2015年全国大学生电子设计竞赛(E题)80MHz-100MHz频谱仪
2015全国大学生电子设计大赛-仪器仪表类赛题分析 名校解读
因此，需要通过论证及必要实验来确定：在20Hz～1MHz范 围内，测量误差小于2％时所允许的输入信号电压幅度范围
Hale Waihona Puke 还需要通过实验验证。 通过实验和实际测量的结果表明：当输入信号的频率不大于1MHz时，输入信 号的电压有效值在0.7V～7V范围内能保证测量误差≤±2%。
按以上步骤进行设计有助于大学生工程设计能力的培养。 但以上设计过程是设计时的一个基本思路，实际设计时，可以 根据实际情况作适当的调整。
１．几点认识
⑸ 从学习的角度，应侧重掌握以下４类仪器
基于电压测量的仪器 时间频率测量仪器 数字示波器 信号发生器
电子仪器种类繁多，但只要透彻掌握这４类仪器原理，其 他类型电子仪器的设计便不会存在大的障碍。
大学生电子设计竞赛是学科竞赛，不是纯粹意义上的产品 设计竞赛。命题时将会刻意加强与电子电路密切相关的内容， 淡化一些专业性较强的内容。
因此，电子仪器类赛题的训练一定要在基本电子电路设计 充分训练的基础上进行。否则，不仅得不到好的效果，也违背 大学生电子设计竞赛的精神。
1．几点认识
⑶ 准确理解电子仪器各项指标是做好设计的关键
则仪器的总误差将小于2.6% (＜3% )
难点：真有效值转换器的电压测量误差应小于 2%
步骤2：技术指标分析、技术指标分配、核心器件的选择
指标②、测量误差：±(3%读数+2个字)； 技术指标分析： 技术指标（误差）分配： 核心器件的选择：
根据平时积累，拟选用AD637作为真有效值转换器的核心器件； 由AD637的设计资料可知，其带宽与输入信号电压幅度有关，当幅值太大 或较小时，AD637的带宽都将变窄。例如， 8MHz at 2V RMS Input；
2015年全国大学生电子设计竞赛论文E题
80MHz~100MHz 频谱分析仪（E 题）福州大学物理与信息工程学院杨威汤鸿黄锦雄【本科组】摘要本系统的设计由锁相环、混频电路、频率测量、AD采样几部分组成。
设计采用锁相环为本振，NE602为相乘器混频，465K滤波器滤波。
输入信号与本振源相乘后，输出的信号经465K滤波器滤出465K的信号，然后将465K信号分别输入第二套锁相环与单片机STM32中，两套锁相环确定输入信号频率，单片机确定输入信号电压，再由LCD屏幕显示出来，实现频谱仪的制作，经测试，多项性能指标均完成设计任务并有所拓展。
关键字：锁相环、频谱分析仪、混频器、滤波AbstractThis system consists of PLL,mixer circuit,frequency-mearsuring circuit,AD converter circuit.This system take PLL as the sourse, multiplier NE602 as the mixer, filter. We multiply the input siganl with the sourse ,send them to the 465k-filter and finally take them to the second PLL and MCU(STM32). We use the two PLLs to determine the frequency of the input signal. We display the result using the LCD.Key words:PLL、spectrum analyzer、mixer、smoothing1、系统方案设计1.1 整体方案设计方案一：FFT法。
这种频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
2015全国大学生电子设计竞赛重庆赛区(编号190)
2015年全国大学生电子设计竞赛数字频率计（F题）【本科组】时间：2015年8月15日摘要本作品以FPGA和STM32F103ZET6设计了一台闸门时间为1s的数字频率计，作品主要由主控模块、放大器模块、FPGA模块、电源模块及TFT显示模块构成。
为了满足测频对小信号的要求，系统采用电压反馈放大器OPA847搭建二级放大电路对小信号进行放大处理；通过FPGA模块对高频信号进行计数，达到了测频率、测周期等功能。
由STM32F103ZET6接受FPGA传来的信号，再进行数据处理，控制TFT模块显示相关测量数据。
最后，通过对作品进行实测，得到的实验数据表明，本设计达到了预期在功能和精度方面的要求。
关键字：FPGA，STM32，小信号放大，频率计。
AbstractIn this work, a digital frequency meter is designed by FPGA and STM32F103ZET6, which is composed of main control module, amplifier module, FPGA module, power module and TFT display module. And gate time is 1s. In order to meet the requirements of small signal frequency measurement, the system uses the voltage feedback amplifier OPA847 to set up the two stage amplifier circuit to amplify the small signal. Through the FPGA module, the high frequency signal is counted, and the function of the frequency and cycle is reached. The signal that is received by FPGA is processed by STM32F103ZET6, and the data processing is controlled by TFT module. Finally, the experimental results show that the design can meet the requirements of the function and precision.Keywords: FPGA, STM32, small signal amplification, frequency meter.一、方案选择与论证1、主控模块方案选择方案一：利用STM32单片机作为主控芯片直接进行数据采集和处理，其优点是硬件电路比较简单。
2015全国大学生电子设计大赛F题一等奖--数字频率计
2.
