2015年全国大学生电子设计大赛的F题「数字频率计」是一个综合性很强的项目，它全面考察了你在模拟电路、数字电路以及微控制器编程等方面的能力。下面我将为你梳理一份详细的解题指南，涵盖了题目要求、核心设计思路、硬件方案选择和实用的备赛建议。

题目要求一览

我们来看看题目到底要我们做什么。题目要求设计并制作一个数字频率计，其具体要求可以分为基本要求和发挥部分。

1. 基本要求

* 频率与周期测量：能测量频率范围为1Hz

* 时间间隔测量：针对频率100Hz

* 数据显示：测量数据的刷新时间不超过2秒，并且结果要稳定，能自动显示单位。

2. 发挥部分

* 拓宽频率范围：将正弦波频率测量上限提升至100MHz100MHz。这将极大增加对硬件电路性能（如带宽、过驱恢复时间）的要求。

* 降低信号幅度：将可测的正弦波最小电压有效值从50mV降到10mV。这对前级放大器的增益和噪声抑制提出了很高要求。

* 增加占空比测量：测量频率1Hz

核心设计思路

面对这样的要求，核心的设计哲学是：“因材施教”，即针对不同特性的信号采用最合适的测量方法。

| 测量对象 | 推荐方法 | 优势 | 劣势 |

| :--

| 高频信号 (>1MHz) | FPGA直接计数法 | 利用FPGA的并行处理能力，可实现接近100MHz甚至更高频率的精确测量。 | 成本较高，逻辑设计复杂。 |

| 低频信号 (单片机定时器捕获 | 节省FPGA资源，软件实现灵活。 | 受限于单片机主频，频，不适合超高频。 |

| 宽范围频率 | 等精度测量法 | 在整個頻率範圍內都能保持高精度，規避了高低頻測量誤差不均的問題。 | 实现相对复杂。 |

在实际设计中，混合架构往往能取得更好的效果：使用FPGA负责前端的高速计数和粗时间测量，然后将数据交给单片机（如STM32）进行复杂运算、控制和人机交互。这种架构发挥了各自的特长。

️ 硬件设计关键

硬件是实现这一切的基础，尤其是前端的信号调理电路，它决定了你能“看清”什么样的信号。

1. 信号放大与整形链路

这是处理小信号和高频信号的核心。一个典型的优秀方案可以参考以下流程：

信号 → 阻抗匹配 → OPA691 (10倍放大) → 阻抗匹配 → OPA691 (5倍放大) → 阻抗匹配 → TLV3501 (迟滞比较器) 。

* 放大电路：必须使用高速、宽带、低噪声的运算放大器，如OPA691、OPA847或THS3201。对于发挥部分的10mV小信号，需要设计两级甚至三级放大。

* 比较器：作用是将放大后的正弦波整形成方波。需要选择高速比较器，如TLV3501，其响应时间要快，以避免在高频时产生较大误差。

2. 关键元器件的选择

* 主控芯片：FPGA + STM32的组合被证明是冲击高分的有力保障。STM32丰富的定时器资源（如ETR功能）非常适合频率测量。

* 放大器：如前所述，OPA691或OPA847是常见选择。

* 比较器：TLV3501是一款能满足100MHz信号要求的常用高速比较器。

⚙️ 软件与算法精髓

硬件搭好了舞台，软件和算法则是让频率计精准演出的导演。

* 等精度测量法：这是实现宽范围高精度测量的关键。其核心思想是让实际闸门时间恰好是被测信号周期的整数倍。这样可以消除对被测信号计数时产生的±1误差，尤其保证了低频测量的精度。

* 占空比测量：算法原理是测量高电平时间与整个周期的比值。通常在FPGA内用两个计数器分别测量高电平持续时间和总周期时间，再计算比例。

* 自动量程切换：软件需要根据当前测量值的大小，自动控制硬件（如改变放大倍数或分频系数）以适应不同范围的信号。

备赛与实战技巧

来自获奖队伍的经验同样宝贵：

* 团队协作：明确分工，有人主要负责模拟电路，有人精通FPGA/单片机编程，有人擅长硬件布局和调试。

* 模块化准备：赛前可以提前准备好并熟练使用一些通用模块，比如FPGA/STM32最小系统板、直流电源模块等。

* 调试：务必将模拟地和数字地分开，并在电源入口和关键芯片电源引脚附近添加足够的去耦电容，这对于抑制噪声、稳定测量小信号至关重要。

* 文档与报告：清晰地记录你的设计方案、测试数据和结果分析非常重要。

✨ 进阶优化方向

如果想在设计上更进一步，可以考虑：

* 自动增益控制(AGC)：对于幅度变化的信号，可以引入AGC电路（如使用VCA821压控放大器），自动调整放大倍数，防止信号饱和或太小。

* 程控放大：通过单片机控制模拟开关来选择不同的反馈电阻，从而改变放大倍数，实现更精确的量程切换。

希望这份详尽的指南能帮助你更好地理解和攻克2015年电赛F题。如果你在某个具体环节，比如FPGA的等精度测量代码实现，需要更深入的探讨，我们可以继续交流。