一、项目需求
- 设计一款 - 音频信号采集前端电路
- 使用ADALP2000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
- 信号频率：100Hz到16KHz
- 搭建一个带通滤波器，滤除高频和低频部分
- ADC采用套件中的AD7920，转换率设定为96Ksps
- ADC前端需要一个抗混叠滤波器，需要设计合适的截止频率
- 使用套件中的Micro USB适配器通过USB给面包板供电
二、整体设计思路
- 信号幅度为0.1mV 到1V，其最大电压与最小电压幅度的比值为10000，而AD7920是一个12位的ADC器件，最大电压与最小分度值的比值为4096，因此AD7920的量程小于信号的变化范围，因此需要在前端采集电路中需要一个增益调节的电路。
- 由于输入信号频率为100Hz到16kHz，需要使用一个带通滤波器以避免直流以及远超出信号范围的高频信号的影响。
- 由于AD7920转换率为96Ksps，因此根据奈奎斯特采样定理，其只能不混叠的采集到48KHz以下的信号，因此需要将抗混叠滤波起得截止频率设计在该频率附近。
- 供电由Micro USB来供电，该器件的供电为GND、+5V，因此使用的器件需要单电源+5V供电，或者使用稳压器等来获取所需电源。
- 切换增益调节，需要使用模拟开关，在该项目中需要使用MOS管来实现。
三、整体电路框图
- 衰减、开关电路控制整个电路的增益大小
- 滤波电路滤去过大或者过小频率的信号
- 放大电路提供信号的增益
- 电源框图
仿真电路
实际电路
在该电路中的两条蓝色杜邦线是为了接0V/5V从而控制MOS管的开关，选择电路的通断
四、电路设计
4.1 麦克风驱动电路
在该项目中使用的麦克风为驻极体麦克风，内部装有结型场效应管，必须提供直流偏置电压电压才能正常工作。在该项目中，可以使用如下电路来完成麦克风的驱动。
其中信号源为麦克风内部的驻极体头。
4.2 衰减电路
在该电路中，由于放大电路的放大倍数恒定不变，因此为了改变增益大小，需要通过两个不同档位的衰减电路来对输入信号进行衰减。因此设计了2:1和50:1的两级的衰减电路。
4.3 开关电路
在该项目中，由于需要切换增益大小，因此需要一个开关来对后续电路进行切换。但是在ADALP2000中没有模拟开关，因此需要使用mos管来完成开关的功能。
因此可以设计电路如下：
4.4 滤波电路
由于我们测量信号，希望被测量的信号与输入的信号完全一致，不会受到滤波电路的影响，根据示波器的5倍原则，滤波电路的通带应为20Hz-80kHz，所以中心频率约为1.2kHz。同时我们希望通带尽量平坦，因此选择通带最为平坦的巴特沃斯滤波器。为了将让通带以外的信号尽可能的衰减，因此我们可以设计2阶的带通滤波器来对进行滤波。
因此，可以使用ADI官网上的滤波器设计软件Analog Filter Wizard，填入所需参数，可以得到相应的滤波器电路。
4.5放大电路
由于放大电路后端与ADC相连，一般我们使用CMOS运放来驱动ADC，因此我们可以选择AD8542。
根据衰减电路，我们可以将放大电路的放大倍数设计为×50倍，根据AD8542的手册可以知道，该芯片的增益带宽积为980kHz，又因为输入信号的最高频率为16kHz，因此我们可以知道16k×50=800KHz，该芯片可以满足要求。
根据同向放大电路的计算公式
5×R4/（R2+R4）×（R3+R1）/R1=1.6
1×R2/（R2+R4）×（R3+R1）/R1=50
因令R3=470Ω，可以得到如下电路：
4.6抗混叠滤波器
由于ADC的采样率为96kHz，根据奈奎斯特采样定理可知，其采样的信号在高于48KHz的信号会发生混叠，因此抗混叠滤波器的截止频率应为40KHz左右。
可得：
1/RC=40K
同时在ADC前的电阻应为10-100Ω，根据ADALP2000中的电阻与电容可得如下电路
4.7电源电路
在该项目中除了5V的供电电压以外还存在滤波器中间的2.5V参考电压和ADC参考电压3.3V，因此我们需要设计两个电源相关电路。
4.7.1 2.5V电源电路
根据ADI公司的Analog Filter Wizard，该软件设计单电源供电的有源滤波器时，会有一个提供直流偏置的电路，该电路可以满足我们对于2.5V直流偏置的要求，因此我们可以得到如下电路
由于ADI官网中间没有OP97的spice模型，这里使用了与其相似的OP27来绘制电路图，实际使用的时候，可以根据ADALP2000中的芯片，将该电路中的OP27替换成OP97即可实现2.5V电源的供电电路。
4.7.2 3.3V电源电路
3.3V电源电路可以使用ADP3300芯片，ADALP2000中，该芯片为ADP3300-3.3V的类型。我们可以直接参考ADP3300芯片手册中的参考电路完成该电路的搭建。
五、仿真及测试截图
由于整个系统电路较为复杂，仿真时间较长，因此分为三个部分分别进行仿真测试。
5.1 仿真测试
（1）2:1衰减
（2）50:1衰减
（3）有源滤波器频谱
（4）放大电路
5.2实际测试
（1）2:1衰减
（2）50:1衰减
（3）有源滤波器测试
（4）放大电路
六、主要难题
- 在本项目中，主要难点是对于元件包中的芯片以及麦克风、音频接口等都不够了解，花费了较多的时间对其进行选型以及查找引脚定义和接线图。
- 由于使用的是micro USB进行的单电源+5V供电，由于单电源供电，因此在电路中有许多地方需要增加偏置电压来保证信号可以正常通过NMOS管和运放芯片，这给设计电路增加了许多偏置以及电源相关的电路。
七、改进方向
在本项目中，由于目前手中没有单片机，也没有可以做数字逻辑分析的仪器，因此不能够将ADC采集到的数据波形显示出来。其次，由于时间原因，只使用了面包板完成了电路的搭建，但是可能是由于面包板本身的分布参数的影响，虽然在电路中已经加入了许多去耦电容，但是实际电路中间仍然存在着一些难以去除的的噪声，这会造成ADC采集到的数据有一定的偏差，如果使用PCB板应该可以在一定程度上改善该问题。最后，由于个人能力的问题，其中许多电路设计存在一定的问题和简化。例如，可以考虑使用差分输入，并使用AD8226等芯片或者使用两个OP484运放芯片进行差分转单端信号，还有衰减电路应该尽可能的要平衡电容的影响，但是实际设计时，由于电容的计算相对比较复杂，而且目前手里的不同容值的电容数目较少，难以完成电容部分的搭建与测量，同时，信号频率较低，电容对整个器件的影响非常小，因此没有专门设计。还有ADC的参考电压源，应该使用稳定性更高的基准电压源，但是由于时间原因，该电路中只使用了线性稳压源来提供电压。还有在该电路中使用了mos管来进行切换档位，实际可以使用单片机来控制栅极电压从而来控制电路通断，但是由于时间原因，只做了通过杜邦线的连接从而改变电路通断的设置。在实际电路中，信号的衰减与放大与仿真结果有一些偏差，这个可以通过多次测试来确定实际的放大衰减比例。
