大学生完成电子设计全过程音频信号分析.docx

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大学生完成电子设计全过程音频信号分析

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DSPTMS320F2812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。

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33MMHz而OPA4131是4MHz，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《FilterProTMMFB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-TI7.0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TINATI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TINA7.0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TDS1002B、新联EE1643C函数信号发生器、FLUKE五位半台式万用表、新联EE1461DDS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