2.1.
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。
0.03
726
29.97
34
0.088
667
49.98
902
0.02
196
70.00
331
0.004
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89.9
987
0.001
444
5MH
z
10.00
41
0.04
1
30.02
6
0.086
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50.08
29
0.16
58
70.23
478
0.335
404
90.0
235
0.026
111
4.3.
1、频率测量时，在1Hz-100MHz时，最低测量有效值Vrms可降低为5mV；
（2）测量结果
表4占空比测量数据表
设
定 占 空 比
10%
30%
50%
70%
90%
频 率
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
/%
测量 值
/%
误差
2015年全国大学生电子设计竞数字频率计(F题)张佳鹏 宋岩 谭贻凯
2015年全国大学生电子设计竞赛数字频率计（F题）2015年8月15日数字频率计（F题）大连东软信息学院参赛队员：张佳鹏宋岩谭贻凯摘要：本频率计由OPA656和LM319运放芯片搭建放大和比较器电路，使50mV-1V的正弦波信号放大整形成单片机能够识别的TTL电平信号，并由STM32F407MCU为主控芯片，通过捕获信号的上升沿来对信号进行频率统计，并通过中断计数的方式对两路经放大后的方波的时间间隔进行测量，统计结果通过OLED液晶屏进行显示，并能通过I/O口电平的输入选择频率测量和时间间隔的测量。
关键词:频率时间间隔信号放大宽频运算放大器高速比较器。
目录数字频率计（F题） (I)大连东软信息学院参赛队员：张佳鹏宋岩谭贻凯 (I)摘要： (I)关键词: (I)1系统方案 (3)1.1 运算放大器的论证与选择 (3)1.2 正弦波测量方法的论证与选择 (3)1.3 提高仪器灵敏度的论证与选择 (4)2 系统原理分析 (4)2.1 OPA656 运算放大器原理 (4)2.2 LM319 比较器原理 (5)3电路与程序设计 (5)3.1 电路设计 (5)3.1.1 系统设计 (6)3.2 程序设计 (6)4 测试方案和测试结果 (7)4.1测试方法 (7)4.2 测试结果 (8)4.3 结果分析 (9)参考文献 (9)附录 (9)数字频率计（F题）【本科组】1系统方案本系统主要由电源模块、运算放大模块、比较器模块、控制显示模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 运算放大器的论证与选择方案一：LM358LM358是双运算放大器。
内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358最小识别电压变化为2mV，运放宽度为1Hz~1.1MHz，与本题的50mV~1V 的1Hz~10MHz的信号不符，故不可用。
2015年全国大学生电子设计竞赛-F题(数字频率计)-全国一等奖-电子科技大学
| N s | 。题目中极限情况下要 Ns
-3-
求在 5MHz 、10%占空比时 达到 0.01。因此，由
| N s | 0.01 ，可求得 Ns
Ns 100 。为在 20ns 时间内计数值大于 100，时基脉冲频率需大于 5GHz。可通
图 1 系统框图
单片 机
人机 界面
二、理论分析与计算
2.1 宽带通道放大器设计 按题目的要求， 被测正弦波信号有效值范围需要为 10mVrms 至 1Vrms,频率范 围为 1Hz 到 100MHz。一般考虑用放大器进行放大，再使用门电路整形。假设门 电路输入电压超过 2V 就被识别逻辑 1 电平，则对于小信号，要使放大后能够触 发逻辑门或者缓冲器进行缓冲整形，所需放大器增益为：
dt 100% 。
| D0 D | 100% 。 D0
4.2.4 数据刷新时间测量 在本系统中单片机提供预设的闸门时间为 1.2s，实际的闸门时间约为 1.4s， 数据在单片机中处理并送去显示所需要的时间约为几 ms,总刷新时间不会超过
-6-
1.5s。 理论上 1Hz 的信号所需要的刷新时间是最多的，故在 1Hz 频率的情况下，通 过秒表测量信号的刷新时间。 4.3 测试结果及分析 4.3.1 频率和周期测量 测量数据如下表 2 所示：
图 6 系统流程图
