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本次优利德杯作为全国大学生电子设计竞赛的校内选拔赛,获得一等奖与二等奖的同学可以被选上参加校内培训。
本次的赛题方向与电赛基本一致,分为电路设计类、通信类、电源类以及控制类,我们选择的是电路设计类的方向。
比赛的要求如下:
电路设计类的赛题需要设计一个程控放大滤波电路,实际上是两个内容,第一个是实现 -5dB ~ 35dB 的放大,步进为 5dB,第二个是滤波电路。
我负责的是放大电路的设计,放大电路最基本的要求是 -5dB ~ 35dB ,5dB 的步进,更进一步地,要求能够实现 0.5dB 的步进,同时,放大电路需要是程控的,即使用单片机或是 FPGA 来控制放大倍数。
我采取的思路是选用 R2R 网络实现 的衰减,再进行 41dB 的放大,再设计三级反相放大电路,每级均可实现 0.5 dB,1dB,1.5dB 与 2dB 四个增益,通过相互组合即可实现 -5dB ~ 35dB 的放大,步进 0.5dB。在 multisim 中进行仿真,能够得到预期的结果。
但在实际的实现中,由于 CD4053/CD4052/CD4051 本身具有电阻,以及电路中电阻的阻值难以达到非常精确的程度,使得最终的增益并非如预期般准确。
本次设计由于需要采用程控,因此需要让 FPGA 控制 CD405X 开关的通道,且需要利用升压电路将 FPGA 的输出电压太高以能够控制 CD405X 。
电路的仿真文件如下:
使用 multisim 14.3 设计的。
电路的原理图设计如下:
需要使用嘉立创打开。
notion image
升压电路如下:
notion image
反思与总结:
  1. 排针间距问题 排针的标准间距都是 2.54 mm 的,因此购买排针时一定要看清楚具体间距。
  1. 运放做反相比例放大器时,输入正弦波,有时候输出会变为方波。 问题: 出现这个问题的原因是运放的负反馈条件没有达成,变为了过零比较器。 原因: 有可能是因为反馈回路断路,也有可能是因为 CD4053 芯片损坏或者虚焊。 总结: 当我们认为芯片没有实现功能的时候,要先检查检查芯片是否会自己变为虚焊的状态,有时候焊盘面积不大或是焊接时上锡太少,就会造成芯片挣脱锡的束缚,变为虚焊的状态。 同时,在输入正弦波时,若运放的输出是与输入相同频率的方波,那么就需要检查是否是运放的负反馈同路出现了问题
  1. 输入信号的电流限制 问题: 信号从 vin 端输入时,vo1 vo2 vo3 都有信号输出,可是到了 vo4 却始终产生不了信号,更换了 LM358 运放芯片并检查了 CD4053 都没有结果。 原因: 后面发现信号源的电流已达到 20 多毫安,U8 运放发热损坏,推测是信号源的输入信号幅度较大,导致放大后的信号幅度较大,在后端电路产生的电流也较大。但现在有一个不理解的地方在于,为什么运放 U9 和 U7 都没有问题,反而是 U8 出现了问题,在我设计的电路中,U7 的输出信号是小于等于输入信号的(反馈电阻为 10k 时,输出等于输入,反馈电阻小于 10k 时,输出是输入的衰减),因此,U8 运放不应该出现电流过大现象,反而是 U7 更可能出现。 总结: 在使用具体的芯片前,一定要查阅清楚芯片能够允许通过的最大电流是多少,一方面是在电源端进行控制(设置电源通路允许通过的最大电流),另一方面要在信号源输入端进行控制(开始时尽量先以幅度较小的信号进行测试,当输出不理想时,查看一下芯片是否有发热的迹象,有可能是级联导致芯片后端电流过大)。
  1. 事先没有考虑清楚电阻的阻值 过去一直以为电阻的阻值都是连续的,我们想要的阻值都能够买到,但后面才知道,电阻在国际上原来是有一套阻值标准的,比如我想要 8.5k 9k 9.5k 这些特殊的阻值,就需要利用国际上的阻值标准在原理图中留出对应的焊接位置,通过电阻串并联实现我们想要的阻值。 关于标准电阻阻值的说明(E6、E12、E24、E48、E96、E192)_e6电阻-CSDN博客
  1. 电源输入设计 只有运放输入的直流电源端可以考虑使用肖特基二极管作防反接保护,使用 LED 灯作指示灯。 在交流信号源端无需肖特基二极管,因为这会让输入的信号不正常。
  1. CD 4053 的 VCC 和 VEE 设置 问题: 在输入正弦信号时, CD4053 会将输入信号整流,或是输出不正确的信号。 原因: 可能是因为输入的交流信号在无偏置时有正负电压,而 CD4053 的 VEE 设置为接地,导致 CD4053 无法输出负电压。 总结: 下次在使用 CD4053 或 CD4051 这类器件时,如果提供的输入信号是有正负的,最好还是将其设置为双电源供电,即 VCC 与运放电源相接,VEE 与运放 VEE 相接。 通过此次使用,对 CD4051 类芯片也有了新的认识,它们是模拟开关,所谓模拟开关,就是说输出是对输入信号的模拟。在输入信号在 VCC 和 VEE 范围内时,输出信号也会在这个范围内,当输入超出 VCC 和 VEE 范围时,输出就会不正常,甚至损坏芯片。
  1. 关于 VO1~VO5 的问题 问题一: 不知道为什么 VO1 VO2 VO3 VO4 的输出都会有一个偏置,而且变化规律为 正偏 负偏 正偏 负偏。。。 问题二: 当输入信号为一个特定值,比如输入信号为 30mVpp,偏置为 17mV 时,VO1~VO3 都是正常的,但是 VO4~VO5 却会出现失真,只有当输入信号小于 10mV,比如输入信号为 7mVpp 时,VO1~VO5 的输出才会是正确的。
 
 
如果本篇内容对你有用,能否『请我吃根棒棒糖🍭 』🤠…
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