)
由STM32F103C8T6作(zuò)爲上(shàng)位機，STM32F103C8T6編程較爲複雜，速度适中，還擁有PWM發生(shēng)器(qì)，可以産生(shēng)較爲精準的方波信号，可以較好(hǎo)(hǎo)地滿足本設計對數據處理(lǐ)的要求。
基于上(shàng)述考慮，爲了(le)提高系統的精度，我們采用方案二。
1.5 顯示模塊
方案一(yī)：使用LCD12864實現功能(néng)
采用12864LCD液晶顯示模塊，12864液晶顯示其分(fēn)辨率是128X64,内置8192個16X16點漢字和128個16X8點ASCII字符集，利用該模塊可以簡單顯示。
方案二：使用OLED實現功能(néng)
采用0.96寸OLED作(zuò)爲顯示模塊，該模塊顯示面積較小，對于多位精準顯示的程序調試過程較麻煩。
爲滿足題目要求并使得調試過程較爲簡便，本系統采用第一(yī)種方案。
2系統理(lǐ)論分(fēn)析與計算(suàn)
2.1 等精度測量
2.1.1 工作(zuò)原理(lǐ)
采用頻率準确的高頻信号作(zuò)爲标準頻率信号，保證測量的閘門時間爲被測時間的整數倍，并在閘門時間内同時對标準信号脈沖和被測信号脈沖進行計數，實現整個頻率測量範圍内的測量精度相等，當标準信号頻率很高，閘門時間也(yě)足夠長時，就(jiù)可實現高精度的頻率測量。即爲：測量一(yī)定閘門時間内标準信号與被測信号的脈沖個數，分(fēn)别記爲 和 ,則被測信号頻率爲 : 。