大学生完成电子设计全过程(图大)..

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。(本文参加了TI公司的博文比赛，觉得还行的话，希望大家帮顶一下、回复一个，谢谢大家，我会更努力的：-）)

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 任务分析

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（2）输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV～5V；（3）输入信号包含的频率成分范围：200Hz～10kHz。数字部分的要求是：（1）20Hz分辨力的频谱分析；（2）信号各分量功率测量；（3）信号失真度测量。

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 TMS 320F 2812作为整机运算控制核心。

对于模拟部分，经过分析他只要由一下几部分构成：

由于TMS 320F 2812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。

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 借助TI网上选型工具确定各部分方案

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 程控增益放大器

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 + 模拟多路复用器；2．集成程控增益放大器。

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

/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 to ?95.5dB，供电电压最大为±15V ，输入输出范围接近供电电压。于是我很兴奋地登陆TI中国样片中心的网站开始申请教育样片（TI公司有大学合作计划）。

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。

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 MHz而OPA4131是4 MHz，都可以。别的指标对于本设计而言，二者差不多。值得一提的是，OPA228是OP07系列的升级版，而OPA4131则是FET输入型，输入阻抗非常大。另外，考虑到节省电路板空间的问题，作者最后选用了四运放

OPA4131。

到此为止，程控增益放大器的初步方案已经完成。

2.2.2 电平提升电路

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 峰值检测电路

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：

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 抗混叠滤波器

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。