原创 【博客大赛】TI杯电子设计大赛后记之二

2018-9-13 21:52 5259 6 9 分类: 模拟
今天是个重要的日子,所以来更篇博客,虽然明天就要考信号与系统matlab实验了,应该去复习的才是。。。(围笑)
上次一篇博客讲述了我电设校赛时候的经历,这次就来说一说第一次暑假培训的经历。其实当时应该当时比完赛就立马记录下来的,现在一些细节已经有些模糊了,可是自己还是太懒了。
考试周完了之后就开始暑期培训,先是有一周的讲座,涉及单片机,控制测量,微小信号测量,电源几个方面,但是这种讲座方式的效果大家懂的,如果不是每节课要点名,肯定是大批大批的缺课的(并不是说老师不好,只是这种大型讲座方式并不适合所有的学生,而且一味在上面讲效果及很差)。当时我就利用这个时间去做了两块板子以备后面用到(但是其实最后没用到),一个是DA模块,用的芯片ad5761,双极性的16位DA,整套方案全是照搬官网上的评估板,只不过把两个DA芯片都做在了一块板子上,用了一套电源系统,独立的基准电压源,因为评估板的方案是先使用ADP5070这个开关电源芯片得到双极性电源,再用ADP7182和ADP7142两个线性稳压得到可调的正负电压和一个固定+5V用于基准电压的供电,我还为此把开关电源好好看了看,ADP5070因此成为我第一个完全从头看到尾的英文开关电源手册。然后是做的四层板,中间一层地,一层电源,我还尝试着按照书上看到的把开关电源的功率地在顶层给割开了,通过过孔连到了第二层地上,在连接DA芯片的模拟地和数字地引脚的时候我感到非常困惑,因为我在ADI的一份文档上面看到了这段话
许多 ADC DAC 都有单独的模拟地(AGND)数字地(DGND)引脚。在设备数据手册上,通常建议用户在器件封装处将这些引脚连在一起。这点似乎与要求在电源处连接模拟地和数字地的建议相冲突;如果系统具有多个转换器,这点似乎与要求在单点处连接模拟地和数字地的建议相冲突。其实并不存在冲突。这些引脚的模拟地数字地标记是指引脚所连接到的转换器内部部分,而不是引脚必须连接到的系统地。对于 ADC,这两个引脚通常应该连在一起,然后连接到系统的模拟地。由于转换器的模拟部分无法耐受数字电流经由焊线流至芯片时产生的压降,因此无法在 IC 封装内部将二者连接起来。但它们可以在外部连在一起。
和这段话
请注意,系统中的模拟地和数字地必须在某个点相连,以便让信号都参考相同的电位。这个星点(也称为模拟/数字公共点)要精心选择,确保数字电流不会流入系统模拟部分的地。在电源处设置公共点通常比较便利。
我当时真是万脸懵逼。。
后来去问了一位特别大佬的学长(曾经的15年国赛电源国一,模拟电子设计大赛一等奖),学长给我了如下解释
DAC本身的数字部分电流其实不大,对模拟部分干扰很小,可以视为一个模拟器件,这类混合器件的dgnd agnd并不是标识应该连接到系统的哪个地,芯片底下连在一起是常见的做法,芯片底部连在一起不分割,实现低阻抗的连接分割是为了避免数字部分对模拟部分的干扰但系统其他数字ic可不一定,比如有微处理器等高频开关状态的数字器件,所以混合信号器件下方不分割,但整个系统还是要分割的,不过DAC这个要注意,有些DAC必须在下方直接连接有的D/A要求AGND与DGND之间的电位差不能超过+/-0.1V,如PCM1704,因此AGND与DGND必须连接在同一大面积地线上,超过压差会引起烧毁
评估板的top是蓝色的bottom是红色的,可以看到红色的GND在芯片下面有一处直连

至此才解决了我的疑惑,我也比葫芦画瓢画了个板子,板子的原理图和PCB分享在附件中,欢迎各位大佬来指点出有问题的地方,毕竟是新手第一次画这种要求比较高的模拟系统(而且这个板子除了电源部分其他都没测试过,后来根本没用上。。)

