模拟电路工程化设计课程 第一部分 音频信号采集前端电路 实物展示

实现功能

测量音频信号，音频信号从3.5mm接口的1，4号引脚输入

信号幅度0.1mVpp-1Vpp

信号频率 100Hz-16kHz

搭建一个带通滤波器，滤除高频和低频部分

使用esp32c3单片机采集信号，并通过串口发送到电脑。

使用vofa上位机软件显示信号波形。

输入信号 16kHz 0.2Vpp单片机的采样率偏小，输入频率增大的时候可以观察到混叠现象。

输入信号 1kHz 0.2Vpp

音频信号的采集，这里截图不是很清楚，视频中可以看到音频信号的特征还是很明显的。

原理思路

1.运放的选型。由于选择的电源电压是3.3V，尽量选择轨到轨的运放，是能充分使用更大的信号范围。其次，注意到adalp2000里的运放，增益带宽积区别很大。ad8542 分Gain Bandwidth Product是1MHz，可以满足题目要求。

2.供电部分使用单片机开发板上引出的3.3V电源。运放使用单电源供电。单电源供电会损失一定的性能，达不到手册中标注的增益带宽积，但是使用单电源供电电路简单，并且不需要负电源。

3.信号抬升，使用两个47k电阻分压，获得3.3V/2 = 1.65V电压，输入的电压抬升至1.65V。并且使用一个1uF的去耦电容，滤除来自电源的噪声。这里R5//R4和C3也能看成是一组高通滤波器，C3选个大一点的电阻就可以确保截止频率在通带外。

4.滤波器的计算。这里选择一阶巴特沃斯滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有纹波，而在阻频带则逐渐下降为零。其次，一阶巴特沃斯滤波器使用f=1/2*pi*R*C这个公式来确定截止频率。由于adalp2000的套件内电阻电容有限，这里用一个excel表格来计算能使用的电阻和电容。

5.计算放大倍数。ad7920输入电压范围时0-Vdd，这里选择了3.3V电压，ad7920最小能分辨的电压为3.3/2^12 = 0.81mV。如果要测到0.1mVpp的电压，再留一定的裕量，运放的放大倍数为10倍，可以满足题目要求。电压放大倍数约为Rf/Rg。C1与R1串联可以隔离反馈环路中的直流信号，仅放大交流信号。最终的输出电压表达式为Vout=1.65+10*Vin。

这里要满足G=Rf/Rg的近似，需要Rg和C1组成的高通滤波器，截止频率在通带外。这里满足100Hz的要求即可。参考了ad4891数据手册中的一个typical design。

6.阻抗匹配。使用一个1Mohm的电阻进行阻抗匹配，此时前端电路的输入电阻约为1Mohm。

单片机代码

单片机平台使用合宙esp32-c3开发板，开发板自带一个串口芯片，通过uart0来下载代码合调试代码。单片机通过spi接口连接ad7920，这里有一个坑，esp32的spi有四种spi mode，官网手册里没有写出这四种spi mode 的区别，最后在csdn找到了解决方法。不同的spi mode用于data信号和cs信号的极性匹配，对照spi mode 和ad7920手册中的时序图，可以选出正确的spi mode。

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "driver/spi_master.h"
#include "esp_log.h"

#define PIN_NUM_MISO 10
#define PIN_NUM_MOSI -1
#define PIN_NUM_CLK 2
#define PIN_NUM_CS 7
#define AD7920_HOST SPI2_HOST
#define PIN_LED0 12
#define PIN_LED1 13
#define GPIO_OUTPUT_PIN_SEL ((1ULL << PIN_LED0) | (1ULL << PIN_LED1))
#define PIN_BOOT0 9
#define GPIO_INPUT_PIN_SEL (1ULL << PIN_BOOT0)
#define ESP_INTR_FLAG_DEFAULT 0

void gpio_output_init()
{
    gpio_config_t io_conf = {};
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    io_conf.pin_bit_mask = GPIO_OUTPUT_PIN_SEL;
    io_conf.pull_down_en = 0;
    io_conf.pull_up_en = 0;
    gpio_config(&io_conf);
}

static xQueueHandle gpio_evt_queue = NULL;

static void IRAM_ATTR gpio_isr_handler(void *arg)
{
    uint32_t gpio_num = (uint32_t)arg;
    xQueueSendFromISR(gpio_evt_queue, &gpio_num, NULL);
}

void gpio_input_init()
{
    gpio_config_t io_conf = {};
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_ANYEDGE;
    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;
    io_conf.pin_bit_mask = GPIO_INPUT_PIN_SEL;
    io_conf.pull_down_en = 0;
    io_conf.pull_up_en = 1;
    gpio_config(&io_conf);
}

static void gpio_task_example(void *arg)
{
    uint32_t io_num;
    for (;;)
    {
        if (xQueueReceive(gpio_evt_queue, &io_num, portMAX_DELAY))
        {
            printf("GPIO[%d] intr, val: %d\n", io_num, gpio_get_level(io_num));
        }
    }
}

