80后在校大学生完成电子设计全过程…
来源:互联网 发布:网易popo mac版 编辑:程序博客网 时间:2024/04/30 07:14
80后在校大学生完成电子设计全过程
一、前言
作为一名在读本科生,自己不能奢望从课堂上学到太多实践的知识。但我还是看到身边有很多热衷于电子设计的同学,虽然自己在电子线路设计的学习过程中一路磕磕绊绊,但一直有很多热心的学长老师帮助,在这个过程中自己也总结了一些学习方法,希望能给热爱电子线路设计的同学们一点点启发。
二、完成一项电子设计作品
07年的暑假,我观看了学长参加全国大学生电子设计竞赛的全过程,当时的A题“音频信号分析”给我留下了很深刻的印象。经过一年的学习自己的知识也差不多可已完成这个任务了,于是开始着手设计和制作。下面将详细介绍自己制作的全过程。
2.1
题目的任务是计、制作一个可分析音频信号频率成分,并可测量正弦信号失真度的仪器。模拟部分的要求是:(1)输入阻抗:50Ω
经过分析,模拟部分需要制作一个AGC(自动增益控制)放大器电路,而数字部分主要是进行FFT算法和功率、失真度算法的实现。
对于数字部分,由于作者手上有eZDSP2812的开发板,所以作者决定采用TI公司的DSP
对于模拟部分,经过分析他只要由一下几部分构成:
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由于TMS320F2812的片上ADC动态输入范围为0~3V,而题目要求的输入范围为100mV~5V交流信号,因此需要对输入信号峰值进行检测,然后根据结果对判断信号进行放大或衰减,并将信号电平由0V提升到1.5V。为了防止高频信号被采样,在ADC前增加滤波器,考虑到频谱分析的缘故,应采用具有带内最大平坦度的巴特沃思滤波器。
经过以上分析,已经可以得到如下放大电路的整体框图。
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细心的朋友可能会问,为什么峰值检测放在程放之后呢,是否可以直接接在信号输入端。这个问题作者在方案确定时经过了一番细致考虑,理论上两种方法都可以,但是要注意到,峰值检测电路对毫伏级的输入信号检测精度很有限,实测误差会大于10%,而经过放大后再进行峰值检测有利于提高峰值检测精度,从而更有效的选择程放的放大倍数。
2.2
记得TI模拟器械技术部首席科学家Tim·Kalthoff先生在武汉大学的湖北省电赛颁奖典礼上说过:“TI的网站是一所很好的模拟大学。”确实如此,TI的网站有许多帮助设计人员完成选型、方案设计、方案验证的工具和向导,这对于想作者一样的初学者是很有帮助的。
2.2.1
作者决定从程控增益放大器部分开始确定设计方案,对于本部分,和很多人一样,作者一开始想到两种方案:1.OPA
怀着这两种方案,作者像往常一样,先登陆TI中国的官方网站http://focus.ti.com.cn/cn/tihome/docs/homepage.tsp,然后下载了应用指南《音频指南》并仔细阅读,作者最先发现的是一款集成程放PGA2310非常适合我的设计,增益范围+31.5dB
令人感到沮丧的是,样片缺货。于是,作者选择了第一种方案,这种方案的优点是OPA较容易获得,另外作者手上有MAXIM公司的一款性能很不错的多路复用器MAX308。
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接下来要做的就是OPA选型了,作者首先阅读了以前下载的《TI放大器和数据转换器选择指南》,同时浏览TI运算放大器产品线,突然作者发现了TI的网上音频选择工具,作者按照提示操作,选择了总谐波失真和噪声最小的产品,TI给我推荐了以下几种产品:
作者手上有OPA228和OPA4131,我首先考虑的是GBW,为了满足题目要求(10kHz,100mV),并留有余量GBW应该大于1MHz,OPA228是33M
到此为止,程控增益放大器的初步方案已经完成。
2.2.2
对于这部分,作者也想到了两种方案:1.直流电平取自电源电压。这种方法优点是无需增加额外电路,缺点是电源纹波会影响频谱分析的精度。2.通过电压基准源+电压加法器。这种方法的优点是噪声纹波小,缺点是需要增加电路复杂度。
考虑到采用电阻分压的方法会在信号中引入电源的纹波,影响频谱分析精度,所以作者选择了第二种方案,并决定采用手上的低噪声电压基准源AD780提供3V直流电平,并通过OPA228衰减0.5倍得到1.5V直流电平。
2.2.3
