《数字频率计分析》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2015,全国电子竞赛,F,题,数字频率计赛题的分析,2015.11.01,武汉大学,赵茂泰,题意分析,2,频率和周期的测量,3,时间间隔的测量,4,占空比的测量,5,信号通道设计要点,6,测评分析,题意分析,主要考核点,小信号的宽带放大及整形（,1Hz,100MHz,）,频率,、,周期,、时间间隔、占空比的高精度,测量,方法,FPGA,的应用能力,(1),频率和周期测量功能,a,正弦波，频率范围为,1Hz,100MHz,；有效值电压范围为,10mV,1V,；,b,预置闸门时间为,1 s,时，,测量误差的绝对值不大于,10,-4,。,(2),时间间隔测量功能,a,方波，频率范围为,100Hz,1MHz,；峰峰值电压范围为,50mV,1V,；,c,被测时间间隔的范围为,0.1,s,100ms,；,d,测量误差的绝对值不大于,10,-2,。,(3),脉冲信号占空比的测量功能,a,矩形波，频率范围为,1Hz,5MHz,；峰峰值电压范围为,50mV,1V,；,c,被测脉冲信号占空比的范围为,10%,90%,；,d,测量误差的绝对值不大于,10,-2,。,(4),刷新时间不大于,2s,，测量结果稳定，并能自动显示单位。,(5),其他,（例如，进一步降低被测信号电压的幅度等）,题目主要要求,考核的主要技术指标,:,测量误差,（约占,60%,以上的分值）,频率和周期测量误差不大于,10,-4,（难点：,1Hz,，,100MHz,）；,时间间隔测量误差不大于,10,-2,（难点：,频率为,100Hz,，测量,0.1,s,）,占空比测量误差不大于,10,-2,（难点：,频率为,1MHz,，测量,10%,）,灵敏度（约占,30%,以上的分值）,频率和周期测量,时，,被测信号有效值电压范围为,10mV,1V,；,进一步降低被测信号电压的幅度,测评时，实际测试点选择为：,1V,；,50mV,；,10mV,；,1mV,（,其他,）。,考核点分值的分布,:,频率和周期,的,测量,（,64,分）；,时间间隔,的,测量,（,16,分）,占空比,的,测量,（,16,分）,一般要求 （,4,分）,被测信号在,1Hz,10MHz,范围内，每一个频率点上的测量误差均,10,-4,。,10,-4,的涵义：若,f,x,=1.123456Hz,，由于,Hz,的,10,-4,为,0.0001Hz,，则应该显示,1.12340.0001 Hz,。即允许的显示数为,1.1233,1.1235,三者之一。,为了体现,10,-4,的精度，频率计的显示范围应该为：,1.0000,（,Hz,）,99.999,（,MHz,）。即频率计应该采用,5,位数字显示，且最高显示位不能为“,0”,，且单位能自动设置，小数点能自动定位。,如果显示位数采用,4,位及以下，则仪器不能体现,10,-4,的精度；如果显示位数采用,6,位及以上，则数据最后有,2,3,位含有误差，无意义。,频率测量范围：,1Hz,100MHz,预置闸门时间为,1s,时，测量误差,10,-4,测量误差指标的涵义：,2,频率和周期的测量,图,1,频率、周期、占空比测量,图,2,两信号时间间隔测量,由于,DDS,信号发生器,是以晶体振荡器为基础的，因而提供的信号频率的误差,10,-5,，能满足本题要求（误差,10,-4,）。,赛区测试时，为保证标准信号源提供的信号足够精准，要求信号源最高输出频率,100MHz,，采样率,500MSa/s,。例如，可采用普源,DG4162,型。,全国,测试,采用泰克,AFG3252,型，其,最高输出频率,240MHz,，采样率,1GSa/s,频率和周期测量误差,的检定方案,频率,计测量误差的检定方法有标准信号源法和比较法两种，全国专家组推荐采用标准信号源法。即以标准信号源给出的信号频率为标准，确定被检定频率计的频率测量误差。