关于2014年电子设计竞赛的一些总结

    今年的电子设计竞赛总算是结束了，不管最后测试结果怎样，楼主现在已经不太在乎了，因为我学到了别人没有学到的很多东西。我想这就足够了。竞赛虽然结束了，但是我觉得今年出的题目真心不错，希望今年参赛的其他选手，或者有兴趣的亲们在一起讨论一下，比赛结束了，但是学习还没有结束。

先和大家分享一下比赛过程中的一些随记吧。

我做的是C题，锁定放大器设计

比赛第一天

首先在寻找方案和理论知识补习，问题：

1、两路输入AD630的信号的相位匹配问题；

2、然后是选择带通滤波与高低通滤波相连，因为所需要的Q值不高，后来选择了何老师上课讲的电路图，正好适用；

3、然后遇到运放的选择问题，这一点上很重要，想用高共模抑制比的仪表放大器，但是仪放需要在输入端叠加一个共模抑制，然后考虑了全差分放大器，但是同样存在这样的问题，也要提升共模电压。后来感觉这种方案不是很好解决，因此转而回来寻找高共模一抑制比、低噪声的运放；

4、OP37，精密低漂，但是供电电压较高的情况下性能较好，降低供电电压性能就减弱了。后来用OPA842，挺普通的运放，供电电压不高，有比较小的噪声。后来在群里又看到用INA282的固定增益运放，性能都很好，但是增益只有50V/V，而我们需要1000V/V的放大倍数，INA285可以满足需求，但是器材室没有。但是循着这个思路，在器材室原器件清单中寻找，找到了INA166，由BB厂生产，固定增益2000V/V，1.3nV/√Hz @1kHz，宽带450kHz，供电电压也很满足要求±4.5V to ±18V，CMRR也可以达到100dB以上，而且是一个双电源供电的高增益仪表放大器，这样不仅很好地解决了前面要抬升共模电压的苦恼，而且可以达到想要的增益。但是好像增益有点太大了。INA118也是一款仪放，但是其噪声较大，要10nV/√Hz@1kHz。G = （1 + 50kΩ）RG，INA128也是差不多，8nV/√Hz@1kHz。对所有芯片进行折中选择，最后选择了INA128

比赛第二天

第二天，昨天把重点任务放在了增么将小信号放大上面，在运算放大器和仪表放大器的选型上花了很大一笔功夫。今天上午又在反复寻找适合滤波器的过程中，最终确定了加法器最终选定使用第输入失调点啊，高工模一抑制比的OP07运放进行设计，器共模抑制比可以接近100dBc，而输入失调电压的典型值可以达到50uV，相比其他运放，骑在失调电压上存在着明显的优势。在经过了加法器之后，第一级交流放大采用仪表放大器INA128来实现交流放大，不仅可以提供非常高的工模抑制比，而且具有极低的噪声和较高的可设定增益。可以一步变完成设计需要。之后采用OP07组成的带通滤波器，在这一点上又出现了新的问题，虽然昨天拿到了带通滤波器的处理方案，但是该方案除了带通滤波之外还有20大B左右的增益，这就使得通频带之外的信号在-3dB带宽之外也会出现被放大的现象，无法得到完全的抑制。是否后续会采用低通加高通滤波器都还需要板子做出来后进行调试完成之后再做决定。

这一步完成之后将板子画出做好。此时另外一方面，使用先将输入的正弦波经过整流之后变成方波，将方波利用正弦波移相电路将相位进行偏移，但是自然存在问题，因为正弦波是一个单频率波，而方波则是很多频率叠加而成的，因此在对相位进行偏移的过程中自然会出现波形变形的情况。因为不同的高次谐波经过相同的移相所对应的相移是不同的。所以输出的方波会有失真，所以在相移之后又进行了一步过零比较。这个这里先提一下，以后还要具体设计。

在最后一步出现问题，因为最初的方案选择的是LM311，但是LM311在比较大信号的时候是没问题的，但是其自然有一个门限电压，又由于题目要求输入信号由10uV至1mV高达100倍的电压变化范围实在是无法满足，即使更换对小信号灵敏的电压比较器也很难满足对电压变化的要求。而且在供电电源上引入了不小的麻烦。在此提供了三个方案：

1、  先对信号进行放大，在去触发电平翻转。要使可以使小信号也能触发电平翻转，就要适当对信号进行放大，而与此同时又要使大信号稳定输出。想到利用运放的最大输出不会超过电源轨这一特性，将最小值（10uV放大1000倍也就是有效值28mV左右）放大至可以触发电压比较器电平，大信号自然也不会超出电源轨，也不会烧坏器件。但是有一点，需要引入*摆率的运放将信号放大。而题目并没有允许这么做。

2、  想到利用高精度运放和电阻设计出高精度的施密特触发器。就是为运放做成的过零比较加入一个正反馈，使得反馈能够满足给比较带来一个迟滞的效果，因为如果要将触发电压变小的话外界的电源扰动和高次谐波都会对比较器的触发引入都抖动。此处还必须使用精密运放也是这个原因。因为触发电压本来就小，就需要一个精密运放来完成电压比较的任务。具体施密特触发电路的原理和应用设计见文档：施密特触发器电路及工作原理详解。

3、  应该利用低阈值比较器也算一种方法吧，但是那样高次谐波对电路的影响一定会在过零边缘产生很多的震荡。而且这种芯片的供电电压比较小，如果是双电源供电的话最多只能到±2.5V左右。很难实现，因此放弃。

接下来就是对相敏检测的选择，这一点上很难把握。ADI公司的AD630，TI公司的MPY634 都是可以直接用来做相敏检测的模拟乘法器，其只要最后输出加一级低通滤波就可以了，很方便，而ADI公司的AD633是一款模拟乘法器芯片，其电路也很简单，只是性能可能相对AD630来说差一些，但是一样可以完成设计需要。在这个选择上也是一个难点，明天继续研究。先看其他组的使用情况来定吧。

比赛第三天

今天直接将AD630画好电路进行制版，然后分别对昨天最后完成的信号调理电路，交流放大和带通滤波部分，以及早上完成的AD630相敏检测模块进行了测试。两级分别测试的时候都是比较正常的，因为还未进行联调，所以具体参数不能得知，但是各部分电路工作正常基本可以宣布制版和电路设计达到了设计目的。

之后具体设计的就是最后一个模块，因为前面也提到过，其实这个也是最关键的问题，具体要完成怎样的相移才能使信号稳定输出是一个很大的问题。昨天的总结中已经具体阐释过各级特点。现在将实践中遇到的问题进行总结。

1、第一种方法，首先时间看来，如果用运放作为比较器来设计第一级比较的话并不需要使用施密特触发器，只要一个简单的运放构成的比较器就可以用低达20mV的电压触发输出端电平翻转，用这种办法可以达到-20至160左右的相移，但是其移相区间不足180。这是美中不足的地方。而且方波的占空比没有达到50%，因此使用模拟方案实现调相被基本放弃。

后面两天就是对所有模块的优化，但是这里值得一提的是并没有引起太多注意的最开始的电阻分压网咯，线性度不够，在这一点上，希望能和各位大神门交流一下，其他地方肯定也存在不足，交流后希望最后优化一下最初的方案。希望有兴趣的亲们可以跟帖。我们一起讨论