作者记得模电课上老师说过峰值检测电路(PKD)的大致结构,由二极管和低漏电容组成。在实际应用中,PKD输入输出需要加缓冲,作者这部分的设计参考了AD公司OP177和TI公司OPA128的数据手册中提供的电路图:
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这两种方案本质上是一样的思路,输入为理想二极管接法,输出为电压跟随器,特别的地方是采用场效应管或晶体管代替二极管,这样的好处是方向漏电流小,因为他们的方向漏电流都在pA级别,而二极管方向漏电流是nA级的。另外,电容的选择也尤为重要,低漏电流是首要考虑,作者手上有低漏的CBB电容,故选择CBB作为储存电荷的电容器。输出的运放最好选用偏置电流小的运放,FET输入型的是首选。
总体而言,TI的方案是AD方案的改进型,场效应管前的二极管可以进一步防止方向漏电流。由于经验不足,作者当时决定留到仿真时才决定二者中选择哪一种。
2.2.4
对于滤波器的设计,作者一直采用查表法设计,这一次决定尝试使用TI网上推荐的FilterPro滤波器设计软件。作者很快从网上获得了免费的设计软件,并在自己的电脑安装了软件。
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但让我感到很遗憾的是,软件在作者的电脑上运行不一会儿就弹出警告窗口报错,于是作者到TI网上下载了该软件的应用报告《FilterProTM
最后,作者使用常规方法,查表得出了截止频率为17kHz(足够的余量)的四阶巴特沃思低通滤波器的电容电阻参数。
三、使用TINA-TI
到此为止,本题的模拟电路部分方案设计已经初步完成了。下面的工作就是仿真验证了。
作者采用了TI公司免费提供的仿真软件TINA
作者首先对个单元电路进行仿真,通过对峰值检测部分的仿真,作者发现两种方案的精度都足够满足本题要求。于是作者选择了ADI公司的电路图并对其进行了一些修改,作者将晶体管和二极管统一换成二极管1N4148,放大器采用TI公司经典FET输入运放TL082。使用TINA
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接着作者采用相同的方法完成了各部分电路及总体电路的仿真测试,期间发现了一些错误和修改了一些参数,如加法器误采用了同相加法器。最后得到整体电路图和幅频响应特性:
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四、动手制作电路板
考虑到PCB制作周期较长,而学校快放假了,作者决定手工焊接,于是在学校实验室里过了一晚,第二天早上终于全部测试通过。下面是作者手工焊接的电路板:
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五、测试仪器及测试数据
5.1
从上至下是:泰克TDS
5.2
5.2.1
-3dB点,输入信号峰峰值为1V,16.95kHz。
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从结果看,测试结果和TINA的仿真结果相当接近。
5.2.2
峰值检测电路整体误差小于10%,信号幅值在1V以上时有较高的精度。如果将输入信号放大到该区间,则可进一步提高峰值检测精度。
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输入信号幅值256mV、10.10kHz,峰值检测结果244mV。
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六、心得总结
借这次TI的博客比赛,希望能分享一些自己平时学习模拟电路设计的心得。在自己的学习过程中,得到了TI公司大学计划非常多的帮助,通过TI举办的湖北省大学生电子设计竞赛和TI网上丰富的资源,自己学到了很多模拟方面的应用知识,学习的过程是很快乐的,也是很艰辛的,虽然自己懂得还很少很少,但通过以后的学习和交流,初学者还是会慢慢的入门、逐步深入理解模拟电路设计的奥妙的。
希望大家能够多指点,多多帮助。
七、参考资料
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- 80后在校大学生完成电子设计全过程…
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