图 7 FPGA 和单片机连接框图
-5-
四、测试方案与测试结果
4.1 测试仪器 根据题目要求，所需要的测试仪器如下表 1：
表 1 测量仪器表
序号 1 4.2 测试方案
仪器名称 双通道函数信号发生器
型号 DG4162
指标 0～160MHz
2015全国电子设计大赛题目
I1 I10 100% ，其中 I1 为实际电流、I10 I10
I11 I12 100% 。 I1
P P 1 100% 、2 2 100% ，其中 P 2 U2 I2 。 1 U1 I1 ， P P2 P 1
5. 基本要求（5）的测试方法：在图 1 的 A、B 点之间串入滑线变阻器，使 U1 增加。 6．辅助电源需自制或自备，可由直流稳压电源（Us 处）或工频电源（220V）为其供电。 7．作品应能连续安全工作足够长时间，测试期间不能出现过热等故障。 8．制作时应合理设置测试点（参考图 1） ，以方便测试；为方便测重，应能较方便的将 双向 DC-DC 变换器、测控电路与辅助电源三部分与其他部分分开。 9．设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结 果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出，在附件中提 供作品较清晰的照片。.
170
160
8. 各项要求中，长度均以厘米（cm）为单位，角度以 10°为最小单位。 9. 赛题中要求的各项动作完成时间越短越好，超过规定时间 1 倍时不计成绩。
四、评分标准
项 目 系统结构及风力摆运动控制方案 论证 风力摆状态测量及运动控制 系统结构，电路设计 测试方法及测试数据 摘要 格式规范 设计报告内容完整性 公式、图表的规范性 小计 完成第（1）项 基本 要求 完成第（2）项 完成第（3）项 完成第（4）项 小计 完成第（1）项 发挥 部分 完成第（2）项 完成第（3）项 小计 总分 20 15 15 10 10 50 20 20 10 50 120 3 分数 4 6 4 3
340
万向节
硬 质 管 棒
2-4只 轴流风机
图 2 风力摆实现方案示意
2015年全国大学生电子设计大赛F题-数字频率设计报告
2015年全国大学生电子设计大赛F题-数字频率设计报告2015年全国大学生电子设计竞赛数字频率计（F 题）【本科组】2015年8月15日摘要频率计是数字电路中的一个典型应用，是计算机、通讯设备、音频视频等科研生产领域不可缺少的测量仪器，频率测量在科技研究和实际应用中的作用日益重要。
该系统由信号输入电路、数据处理电路和显示电路构成，可实现数字频率计的测频率、周期、占空比、脉宽等各项功能。
以FPGA为核心处理数据最更大程度地提高了精度。
经过综合测评，发现该系统具有高分辨率、输入频率量程宽、测量精度高和输出稳定等特点。
关键词：FPGA 频率计高精度等精度高带宽AbstractFrequency meter is a typical application of digital circuit, computer, communications equipment, audio, video, and other areas of the scientific research production indispensable measuring instrument, the role of frequency measurement in science and technology research and practical application is increasingly important.The system consists of signal input circuit, data processing circuit and display circuit, which can realize the digital frequency meter measuring frequency, cycle, pulse rate, pulse width and so on various functions.The FPGA as the core processing improves the accuracy of data is the greater.Through the comprehensive evaluation, found that the system has high resolution, wide input frequency range, high