大学生完成电子设计全过程

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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 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。

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 MFB及Sallen-Key低通滤波器设计程序》,可是按照文章的方法操作还是无法让软件工作。直到现在为止还不知道为什么,可能是因为个人水平问题,希望有用过该软件的朋友交流交流。

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 7.0进行方案验证

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 TI对设计方案进行仿真验证,作者选择TINA的原因是,它比PSPICE更适合初学者,并且TI的官方网站有大量的文档使用该软件进行仿真测试。

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 7.0仿真后发现结果还是很令人满意,经过参数微调后决定了一下电路。

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:

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:

五、测试仪器及测试数据

5.1 测试仪器

从上至下是:泰克TDS 1002B、新联EE 1643C 函数信号发生器、FLUKE 五位半台式万用表、 新联EE1461 DDS信号发生器(没有使用)、MATRIX 实验室用直流稳压电源。

5.2 部分测试数据

5.2.1 幅频特性测试

示波器测量频率

示波器测量峰峰值

仿真设置频率

仿真峰峰值

10.14kHz

976mV

10.2kHz

960mV

14.10kHz(-1dB)

888mV

14.1kHz

871mV

16.95kHz(-3dB)

704mV

17kHz

676mV

31.20kHz(-20dB)

100mv

31.1kHz

86mV

55.71kHz(-40dB)

10.2mV

56kHz

8.3mV

-3dB点,输入信号峰峰值为1V,16.95kHz。

从结果看,测试结果和TINA的仿真结果相当接近。

5.2.2 峰值检测误差测试

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。

输入信号频率(Hz)

示波器实测幅值(V)

PKD输出平均值(V)

|相对误差|(%)

20.47

11.4m

10.4m

8.8

20.58

52m

53.3m

2.5

20.61

980m

1.02

4.1

1.961k

12m

10.4m

13.3

1.984k

116m

112m

3.4

1.992k

1.04

1.02

1.9

10.07k

11.8m

9.48m

2

10.18k

48.8m

45.2m

7.4

10.16k

544m

530m

2.6

输入信号幅值256mV、10.10kHz,峰值检测结果244mV。

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

[1] 瞿安连.应用电子技术.科学技术出版社,2006

[2] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础(第四版).北京:高等教育出版社,2006

[3] 德州仪器公司(中国)官方网站学习资源