一、项目介绍

• 设计一款音频信号采集前端电路
• 使用ADALM2000模拟套件中的器件实现
• -被测音频信号范围：

         信号幅度：0.1mVpp到1Vpp(实现)

         信号频率：100Hz到16KHz(实现)

• 搭建一个带通滤波器，滤除高频和低频部分(实现)
• -ADC采用套件中的AD7920，转换率设定为96Ksps(没实现，只用M2K进行单次读取)
• ADC前端需要一个抗混叠滤波器，需要设计合适的截止频率（实现）
• 使用套件中的Micro USB适配器通过USB给面包板供电（笔记本噪声大，暂时没用）
• 运算放大器可从套件中提供的几个型号中选用（ad8542）
• 模拟开关可以使用MOS管搭建，可以尝试将完成前端调理的信号，经过一个隔直电容从3.5mm接口输出(没实现)
• 设计电路并使用LTSpice或CircuitJS对电路进行仿真（使用LTSpice仿真）
• 对设计的电路进行测试验证（已进行）
• -鼓励有单片机的同学将ADC采集到的数据波形显示出来（时间紧，没实现）
• 可以用套件中的麦克风进行测试、演示

二、设计思路

1、首先了解了一下驻极体麦克风的原理以及常用的外围电路

驻极体麦克风是最常用的电容麦克风，和其他麦克风一样，用于将微弱的声音振动转换为微小脉动电信号的设备。

特点是：

• 体积小
• 结构简单
• 电声性能好
• 性价比高

基本构成：

主要由两部分组成：声电转换部分和阻抗变换部分，具体如下图所示：

如上图所示，驻极体麦克风的基本结构由驻极体薄膜、带孔背电极和内置场效应管组成。驻极体和带孔背电极组合为一个平行板电容器，其实就是一个可变的电容。

驻极体麦克风原理：

由于电容器的容量很小，输出的电信号是非常微弱的，它的输出阻抗也极高（可达数百兆欧以上）。因此，它不能直接与音频放大电路连接，为了增强带负载能力，必须连接一个阻抗变换器，所以通常会内置一个场效应管电路进行阻抗变换。

驻极体麦克风单端式电路设计：

如上图，麦克风的偏置电压2.0V经过一个串联电阻2.2K接到麦克风的正极，负极直接接GND。这个电路也在各种原理图中被看见，这里主要说明的是2.2K电阻是什么作用呢？这个电阻给mic里面的FET提供一个直流偏置电压，让FET工作在饱和区，完成放大的功能。

极性判断：

在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至R×1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。（万用表的内电源的正极与万用表的“—”插孔连通，内电源的负极与万用表的“＋”插孔连通。）

2、学习市面上常用的放大电路

• 下图是max4466组成的麦克风前置放大电路原理图，它采用单电源供电，放大倍速可以通过可调电阻进行调节。

• 下图是SPQ0410HR5H-B这款硅麦克风加上MCP6022运放构成的前置放大电路，基本组成和上图类似，只是下图是两级放大，上图是单极放大，对于单极放大器来说，如果增益带宽积不够大，那么较大的放大倍数会造成带宽较窄，所以设计放大电路时要根据实际运放的性能来设计放大级数。

• 下图是TI的一篇文章，在这篇文章中可以看到转折频率FL由C1，C2，R1,R2,R3共同决定，FH由运放的增益带宽积和R1、R4共同决定。文章链接

3、参考以上设计给出自己的电路

其中V1模拟麦克风和2.2K电阻的分压，C2隔离直流分量，R3、R4将输入的信号偏置到电源的一半，R7和C4构成低通滤波器，R2、R1设置放大倍数，C1隔离反馈信号的直流分量，同时C1、C2、R1、R3、R4的组合拥有高通滤波器的功能，由于AD8542的增益带宽积只有1M，高放大倍数下不能满足带宽的要求，故增加另一极放大，另一极电路中R5为50K的可调电阻，目的是实现放大倍数的可调节功能，C5和C3并联实现电容的加法，因为实际电容较难买到3.2uf;R8和C6构成ADC采样前的抗混叠滤波器，因为ADC的采样率设置为96KHz,根据奈奎斯特定理，设置滤波器的截止频率为48KHz。对R5从1Ω到50K扫描，步进为10K，交流仿真结果如下：

由于为了方便焊接，一些电阻电容值采用常用值进行替换，从仿真结果看通带近似为100-1.6KHz

实际电路搭建采用洞洞板和0603的电阻电容，实物如下

采用M2K网络分析仪进行了一猜扫描，结果如下：

从测试结果中发现，实物与仿真并不完全一致，经过思考，我认为不一致的主要几个原因是仿真中的信号没有内阻，而实际的麦克风有一定的内阻，我设置的R3、R4偏置电阻过小，使得输入阻抗较大，后级得到的信号较小；焊接的电容电阻都有一定的容差；洞洞板电路本身的性能限制；M2K网络分析仪激励信号的幅度等因素。

接下来使用M2K模式发生器、逻辑分析仪和数字IO口单次验证了AD7920，由于时间紧张，并未使用STM32或者FPGA读取ADC数据显示到电脑屏幕上。

三、心得体会

经过11节课程的学习，确实极大地拓展了我的视野，我学会了模拟前端部分的组成、设计思路、工具使用。以前我做电路不注重仿真，有些电路基本是凭借“经验”来搭或者抄手册里的参考设计，我也不太注重工具的使用，设计的效率和成功率难以保证。

关于麦克风前端电路的设计，刚开始我也是一头雾水，因为模电课本上很少讲解类似的电容耦合的交流放大电路，大多时直接耦合的放大电路。经过这次小任务的训练，我对运放的理解很深刻了一些，但是我也认识到自身理论知识的不足，我难以计算出电路中各器件的参数，多数是靠仿真“试”出来的，我现在更明确了今后努力的方向，就是扎实理论知识，例如电路原理、信号与系统、数字信号处理、电磁场理论等学习，我也深刻认识到了模拟链路设计的难点，体会到了没有理论知识的支撑寸步难行。