大學(xué)生完成電子設(shè)計(jì)全過程(圖大)

大學(xué)生完成電子設(shè)計(jì)全過程一、前言 作為一名在讀本科生，自己不能奢望從課堂上學(xué)到太多實(shí)踐的知識。但我還是看到身邊有很多熱衷于電子設(shè)計(jì)的同學(xué)，雖然自己在電子線路設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過程中一路磕磕絆絆，但一直有很多熱心的學(xué)長老師幫助，在這個過程中自己也總結(jié)了一些學(xué)習(xí)方法，希望能給熱愛電子線路設(shè)計(jì)的同學(xué)們一點(diǎn)點(diǎn)啟發(fā)。(本文參加了TI公司的博文比賽，覺得還行的話，希望大家?guī)晚斠幌?、回?fù)一個，謝謝大家，我會更努力的：-）)二、完成一項(xiàng)電子設(shè)計(jì)作品 07年的暑假，我觀看了學(xué)長參加全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的全過程，當(dāng)時的A題“音頻信號分析”給我留下了很深刻的印象。經(jīng)過一年的學(xué)習(xí)自己的知識也差不多可已完成這個任務(wù)了，于是開始著手設(shè)計(jì)和制作。下面將詳細(xì)介紹自己制作的全過程。2.1任務(wù)分析 題目的任務(wù)是計(jì)、制作一個可分析音頻信號頻率成分，并可測量正弦信號失真度的儀器。模擬部分的要求是：（1）輸入阻抗：50Ω（2）輸入信號電壓范圍（峰-峰值）：100mV～5V；（3）輸入信號包含的頻率成分范圍：200Hz～10kHz。數(shù)字部分的要求是：（1）20Hz分辨力的頻譜分析；（2）信號各分量功率測量；（3）信號失真度測量。

經(jīng)過分析，模擬部分需要制作一個AGC（自動增益控制）放大器電路，而數(shù)字部分主要是進(jìn)行FFT算法和功率、失真度算法的實(shí)現(xiàn)。

對于數(shù)字部分，由于作者手上有eZDSP2812的開發(fā)板，所以作者決定采用TI公司的DSPTMS320F2812作為整機(jī)運(yùn)算控制核心。 對于模擬部分，經(jīng)過分析他只要由一下幾部分構(gòu)成：

由于TMS320F2812的片上ADC動態(tài)輸入范圍為0~3V，而題目要求的輸入范圍為100mV～5V交流信號，因此需要對輸入信號峰值進(jìn)行檢測，然后根據(jù)結(jié)果對判斷信號進(jìn)行放大或衰減，并將信號電平由0V提升到1.5V。為了防止高頻信號被采樣，在ADC前增加濾波器，考慮到頻譜分析的緣故，應(yīng)采用具有帶內(nèi)最大平坦度的巴特沃思濾波器。 經(jīng)過以上分析，已經(jīng)可以得到如下放大電路的整體框圖。

作者手上有OPA228和OPA4131，我首先考慮的是GBW，為了滿足題目要求（10kHz，100mV），并留有余量GBW應(yīng)該大于1MHz，OPA228是33MMHz而OPA4131是4MHz，都可以。別的指標(biāo)對于本設(shè)計(jì)而言，二者差不多。值得一提的是，OPA228是OP07系列的升級版，而OPA4131則是FET輸入型，輸入阻抗非常大。另外，考慮到節(jié)省電路板空間的問題，作者最后選用了四運(yùn)放OPA4131。 到此為止，程控增益放大器的初步方案已經(jīng)完成。2.2.2電平提升電路 對于這部分，作者也想到了兩種方案：1．直流電平取自電源電壓。這種方法優(yōu)點(diǎn)是無需增加額外電路，缺點(diǎn)是電源紋波會影響頻譜分析的精度。2．通過電壓基準(zhǔn)源+電壓加法器。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是噪聲紋波小，缺點(diǎn)是需要增加電路復(fù)雜度?？紤]到采用電阻分壓的方法會在信號中引入電源的紋波，影響頻譜分析精度，所以作者選擇了第二種方案，并決定采用手上的低噪聲電壓基準(zhǔn)源AD780提供3V直流電平，并通過OPA228衰減0.5倍得到1.5V直流電平。2.2.3峰值檢測電路 作者記得模電課上老師說過峰值檢測電路（PKD）的大致結(jié)構(gòu)，由二極管和低漏電容組成。在實(shí)際應(yīng)用中，PKD輸入輸出需要加緩沖，作者這部分的設(shè)計(jì)參考了AD公司OP177和TI公司OPA128的數(shù)據(jù)手冊中提供的電路圖：