measurement accuracy and stable output.Keywords: FPGA、Frequency meter、High precision、equal precision、High bandwidth目录目录 (2)第一章设计任务与要求 (4)1.1 设计任务 (4)1.2 设计要求 (4)1.2.1 基本要求 (4)1.2.2 发挥部分 (4)第二章方案讨论与选择 (5)2.1方案设计 (5)2.1.1方案一 (5)2.1.2方案二 (5)2.2方案选择 (6)第三章理论分析与计算 (6)3.1 总体分析 (6)3.2各项被测参数 (7)3.2.1 等精度测量的原理： (7)3.2.2 等精度测量的实现 (7)3.2.3 等精度数字频率计误差分析 (8)3.3 宽带通道放大器分析 (8)3.4 提高仪器灵敏度的措施 (8)第四章硬件电路与程序设计 (9)4.1 硬件电路 (9)4.1.1前置信号输入电路 (9)4.1.2 主控FPGA (10)4.1.3显示模块 (10)4.1.4电源模块 (10)4.2 程序设计 (11)4.2.1 FPGA处理数据程序框图 (11)第五章测试方案与结果 (11)5.1 测试方案与测试结果 (11)5.1.1 测试方案 (11)5.1.2 测试结果 (11)5.2测试结果分析 (17)参考文献 (17)附录 (18)1、核心器件 (18)2、输入电路图 (18)3、FPGA顶层设计图 (19)4、实物图展示 (22)第一章设计任务与要求1.1 设计任务设计并制作一台闸门时间为1s的数字频率计。
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参赛注意事项
（1）8 月 12 日 8:00 竞赛正式开始。本科组参赛队只能在【本科组】题目中任选一题；高 职高专组参赛队在【高职高专组】题目中任选一题，也可以选择【本科组】题目。
（2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生
80MHz~100MHz 频谱分析仪（E 题）
【本科组】
一、任务
设计制作一个简易频谱仪。频谱仪的本振源用锁相环制作。频谱仪的基 本结构图如图 1 所示。
信号
混
滤
显
源输
频
波
示
入
本振源 图 1 频谱仪的基本结构图
频率 显示
二、要求
1. 基本要求
制作一个基于锁相环的本振源： （1）频率范围 90MHz~110MHz； （2）频率步进 100kHz； （3）输出电压幅度 10~100mV，可调； （4）在整个频率范围内可自动扫描；扫描时间在 1~5s 之间可调；可手动
（4）测试在全频段内的杂散频率(大于主频分量幅度的 2%为杂散频率)个
数；
（5）其他。
三、说明
在频谱仪滤波器的输出端应有一个测试端子，便于测量。
E-2/3
四、评分标准
设计 报告
基本 要求
发挥 部分
项目
主要内容
系统方案
方案选择、论证
理论分析与计算
进行必要的分析、计算
电路与程序设计
电路设计
程序设计
测试方案与测试结果 表明测试方案和测试结果
扫描；还可预置在某一特定频率；
E-1/3
（5）显示频率； （6）制作一个附加电路，用于观测整个锁定过程； （7）锁定时间小于 1ms。
2. 发挥部分
制作一个 80MHz~100MHz 频谱分析仪：
（1）频率范围 80MHz~100MHz；
（2）分辨率
100kHz；
（3）可在频段内扫描并能显示信号频谱和对应幅度最大的信号频率；
.
E-3/3
设计报告结构及规范性 图表的规范性
小计
完成第（1）项
完成第（2）项
完成第（3）项
完成第（4）项
完成第（5）项
完成第（6）项
完Hale Waihona Puke 第（7）项小计完成第（1）项
完成第（2）项
完成第（3）项
完成第（4）项
其他
小计
总分
分数 4 4
4
4 4 20 10 10 5 10 5 5 5 50 15 5 15 10 5 50 120
身份的有效证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制 3 人，开赛后不得中途更换队员。 （5）竞赛期间，可使用各种图书资料和网络资源，但不得在学校指定竞赛场地外进行设
计制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违 纪参赛队取消评审资格。 （6）8 月 15 日 20:00 竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。