一.项目介绍  

1.项目要求介绍：

音频信号采集前端电路的目的是：在如下特征的音频信号输入时，采用带通滤波器，以保证后端ADC:AD7920能进行正确的信号采集。

2.项目要求分解以及硬件实现过程： 

1. 音频信号源的硬件设置

a. 根据AD7920的SPEC，AD7920的供电电压是 2.35 V to 5.25 V，模拟输入为-0.3V~Vdd+0.3V，由此需要提前准备前端输出电压不能超AD7920的SPEC要求。

b. 根据ADALP2000套件中驻极体麦克风的SPEC，了解到音频信号频率大概为100HZ~16000HZ，在此处说明：选取输入的音频信号源有多种选择，比如直接用电脑的耳机接口，在电脑中用软件模拟音频信号输出，也可以根据题目要求，采用套件中的麦克风，但是如果采用驻极体麦克风，需要根据SPEC要求，在麦克风输出端加2V的偏置电压，并且需要加电容隔离直流电压。在此处，我选用了10uF的隔离电容，这样会有大约1V的电压输出（根据后面带通滤波器的设置来进行匹配）

2. 带通滤波器的硬件设置 

a. 首先了解带通滤波器的设置工具，根据课程中的讲解，目前有LC Filter Design Tool和Analog Filter Wizard等，因为这次选用的是ADI的套件，个人认为原厂的配套性最好，因为选用Analog Filter Wizard。

  这个网页工具的使用比较简单，硬禾课堂有非常详细的讲解：

首先，根据需求，选择滤波器的类型（高通，低通，带通），此处选择带通后，进行指标设置，在此处有个-3dB的最低截止频率需要设置，有个计算公式：10^[(log 20k + log 20)/2]，另外根据自己的实际需求，设置频率范围，这个频率范围只要是根据后续在LTSpice模拟中的结果进行调整。在指标这栏其他设置保持默认。（请教了解到：此处音频频率范围是用20HZ~20KHZ，另外stopband的依据是：你最不想要的频率在哪个频点，以及需要衰减多少倍这两个参数决定），另外需要注意在Filter Response中，可设置滤波器类型，根据实际情况看需要分为几部分，这里我选用的是2 stages.

接下来进行器件选择：设置供电电压，根据实际情况，此处使用USB供电，所以会有+5V供电，但是因为器件和时间的限制，-5V暂时没有研究，不过按SPEC说明，可以尝试使用套件中的LT1054来输出-5V，在这边我选用的电压是+5V和0V，此时右边已经出现了参考的线路，这时候，根据实际情况，自己选择器件类型，这里我选择的是AD8542，再设置stages，其中A和B都需要调整，已满足已有的器件型号。

第三步的Tolerance不作过多介绍，一般按默认设置即可。

最有一步的选择，一般按自己需求导出文件，如果线路中用的某个元件没有LTSpice symbol，那就不会导出LTSpice文件，同时会提示，比如如果选用OP97，那就没有LTSpice文件

最终在面包板上搭建的硬件如下：

二.项目要求分解以及软件需求：  

按照题目要求搭建硬件完成后，已经可以在滤波器输出端能用万用表交流档测量到信号变化，但是如果可以的话，还是想能通过连接ADC，抓到ADC的数据。

在这边，先去AD7920的页面确认：可以看参考线路和驱动代码，这里的驱动是C的，尝试了STM32和RP2040（Arduino和Thonny Micropython），发现使用硬禾学堂的RP2040游戏机平台，使用Arduino时，会偶尔有数据输出，但是因为一次频率设置错误，RP2040游戏机平台连接电脑端口丢失，后面一直无法找到端口，最后重新直接用RP2040 Pi Pico，使用Thonny编译，使用micro python，会有数据输出，但是一直没有有效数据，都是X00，还需要进一步确认问题，这里先把已经做的这部分程序附在文章后面供参考。

ADC和单片机的连接：

因为ADC采用了SPI总线，但是只有3个端口:CS，SCLK，SDATA，所以对于主机RP2040来说，也只需要连接MISO/SCK/CS即可。

当使用MIcroPython时，需要先载入对应的库文件：

from machine import Pin, SPI
import utime

再进行Pin定义和总线的初始化：这里总线初始化的信息需要从SPEC和AD7920 driver中来确认

# 定义SPI相关引脚
spi_clk = Pin(2)   # CLK引脚
spi_miso = Pin(4)  # MISO引脚
spi_cs = Pin(1)    # CS引脚

# 初始化SPI0
spi = SPI(0, baudrate=1536000, polarity=0, phase=0, sck=spi_clk, miso=spi_miso)

# 设置AD7920 CS引脚为输出模式
spi_cs.init(Pin.OUT)

另外也需要定义寄存器位置，AD7920 Driver中对寄存器的定义如下：

# 辅助函数：向AD7920发送命令并读取数据
def AD7920_GetRegisterValue():
    data = bytearray([0x03, 0x00, 0x00])  # 定义存储数据的字节数组
    receivedData = 0x00  # 初始化接收数据的变量
    # 将spi_cs引脚置为低电平
    spi_cs.value(0)
    # 通过SPI总线读取AD7920返回的数据
    spi.write_readinto(data, data)
    # 将spi_cs引脚置为高电平
    spi_cs.value(1)
    # 将data[0]左移8位后的值加到receivedData上
    receivedData += (data[0] << 8)
    # 将data[1]加到receivedData上
    receivedData += data[1]
    return receivedData

三.效果演示

硬件上，可直接测量到ADC的前端输出如下，使用万用表的交流档，当对着麦克风吹气时，交流档上能显示会有最大约0.9V的交流输出，如下：

程序输出目前是这样的，现在调试后已经可以看到数据输出了，在Thonny中也可以看到声音变化时图形的变化，源码更新在附件中

四.第一阶段的学习总结

这是模拟电子前端工程化这个课程的第一阶段作业，主要以ADALM2000的线路为示例，系统学习示波器的线路原理和信号处理方法，在第一阶段，围绕ADC学习了相关概念，包括ADC的关键技术指标，示波器前端的信号处理方法，探头原理，频带处理，基准源等概念，其中介绍到的LTSpice是一个关键的工具，对信号模拟有很重要的作用。

经过第一阶段的学习和实际使用，对ADC，运放，滤波器，信号源，电压源等有了更深的认识，也是一次根据需求到实现电路的完整过程，当然也借助了ADI的工具（Analog Filter Wizard和LTSpice），这和我们实际工作的过程很类似:根据客户需求，做到对应功能的线路，并根据实际情况进行元器件的调整，个人感觉，这个经验对于从学校出来刚进入工作的同学会非常有帮助。因为个人原因，做的线路很仓促，里面有很多值得改进的地方：比如可以设置-5V，哪怕多一些器件，这样有+5V/-5V，尝试用LTSpice模拟了一下，发现前端滤波器输出信号更完美，实际工作中，这种情况就需要做权衡，因为BOM成本会增加，如果客户不同意，那就只能妥协输出信号的质量。另外还可以选择读取ADC的单片机，如果正常低端的51单片机可实现，就不需要用泛用性差点的RP2040，更不需要昂贵的STM32了。