,项目,测试条件,满分,测试记录,评分,备注,频率和周期测量误差,标准频率：,1.1000Hz,（,909.10ms,）,有效值电压：,1V,8,实测频率：,实测周期：,标准频率：,1.1000Hz,有效值电压：,50mV,8,实测频率：,实测周期：,标准频率：,9.9000MHz,有效值电压：,1V,8,实测频率：,实测周期：,标准频率：,9.9000MHz,有效值电压：,50mV,8,实测频率：,实测周期：,评分标准：,每项测量误差,10,-4,时给,4,分，,510,-4,时给,3,分，,10,-3,时给,2,分，,10,-2,时给,1,分。若信号有效值电压在,50mV,时不能测试，可提高至,100 mV,测试，但成绩按原满分的,50%,计算，并在备注栏做出说明。,频率和周期测量误差,的测试表（基本部分）,1.1004 Hz,3,908.8,0,s,3,1.1 Hz,909 ms,0,2,有效数字的概念：,所谓有效数字是,指,从左边第一个非零的数字开始，直到最右边一个数字（可为零）为止的所有数字。,当测量误差已知时，表示测量结果的有效数字的位,数,应,该,与该测量误差相一致。,2,频率和周期的测量,基本要求（,3,）：,测量数据刷新时间不大于,2s,，测量结果稳定，并能自动显示单位。,2,频率和周期的测量,测量数据刷新时间,可以判定闸门时间是否为,1s,左右，,可以通过改变被测,信号的,频率来判定，大于,2s,时扣,2,分，大于,3s,时还要在各参数测量误差的分数中酌情扣分，并在,备注栏做出说明,；,测量结果稳定的判定方法是，,有效数的末位跳动范围超过,2,个字以上（不含,2,个字）扣,1,分；跳动范围超过,5,个字，判定该位无效；,要求显示单位。,不能自动显示参数单位,时,扣,1,分。,频率计的总测量误差由三种类型的误差组合而成。,标准频率误差：,触发误差：,=0.3210,-R/20,，其中为,信噪比,。,计数误差：，其中,1,。,数字频率计测量,误差的组成,2,频率和周期的测量,若某种类型的误差小于仪器总误差一个数量级及以上，则该项误差对仪器总误差的影响可以近似忽略,。,本题最主要的考核指标是：测量误差,本题设计目标：使三项误差之和小于,10,-4,，最好使每项测量误差,10,-5,。,标准频率误差的分析,标准频率误差是指频率、周期测量中，由于闸门时间不准，或时标不准而引人的误差。,闸门时间或时标是由晶体振荡器多次倍频或分频得到，所以，标准频率误差是由仪器中晶体振荡器输出频率的误差引起的，经推导，其值就等于晶体振荡器输出频率的准确度 。,目前，晶体振荡器（尤其带温补的晶体振荡器）的准确度一般,达到,10,-5,及以上,。,本题要求仪器的总测量误差不,大于,10,-4,，因此，当设计中采用了晶体振荡器时，标准频率误差的影响可以忽略。,2,频率和周期的测量,触发误差的分析,在周期测量时，当被测信号含有噪声时，将会在闸门的开启与关闭的时刻，产生超前触发或滞后触发，甚至误触发，从而产生误差。,经推导，触发误差,=0.3210,-R/20,，其中为信噪比。,例如，若被测信号的信噪比为,20dB,（,100,倍），若不采取措施，触发误差约为,310,-3,。对频率计来说，,310,-3,是一个较大的误差。,提高信号的信噪比。当要求仪器具有较高的灵敏度时，需要认真设计低噪声的前置放大器。,由于触发误差发生在闸门的开启与关闭的时刻，所以，采用“多周期平均测量方法”是减少触发误差非常有效的方法。,例如，在闸门时间为,1s,时，采用多周期平均方法测量频率为,1MHz,的信号的周期，可以使触发误差误差减少,10,-6,倍。,在整形电路中采用具有滞后特性的施密特电路来减少噪声影响。,减小触发误差的措施,采用具有滞后特性施密特电路减少噪声影响的示意图,:,触发误差的分析,电赛测试的被测信号来自信号源，信号质量比较高，若在设计中采用多周期平均方法，触发误差远大于,10,-4,，该项一般可以不予考虑。