说到这里突然想起来推荐一本感觉不错的书《信号完整性与PCB设计》,很薄,是一本工程实践性的书,很多都是作者的经验,这本书也是第一次让我理解了特征阻抗和阻抗匹配的意义。

另外一块板子是ADS830,8位,60MSPS的高速AD,采用了手册里面的方案,采用手册里面现成的方案如下图

供电用的ADP7142,12M的有源晶振,时钟乘法器CDCS504-Q1可以把频率提到48M,同样这块板子后来也没用到(汗颜。。)PCB和原理图也会在附件给出,欢迎大佬指出问题。
这两块板子做下来,着实花了不少钱,而且后来事实证明完全没有必要。
这里就有一点,我们没有工程经验,只是做过很少的实践,大部分都是在学书本知识,所以我们往往不能很好的选择最合适的器件,很多时候完全是浪费资源,浪费器件的性能来完成一些可能用很便宜的器件就可以做到的事情。同样我觉得这也是现在的电子设计竞赛面临的一个问题,有时候甚至变成了单纯的拼器件,拼工艺(今年省赛的那个超级电容充电小车的题就是一个很好的例子,可能出题人的意愿是好的,但是事实是这道题就向着奇怪的地方发展过去了。。这是后话)
大家也都知道,单纯的高频高增益放大器题目是不会继续在电设竞赛中出现了,所以校赛做了放大器的我们就考虑了仪器仪表题目,看到了前几年的省赛的仪表题感觉挺难的,什么delta-sigma调制啊,锁定放大器啊。之前在AD选型的时候就看到了有delta-sigmaADC,所以很想了解一下,当时找了好几篇资料,还有论文什么的,刚开始太高估自己的意志力了,去看了英文论文,结果没看几页就看不下去了,不过一篇论文里面的一个例子倒是很好(这里大概复述一下,因为那个PDF我好像不小心删掉了)
A每天都要去咖啡馆买咖啡,咖啡一杯3.6元,但是A只有5元的钱可以付,如果A每天付5元,店家找零,那么将会很麻烦,所以采用这样一种方式,第一天A掏了5元买咖啡,但是店家没有找零,店家欠A,所以第二天A没有付钱就拿走了一杯咖啡,现在A欠店家,所以第三天A买咖啡的时候付了5元,但是现在A还是欠了0.8元,所以第四天的时候A买咖啡的时候还是付了5元,就这样一直下去。。。
这个是一篇文章里面的一个模型,文章是High Speed and Wide Bandwidth Delta-Sigma ADCs,springer出版社的,英文没问题的可以看下,PDF放在附件里面了。
还有我觉得我之所以觉得这个好难是因为信号与系统学的还不扎实,对于降采样,抗混叠这些概念都不是理解的很好,刚开始看的那些论文上又讲的很理论,所以对于理解delta-sigma还是造成了一些困难,不过最后还是明白了,而且在multisim用ua741成功仿真,这里再给出一个ADI的关于delta-sigma的资源  http://www.analog.com/cn/design-center/interactive-design-tools/sigma-delta-adc-tutorial.html  这个网址有一个delta-sigma调制的动画模型,可以帮助理解,而且ADI还有很多这方面的PDF,比论文要好看懂的多,有中文的!!!
后来就开始实操了,培训是淘汰制的,得到C的话老师就会打电话建议回家,所以压力还是很大的。第一次培训就是2015年的那个高频放大器的题目,第二次培训是一个做一个频率,幅度可调的信号发生器,要求带8ohm负载的时候功率>=5W.
说来惭愧,对于这个2015年的国赛题,刚开始还是轻敌了,觉得有那么多的报告,随便找来一份做一做肯定就没什么问题了,刚开始找到一份用固定增益的射频放大器和数控衰减器的方案,觉得不错,看手册觉得那几款芯片的幅频特性可以满足通频带要求,于是第一天我疯狂画板子,画了四个模块的四层板,但是四层板好贵啊,就想把每个小模块合到一张10*10的大板子上拿去打样,但是无奈都被PCB厂家识破了,要按拼版来算价钱,好鬼好贵,最后找了一家性对便宜还算快一点的打了三个模块的板子,然后等着板子到(后来板子到了都已经是验收前一天了,结果上电测试发现还是会衰减,和手册给的图一点也不一样,这个方案就弃用了)。后来我们想着不能这样干等着啊,于是就找到了另外一套方案,又去学校库房里面淘宝了很多原来剩下来的模块(我们学校对于电设竞赛是全力支持的,很多东西学校都会给提供,老师也都非常尽心)。这套方案就是很常见的,看到好几套方案都是这样的:OPA695做最后一级的功率驱动,VCA821做增益可调,OPA847做初级放大(847我们用了两级)。但是其实这三款放大器根据手册来看都不能做到在200M的时候同时满足增益平坦和衰减<3db的要求,就需要调节来让它们相互补偿。但我们发现照着报告来,做出来效果根本就不是那么回事!
开始的时候先调847和821,发现止不住的衰减,就试图把847的增益调的小一点,让它的幅频上翘厉害一些,就不停的换电阻,感觉板子焊盘都要焊掉了(这里感叹一下刀头烙铁在拆电阻的时候真是利器),好不容易把它们调的差不多平坦了,结果加上OPA695之后发现居然在100M以上一个频段内幅频曲线上翘了???!!并且这个上翘的幅度完全超过了2db的要求,没办法,又要换电阻调增益。这时候发现,去换其中某一级同相放大器的输入电阻,居然也对它的幅频曲线产生很大影响,尤其在这个上翘这方面,真的太玄学了。。。
我现在也没有搞懂是为什么,当时就只能盲目的根据实验规律换啊换,换啊换,一换就是三天过去了,没有一点进展,不是上翘就是衰减,直到验收前一天,然后同学又说我们换个反向放大器试试吧,然后突然就从衰减变成上翘了,想到既然上翘的话那就在其中一级的反馈电阻并联电容试试,去缩短它的频带宽度并且提高稳定性,然后,然后就莫名其妙的满足要求了。。。当时那个激动啊,生怕动两下又不行了。对,这里还提到一点,为了让OPA695可以提供足够的电流去满足最后一级的摆幅,不至于让波形削顶失真,我们最后给它加了+=6点多伏的电压来供电,相当极限的操作,但是上电时间长了之后芯片都有点烫手的了。。最后的效果就是,整个系统在某一个频段可以达到输出幅度满足要求且波形不失真,但是其他的频段会出现严重的失真,只能把增益降下来。
第一轮就这么苟过去了,具体成绩是多少不清楚去,反正没有拿C,但是说实在的,这一轮真的是晕晕乎乎摸不到一点头脑,就莫名其妙的好了,让我真是体会到了一把高频的玄学~
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文章评论 6条评论)

