大学生完成电子设计全过程音频信号分析.docx

1、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

2、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：50 （2）输入信号电压范围（峰-峰值）：100mV5V；（3）输入信号包含的频率成分范围：200Hz10kHz。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

3、开发板，所以作者决定采用TI公司的DSP TMS320F2812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03V，而题目要求的输入范围为100mV5V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

4、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TimKalthoff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

5、一样，作者一开始想到两种方案：1OPA + 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

6、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

7、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OPA

8、128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

9、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

10、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

11、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EE1643C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

12、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

13、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|（%）20.4711.4m10.4m8.820.5852m53.3m2.520.61980m1.024.11.961k12m10.4m13.31.984k116m112m3.41.992k1.041.021.910.07k11.8m9.48m210.18k48.8m45.2m7.410.16k544m530m2.6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，20062 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，20063 德州仪器公司(中国)官方网站学习资源