,但当信号较弱，尤其频率较低时，需要认真考虑触发误差的影响。,触发误差的分析,计数误差（）的分析,由于闸门时间与被测信号之间没有同步关系，因而存在,N,=1,字范围内的计数误差。,计数误差是不可避免的；,计数误差的大小是随机的，其值可能为,+1,、,0,或,-1,。,N,=,1,总是存在的。,为了减小计数误差（相对值），应该使计数值,N,尽量大。,减小计数误差（）的思路,减小计数误差是本次设计中需要重点考虑的问题！,计数误差的分析,频率测量时，计数误差与被测信号频率成反比。,例如，若闸门时间,T=1s,，当被测信号频率为,100kHz,，计数值为,100000,，计数误差为,10,-5,；但当被测信号频率分别为,10Hz,时，其计数误差为,10,-1,。,频率测量实现原理（传统方法）,计数误差的分析,周期测量时，计数误差与被测信号周期成正比（与频率成反比）。,例如，若时标取,T,0,=1s,，则当被测信号周期为,100ms,（,f,=10Hz,）时，计数值为,100000,，其计数误差为,10,-5,；但当被测信号周期分别为,10s,（,f,=100kHz,）时，其计数误差,10,-1,。,周期测量实现原理（传统方法）,在频率测量时，当被测信号频率较高时，直接测其频率；当被测信号频率较低时，先测其周期，然后再换算其频率值。,测量误差与被测频率的大小有关，且最低测量误差受中介频率的限制。,频率和周期测量设计方案,（主要考虑计数误差的影响）,：,方案一，基于传统频率与周期的测量方法,方案二，多周期同步测量方法（倒数计数器法）,被测信号脉冲先同步再计数；,设两个计数器，分别测量被测脉冲个数及闸门时间的大小。,测量精度高，且与被测频率的大小无关，实现了“等频率”测量。,同步电路,同步原理,由于触发器的同步作用，计数器,所记录的,N,A,已不存在,1,字误差的影响。,但是，实际的闸门时间已不等于预置的闸门时间,T,P,。因此，还需要同时测量实际的闸门时间的大小。,触发器的功能：对应,CK,端上升沿，端的信号传送到端。,T,P,T,为了测量实际的闸门时间,T,，设置了计数器,，并用标准时钟,f,0,进行计数来确定实际闸门时间,T,的大小。,计数器,的累计数,N,A,f,x,T,；,T=N,A,/,f,x,计数器,的累计数,N,B,f,0,T,；,T=N,B,/,f,0,联立上两式，得,计数器,记录的,N,值仍存在,1,字误差的影响，但由于时钟频率很高，,1,字误差的影响很小。,取时钟频率,f,0,=,100MHz,，则由,1,字引起的相对误差为,10,-8,。该误差与被测信号的频率无关，且在全频段的测量精度是均衡的。,100MHz,时标电路,2,频率和周期的测量,频率计的三类测量误差,标准频率误差：,触发误差：,=0.3210,-R/20,，其中为,信噪比,。,计数误差：，其中,1,。,参赛作品概况,获全国奖的作品均采用了,晶体振荡器（或,带,温补的,晶体振荡器），其准确度,一般可以达到,10,-5,及,以上，其标准,频率误差,可忽略。,获,全国奖的,作品大部分都采用了多周期同步测量方法，因而大幅度较低了触发误差和计数误差的影响。,除通道电路和控制电路，测量电路几乎都在,FPGA,的芯片中完成。,时间间隔的测量（相位测量）,a,方波，频率范围为,100Hz,1MHz,；峰峰值电压范围为,50mV,1V,；,c,被测时间间隔的范围为,0.1,s,100ms,；,d,测量误差的绝对值不大于,10,-2,。,单周期测量方案（传统方法）,当晶振频率不变情况下，被测时间间隔越小，计数误差就越大,精度最差的测试点：被测时间间隔为,0.1,s,（,100ns,），晶振频率（,f,s,）为,100MHz,（,T,0,=10ns,）时，由,1,字误差引起的误差为,10,-1,，不能能达到,10,-2,。,注：要求,A,、,B,通道电路性能一致,!,100MHz,时间间隔的测量（相位测量）,提高,T,A-B,测量精度的方法（思路）