原创 【博客大赛】【原创】设备开发之数电模电

这是我以前在该论坛发的一个帖子，当时只写了模电，可参考http://bbs.ednchina.com/FORUM_POST_33_175822_0.HTM 今天看到这个活动，开下博客，再发下，附加上数电。这几天天天加班，没时间了，以后有空补充上操作系统篇吧。

模电篇

早在大学就学过模电，真正需要用的时候，只留给我二极管，三极管，放大器这几个淡淡的印象，书到用时方恨少。
第一个涉及到模电的事是几年前要设计一个信号源，信号脉宽可由单片机或外接信号源控制，纯数字电路逻辑上并不复杂，不过脉冲幅度需要达到±80V。这归根到底难在±80V电压和数字信号的以小博大上。超过36V我就害怕了，于是想到了电路仿真，这也是我第一次真正使用Mutisim了。该软件是大名鼎鼎的EWB的升级版，用的人多，资料还算丰富，半天就可以入门了。后来听说这个软件被NI收购了，虽然D版的依然很容易找到，不过ADI、TI提供免费的同类软件，也足够使用了。此电路仿真也可分为电源和放大两个重点，各个击破，网上的资料还是蛮多的，鉴于类似线圈的变压器和电感没有现成的，我当时也不熟悉，只考虑二极管、三极管、电容、电阻。靠着多次抄袭、验证、调整，居然在半个巴掌大的面包板上搞定了。
一般要完成一件事情，可以分为资源，技巧，能力三个层次，上述的设计纯属技巧了，用软件仿真，不行就换电阻，电容，也是上天保佑，没有隔离，也没出事。后来设计某总线设备时，就想到了专用芯片了，随便百度下接口电压转换芯片，找便宜的，容易焊接的，容易更换的，挑中了CD40196B，只是没有自带短路保护功能，我当时也没想过自己做个，呵呵，亏得芯片便宜，在烧了一打芯片后，也搞定了。
真正深入涉及模电的应该是今年，要设计一个10入10出16位精度的设备，首先查到的便是ADI的AD2S99，AD2S1200等专用芯片，更方便的是有专门的模块，12，14位精度的有不少，不过这些芯片和模块还真不便宜啊，貌似预算还不够把这些模块买全，在考虑了很久后，决定依靠AD,DA,OP实现，这不是靠资源和技巧就能实现的，模拟电路，从此便要从能力这个层次去学习研究了。
抬头看路后才能埋头拉车。查阅了上百篇自整角信号相关的资料之后，去粗取精，在模电方面，居然没有几篇实用的，莫非模电已难入大雅之堂了。后来查找万用表、示波器方面的资料，才涉及多些，但所有的这些都是皮毛，没有太多详细到实用的。查阅ADI,TI公司网站的AN，零零碎碎，每篇都有点用，但不成体系，总有种只见树木不见森林的感觉。大学模电教材也不行，太过于笼统，实际问题还是不能解决。
模拟电路这方面有众多分类、厂家、产品，主要涉及AD,DA,OP，电源买现成的就够用了。ADI和TI都有大学计划，资料较多，他们的产品足够了用了，当时在当当，卓越上买了不少冤枉书。书分几种，从学术上讲，著书最好，编著次之，编再次之，模电是种成熟的技术，面广而相对算法不深，编的有不少好书。恕我不才，推荐几本书：
高天光主编的《ADI产品应用技术丛书》，一套好几本，能够了解ADI模电体系，进而了解整个模电体系，用以入门。此套丛书可以粗略查阅，值得收藏，不过貌似已经绝版了。
孙肖子主编的《模拟及数模混合器件的原理与应用》，分上下册，能够了解TI模电体系，特别是1.7节放大器稳定性讨论，让我知反馈电容的所以然。这套书刚出不久，很容易买。
科学出版社的实用电子技术丛书，特别是铃木雅臣写的《晶体管电路设计》，也是上下册，虽然是日本人写的，但绝对是好书，了解晶体管的工作，运放还不是小意思。此书值得细细研读，相对简单易懂，我连续看了半个月，觉得这才叫模电精髓。
电路的实现还需要依靠PCB和焊接。PCB是门艺术，绘制原理图时就要对PCB布局心中有个大概，要不然布线就难了。焊接是个基本功，现在高速高精度的芯片基本上都是贴片，有时0805的电阻电容都不太好布线，更不必说直插的元器件了，不过我还焊不了0402。
AD、DA是数模间的桥梁，其接口的实现要精通其时序关系。ADI和TI都推荐自己的DSP，有不少DEMO可以模仿，但目前我手上只有FPGA开发板，虽然对照DATASHEET以组合逻辑的思维写时序很麻烦，但嵌入一个NIOS，以指令式的思维写时序就容易点了。
数电发展太快了，即便是FPGA嵌入多个微处理器，都可以用逻辑关系来表达，很容易分成众多互不干扰的模块，各个击破，况且很多模块无需修改可直接应用现成的，不用考虑匹配耦合等，甚至只要懂得C语言就可以模仿做出一块可用电路了。
模电必须全盘考虑，每个部分性能不同，大到采集卡，小到三极管都要用它线线关系最好的那段，各模块之间影响太大，一着不慎，满盘皆输，但发展的时间更悠久，更成熟，有时可很简洁地实现数电方能实现的复杂功能。模电涉及的知识面太多，要懂得晶体管设计，放大器设计，AD/DA体系，仿真以及电路板设计，焊接，电容等元器件选型，极小批量购买等众多知识，最后才能做出一块实实在在的可用电路。
在这个数字化时代，模电相对应用少了，但可能是瓶颈，模电可简单实现高性能，数电可简单实现复杂逻辑，通吃便无敌了。 