這兩種方案本質(zhì)上是一樣的思路，輸入為理想二極管接法，輸出為電壓跟隨器，特別的地方是采用場效應(yīng)管或晶體管代替二極管，這樣的好處是方向漏電流小，因?yàn)樗麄兊姆较蚵╇娏鞫荚趐A級別，而二極管方向漏電流是nA級的。另外，電容的選擇也尤為重要，低漏電流是首要考慮，作者手上有低漏的CBB電容，故選擇CBB作為儲存電荷的電容器。輸出的運(yùn)放最好選用偏置電流小的運(yùn)放，F(xiàn)ET輸入型的是首選。 總體而言，TI的方案是AD方案的改進(jìn)型，場效應(yīng)管前的二極管可以進(jìn)一步防止方向漏電流。由于經(jīng)驗(yàn)不足，作者當(dāng)時決定留到仿真時才決定二者中選擇哪一種。2.2.4抗混疊濾波器 對于濾波器的設(shè)計(jì)，作者一直采用查表法設(shè)計(jì)，這一次決定嘗試使用TI網(wǎng)上推薦的FilterPro濾波器設(shè)計(jì)軟件。作者很快從網(wǎng)上獲得了免費(fèi)的設(shè)計(jì)軟件，并在自己的電腦安裝了軟件。

但讓我感到很遺憾的是，軟件在作者的電腦上運(yùn)行不一會兒就彈出警告窗口報(bào)錯，于是作者到TI網(wǎng)上下載了該軟件的應(yīng)用報(bào)告《FilterProTMMFB及Sallen-Key低通濾波器設(shè)計(jì)程序》，可是按照文章的方法操作還是無法讓軟件工作。直到現(xiàn)在為止還不知道為什么，可能是因?yàn)閭€人水平問題，希望有用過該軟件的朋友交流交流。 最后，作者使用常規(guī)方法，查表得出了截止頻率為17kHz（足夠的余量）的四階巴特沃思低通濾波器的電容電阻參數(shù)。三、使用TINA-TI7.0進(jìn)行方案驗(yàn)證 到此為止，本題的模擬電路部分方案設(shè)計(jì)已經(jīng)初步完成了。下面的工作就是仿真驗(yàn)證了。 作者采用了TI公司免費(fèi)提供的仿真軟件TINATI對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，作者選擇TINA的原因是，它比PSPICE更適合初學(xué)者，并且TI的官方網(wǎng)站有大量的文檔使用該軟件進(jìn)行仿真測試。 作者首先對個單元電路進(jìn)行仿真，通過對峰值檢測部分的仿真，作者發(fā)現(xiàn)兩種方案的精度都足夠滿足本題要求。于是作者選擇了ADI公司的電路圖并對其進(jìn)行了一些修改，作者將晶體管和二極管統(tǒng)一換成二極管1N4148，放大器采用TI公司經(jīng)典FET輸入運(yùn)放TL082。使用TINA7.0仿真后發(fā)現(xiàn)結(jié)果還是很令人滿意，經(jīng)過參數(shù)微調(diào)后決定了一下電路。

接著作者采用相同的方法完成了各部分電路及總體電路的仿真測試，期間發(fā)現(xiàn)了一些錯誤和修改了一些參數(shù)，如加法器誤采用了同相加法器。最后得到整體電路圖和幅頻響應(yīng)特性：

四、動手制作電路板 考慮到PCB制作周期較長，而學(xué)校快放假了，作者決定手工焊接，于是在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室里過了一晚，第二天早上終于全部測試通過。下面是作者手工焊接的電路板：

五、測試儀器及測試數(shù)據(jù)5.1測試儀器 從上至下是：泰克TDS1002B、新聯(lián)EE1643C函數(shù)信號發(fā)生器、FLUKE五位半臺式萬用表、新聯(lián)EE1461DDS信號發(fā)生器（沒有使用）、MATRIX實(shí)驗(yàn)室用直流穩(wěn)壓電源。

5.2部分測試數(shù)據(jù)5.2.1幅頻特性測試 示波器測量頻率示波器測量峰峰值仿真設(shè)置頻率仿真峰峰值10.14kHz976mV10.2kHz960mV14.10kHz（-1dB）888mV14.1kHz871mV16.95kHz（-3dB）704mV17kHz676mV31.20kHz（-20dB）100mv31.1kHz86mV55.71kHz（-40dB）10.2mV56kHz8.3mV

-3dB點(diǎn)，輸入信號峰峰值為1V，16.95kHz。

從結(jié)果看，測試結(jié)果和TINA的仿真結(jié)果相當(dāng)接近。5.2.2峰值檢測誤差測試 峰值檢測電路整體誤差小于10%，信號幅值在1V以上時有較高的精度。如果將輸入信號放大到該區(qū)間，則可進(jìn)一步提高峰值檢測精度。

輸入信號頻率（Hz）示波器實(shí)測幅值（V）PKD輸出平均值(V)|相對誤差|（%）20.4711.4m10.4m8.820.5852m53.3m2.520.61980m1.024.11.961k12m10.4m13.31.984k116m112m3.41.992k1.041.021.910.07k11.8m9.48m210.18k48.8m45.2m7.410.16k544m530m2.6輸入信號幅值256mV、10.10kHz，峰值檢測結(jié)果244mV。

六、心得總結(jié) 借這次TI的博客比賽，希望能分享一些自己平時學(xué)習(xí)模擬電路設(shè)計(jì)的心得。在自己的學(xué)習(xí)過程中，得到了TI公司大學(xué)計(jì)劃非常多的幫助，通過TI舉辦的湖北省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽和TI網(wǎng)上豐富的資源，自己學(xué)到了很多模擬方面的應(yīng)用知識，學(xué)習(xí)的過程是很