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努力1分 2018-9-21 12:59

看起来就很炫

用芯创造未来 2018-9-19 15:54

怀念本硕期间宝贵的电赛经历???? 结交的基本都是志同道合朋友

Lucifer科 2018-9-19 09:14

同15年国赛路过。E题频谱分析仪  锁相环ADF4351 放大电路同VCA821 + OPA847   软件AGC    10.7MHz村田陶瓷滤波器    勉强拿了省一,但是没名额进国赛。。            感觉那年比赛确实有点拼芯片性能的嫌疑,全是拿最贵性能最高的芯片堆。只要软件OK,设计思路没太大的问题基本就能做出来。 反正edu邮箱申请免费,TI的支持也很给力,电赛期间学校申请秒审核第二天就顺丰发货。学校经费也充足。申请不到的直接买。。

面包板社区管理员 2018-9-18 15:34

Aegwynn_Wei: 好像还正在审核
博主大大,您的帖子是不是点了保存草稿,帖子没有正式发布,大家看不到哦。

Aegwynn_Wei 2018-9-18 12:04

Killoser: 最后的帖子没有看到内容哦,能再传一下吗?
好像还正在审核

Killoser 2018-9-18 11:42

最后的帖子没有看到内容哦,能再传一下吗?
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Aegwynn_Wei 2018-08-24 21:11
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