数电篇

数字化时代，数字电路应用越来越广，手机，电脑，电视，汽车，无处不在。没有数电，就没有今日之世界，
大学里面的数电比较基础，留给我最深的印象就是与门，非门，然后可以由集成电路设计一个红绿灯了。到了工作中，就不是那么简单了。现代数字电路大致分为MCU，DSP，FPGA这三大支，各有特色。
MCU中最鼎鼎有名的就是8051单片机，最早接触时是看到有同事用它做一个编码器，当时感觉很高级，长见识了，就这样一个小小的芯片能够实现复杂功能，最令我高兴的是可以修改无数次。后来听说当时七楼的用的是16位的单片机，更感高级，觉得有必要学习，否则就落后于这个时代了。网上8051的资料多如牛毛，开始逢资料便下载，后来见了入门两个字便不再看，再后来就留那么一两本以便查阅。我是个懒惰的人，开始看汇编，后来发现除了汇编还可以用C写代码，于是就不再看汇编了。
有段时间，喜欢在淘宝上逛，权当坐在家里逛街。买了个虚拟示波器，双通道，100k，还带红外检测，到手一看，居然只有P89LPC935+OP+CP2102三个芯片，赠送的VB程序很简单，单片机程序更简单，真是佩服啊。麻雀虽小，五脏俱全，现在的单片机把AD,DA都集成进去了，简单的设备完全可以SOP了。
MCU中另外一大支便是ARM了，最新潮流，如果不使用OS，就是高速单片机，如果用好，据说WINDOWS 8就支持ARM，这几天在看TI的Cortex M3，虽然跑不了linux，但一般的设备属于下里巴人，用不到文件系统和网络，如果只是串口的话，跑个UCOS还是可用满足的，入门比FPGA容易，开发速度要快不少。
DSP是TI一家独大，可以在一个指令周期内完成乘加运算，特别适合做算法，做浮点数运算也是其强项，总之就是适合数字信号处理。其芯片驱动负载的能力据说也较强。我感觉本质上MCU和DSP属于一类，虽然有哈佛，诺依曼等架构，但本质都是通过一条条指令，串行实现功能，比较符合人的思维。
FPGA是另外一种类型，可编程逻辑芯片，可以自定义其内部逻辑关系，所有的运算都可以并行执行，可用VHDL或Verilog描述其结构，当然也可以嵌入一个微处理器，我熟悉的只有NIOS。在OPENCORE上，有不少免费的核可以使用，51，8086等都有。我见过有高手甚至在一块FPGA开发板上跑WINDOWS 3.1。我认为除去易用性，价格等因素，只从逻辑功能上说，FPGA可以包含MCU,DSP所有逻辑功能，但是门槛高了点。
头一次接触FPGA是有人在我们这个调试一个设备，临走送我一块自己做的ACTEL的开发板。可能是电路板JTAG布线有问题，直接用并口烧录有问题，专用烧录器我不想买，直到现在，还闲置着。
入门的第一块板子是周立功公司的EASY FPGA030，主要是看重只卖￥99，拿到手之后发现周立功的资料还是做得不错的，下载了一堆视频，入门宝典等等，终于会使用Libera这个软件了。编译，布线，仿真，烧录，一个个对话框，一个个进度条，20行的代码电脑恨不得要5分钟才处理完，只是当时才入门，并不觉软件效率低，而是觉得这个软件好高级啊。后来就拿这块板子做了个数字总线转换系统，芯片容量太小了，初始化变量的语句都不敢写，幸好默认就是0，片内资源几乎全部用光。