void gpio_isr_init()
{
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_DEFAULT);
    gpio_isr_handler_add(PIN_BOOT0, gpio_isr_handler, (void *)PIN_BOOT0);
}

void app_main(void)
{
    gpio_output_init();
    gpio_input_init();
    gpio_isr_init();
    gpio_evt_queue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
    xTaskCreate(gpio_task_example, "gpio_task_example", 2048, NULL, 10, NULL);
    // spi
    esp_err_t ret;
    spi_device_handle_t spi;
    spi_bus_config_t buscfg = {
        .miso_io_num = PIN_NUM_MISO,
        .mosi_io_num = PIN_NUM_MOSI,
        .sclk_io_num = PIN_NUM_CLK,
        .quadwp_io_num = -1,
        .quadhd_io_num = -1,
        .max_transfer_sz = 16 * 10};
    spi_device_interface_config_t devcfg = {
        .clock_speed_hz = 10 * 1000 * 1000, // kHz
        .mode = 3,                          // SPI mode
        .spics_io_num = PIN_NUM_CS,         // CS pin
        .queue_size = 10,                   //
    };

    // Initialize the SPI bus
    ret = spi_bus_initialize(AD7920_HOST, &buscfg, SPI_DMA_CH_AUTO);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);
    // Attach the device to the SPI bus
    ret = spi_bus_add_device(AD7920_HOST, &devcfg, &spi);
    ESP_ERROR_CHECK(ret);
    printf("Minimum free heap size: %d bytes\n", esp_get_minimum_free_heap_size());

    int cnt = 0;
    while (1)
    {
        // printf("cnt: %d\n", cnt++);
        vTaskDelay(0.01 / portTICK_RATE_MS);
        // gpio_set_level(PIN_LED0, !(cnt % 2));
        // gpio_set_level(PIN_LED1, cnt % 2);
        spi_transaction_t t = {
            .length = 16,
            .rxlength = 0, // 0 defaults this to the value of length
            .flags = SPI_TRANS_USE_RXDATA,
        };

        spi_device_polling_transmit(spi, &t);
        uint16_t receivedData = 0x00;
        receivedData += (t.rx_data[0] << 8);
        receivedData += t.rx_data[1];
        double voltage = receivedData * 1.0 / 4096 * 3.3;
        printf("%lf\r\n", voltage);
    }

}

仿真结果

瞬态仿真主要观察信号的时域特征，重点观察信号有没有正确抬升至1.65V。

16kHz 0.2Vpp

100Hz 0.2Vpp

2kHz 0.2Vpp

频域仿真重点观察通带内的幅频响应，100Hz-16kHz通带内的平坦度。在100Hz和16kHz处应该出现3dB的衰减。

频域仿真放大倍数理论上应为20dB，但是仿真曲线显示放大倍数只有1dB左右，曲线特征基本正确

遇到的问题

1. 在ad7920的Vin脚测得的信号中包含了一个高频的毛刺。示波器开启20MHz的软件滤波器后，毛刺现象减弱。这个毛刺也很头疼，不知道从哪里来的。

1. 无法测量小信号，手头上没有能产生0.1mVpp的信号发生器。手上最小只能测到0.2Vpp，没有能成功测试到最小分辨信号。而且使用3.5mm音频口产生信号会有一个10mVpp噪声，电脑此时静音，这个噪声不知道怎么消除。推测这个信号来自与电源，某种程度上和usb解耦耦合。
2. 没有做增益的切换，理论上10x和1x增益可以实现0.1mVpp-1Vpp的要求。尝试了使用mosFET搭建模拟开关，但是没有成功。如果使用模拟开关，可以更简便的实现增益切换的功能。
3. 不是很熟悉esp32的编程，采样率最多只能跑到10kSps左右。不知道使printf占用了时间还是单片机的spi跑的不够快。freertos也不是很熟悉。之前大部分上手项目都是裸机开发，但是项目复杂的情况下，freertos能更好的解决问题。
4. 时间上不足，虽然已经参考github完成了u8g2的移植，但是还没有实现屏幕显示，将来可以使用抽帧的方法把信号显示到0.96inch的小屏幕上。选购的这款ssd1306是IIC接口，应该选择SPI接口来获得更快的刷新率。

总结

在实现本项目的过程中，参考了杨建国老师的《你好，放大器》，曾经阅读过一边但只是之上谈兵，这次项目过程中重读了一遍，更深刻的理解了书中讲解的运算放大器的噪声和误差。也参考了adi官方的一些datasheet，一些typical design对我的启发很大。datasheet中layout的知识也很丰富，如果时间充足，进行pcb制板，前端电路的性能讲更加优越。

项目实现了部分题目指标，由于本人水平欠佳，没有实现所有的题目要求。通过这次的项目经历，我熟悉了如何为ad设计一个前端模拟电路。在群里和大家讨论模拟电路设计的相关问题，让我这个模拟电路初学者获益良多。非常感谢硬禾能提供的这样一个学习机会，希望大家共同进步！