再后来我发现有同事有块红色飓风的FPGA开发板闲着，据说当时买了上千的钱，便借来学习了。ALTERA果然很强大，EP1C12的片内资源是A3P030的数十倍，Quartus的速度是Libera的好几倍。自从发现片上逻辑分析仪很好很强大，从此就很少使用ModelSim仿真了。Altera的资料也很多，不过对于简单应用，不涉及厂家自定义的部分,Verilog就足够了，于是我就全面从ACTEL转向Altera了。
在做一个设备时，需要用到sin这个函数，用Verilog实现C语言的sin函数对我而言是个难题，问了一圈人，有一个人说可以嵌入一个8051的核来实现，于是就花了不少时间研究SOPC了。挑资料多的做，Altera资料最多的便是NIOS这种核了，下了一堆资料，看了好久，终于可以实现"Hello World!"了。
不带浮点的NIOS要想处理sin这样的浮点函数还是比较费事的，虽然它内部怎么实现我不知道，但在100MHz下，每秒只能运算3K次，显然这样的速度远远满足不了我的要求，于是想到了DSPBuilder了。在下了一堆资料后，忽略了一个问题，现在我所使用的这种技术，已经变成了阳春白雪了。5.0的不支持中文，9.1的和Matlab始终匹配不好，10.0的我找不到和谐文件。安装一套MATLAB就要4G空间，安装QUARTUS要8G空间，系统都重装过好几回，最后装9.0的总算可以了。
换个方向实现就是CORDIC算法+AVALON总线 自定义sin专用协处理器，看了半天，感觉这个技术应该可以管很久了，值得花时间学习。这方面的资料不多，NIOS还有《NIOS II那些事》这样的入门资料，也有《NiosⅡ嵌入式软核SOPC设计原理及应用》、《NiosⅡ软件架构解析》这样的图书，AV总线,SOPC等基本只有ALtera的datasheet可以参考，高处不胜寒。
再换个方向就是换个开发环境，读到施国勇编著的《数字信号处理FPGA电路设计》中比较详细地写FPGA实现CORDIC，第六章和实验六专门写了CORDIC原理与实现，ISE中有专门的这个IP可用，看样子Xilinx算法还是做得好一些，就省得那么麻烦了。Altera的功能Xilinx都有，逻辑分析仪，matlab，嵌入式软核，都差不多，但protel 99se支持Xinlin就要明显多些，软件以及配套Xilinx应该更胜一筹。不过JTAG调试器就贵不少了。等谁有Xilinx开发板，我也借来玩玩。
再换个方向就是在模拟前端就处理好这些数据，到了数字部分的处理就容易很多了，不过这个就不属于这篇范围了。
这几种技术也在相互融合，取长补短，TI最新的ARM已经和DSP双合一了，甚至可用简单配置端口了，Altera的飓风三已经可用嵌入ARM了，ACTEL没有自己的软核，早就和ARM合作了，Xilinx的SYS GEN这些也将DSP融合一起了。以后的技术肯定还会发展，肯定会越来越方便。估计不久的将来，数字、模拟一体的可编程芯片也会商品化的。
数字电路种类繁多，但摆脱不了算法+语法，就如打架在于准狠。算法是王道，MCU,DSP,FPGA,PLC等等就如十八般兵器，不管倚天剑和屠龙刀，只要用的好，都可以制胜，实现算法，满足需求。但刀剑使用得好了，艺高人胆大，算法可以以各种方式实现，买东西还得货比三家，何况实现方式。精通一种数字电路技术，才能实现算法，精通多种数字电路，才能比质比价，多快好省。精通数字电路、模拟电路、数字信号处理、操作系统，加上行业积累，呵呵，电工的追求都是这样的吧。