模擬電路設(shè)計學(xué)習(xí)套件分享

當(dāng)前，FPGA的學(xué)習(xí)板基本都是數(shù)字系統(tǒng)的 - 搭配按鍵、顯示屏、傳感器，做點邏輯控制、顯示、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字信號處理等方面的編程等。很少看到數(shù)字 + 模擬混合在一起的綜合系統(tǒng)學(xué)習(xí)套件。

對于渴望學(xué)習(xí)模擬電路的同學(xué)、工程師來講，只是做一些獨立模塊的設(shè)計、測試而學(xué)習(xí)和掌握到的知識點都是支離破碎的。無系統(tǒng)、不模擬！只有在一個綜合性的系統(tǒng)應(yīng)用中，才能深刻理解模擬電路的精髓。

為此，我們專為小腳丫FPGA核心板設(shè)計了一款幾乎包含了所有主要模擬器件功能的“模擬電路設(shè)計學(xué)習(xí)套件”，以高速信號發(fā)生器和高速數(shù)據(jù)采集為主線，將模擬電路中的核心功能模塊全部覆蓋 - 放大器、濾波器、ADC、DAC、各種電源穩(wěn)壓器。內(nèi)容太多，在此不再展開。

圖1：模擬電路設(shè)計學(xué)習(xí)套件的3D效果圖（KiCad繪制）

下面的框圖為套件上高速DAC + LPF的部分，也就是我們今天文章中涉及到的部分電路：

圖2：高速DAC和低通濾波器部分的框圖

本套件的高速DAC可以支持到最高120Msps的轉(zhuǎn)換率，但考慮到越來越多的同學(xué)使用我們無需安裝任何軟件的WebIDE來對小腳丫編程，而WebIDE暫時還不能支持FPGA內(nèi)部的PLL軟核，只能使用12MHz的外部時鐘，所以在我的測試中高速DAC的時鐘也設(shè)定為12Msps（如果使用安裝的Diamond軟件可以通過PLL讓FPGA和高速DAC工作到120Msps，能獲得更好的效果）。

無論使用WebIDE讓DAC工作在12Msps，還是使用Diamond工作在120Msps，輸出信號的模擬帶寬我都設(shè)定為5MHz，也就是后面低通濾波器的截止頻率設(shè)置為5MHz，且LPF后的運算放大器的帶寬也能支持到5MHz。

在12Msps轉(zhuǎn)換率情況下仍設(shè)定為5MHz的截止頻率，并且使用兩種5階的低通濾波器主要是出于讓同學(xué)們能夠通過測量到的現(xiàn)象更深刻理解電路設(shè)計的初衷，以便在實際的項目設(shè)計中根據(jù)預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)來進行合理設(shè)置這些參數(shù)。

圖3：高速DAC+兩款LPF部分的原理圖

問題1：圖3中的左下角的器件在這個電路中是用來做什么的？

通過“電子森林”里推薦的一款LC濾波器設(shè)計工具設(shè)計了兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)但都是5MHz的5階低通濾波器 - 巴特沃斯濾波器和橢圓濾波器，通過跳線選擇來對比兩種濾波器的效果。下面是兩種LPF的電路構(gòu)成及使用LTSpice做的仿真。

圖4：5階巴特沃斯低通濾波器的頻率響應(yīng)仿真

圖5：5階橢圓濾波器的頻率響應(yīng)仿真

使用WebIDE編程一個10位分辨率DDS的功能，生成不同頻率的正弦波。

圖6：在瀏覽器里可以編程小腳丫FPGA的WebIDE

改變相位累加字就可以得到不同的信號頻率，在這里我們測試三個頻點的波形：

46.875KHz（12MHz/256，一個周期256個點構(gòu)成）

750KHz(12MHz/16，一個周期16個點構(gòu)成)

3MHz(12MHz/4，一個周期4個點構(gòu)成)。

使用ADALM2000口袋儀器進行測量：

圖7：生成46.875KHz的正弦波信號波形（未加LPF）

圖8：生成46.875KHz的正弦波信號的頻譜（DC-100KHz，未加LPF）

圖9：生成46.875KHz的正弦波信號的頻譜（DC-15MHz，未加LPF）

可以看出波形非常平滑，因為一個正弦波周期中有256個樣點；頻譜圖上有一些雜散信號，這些雜散相對于主頻率譜線幅度很小。

問題2：圖8、9中的雜散信號都分別由什么原因造成的？

圖10：生成750KHz正弦波信號的波形（未加LPF）

在750KHz這個頻率，一個正弦波周期由16個樣品點構(gòu)成，兩個點之間有帶著波動的臺階。

問題3：為什么會有臺階？為什么臺階上會有波動？

圖11：生成750KHz正弦波信號的頻譜（未加LPF，DC-15MHz）

可以看到除了750KHz的主譜線外，也有非常多的雜散信號。

圖12：經(jīng)過巴特沃斯濾波器的750KHz正弦波信號的波形

圖13：經(jīng)過橢圓濾波器的750KHz的正弦波信號的波形

圖14：經(jīng)過橢圓濾波器的750KHz的正弦波信號的頻譜（DC-15MHz）

通過兩種方式的LPF，可以將波形進行平滑，帶波動的臺階消失，得到一個非常光滑的正弦波，在頻譜圖上雜散被抑制。

我們再來看看生成的3MHz的正弦波信號

圖15：未經(jīng)低通濾波器的3MHz模擬信號

在沒有加濾波器時，一個周期僅有4個點的波形非常難看，由4段不同幅度的帶波動的臺階構(gòu)成。

圖16：未經(jīng)低通濾波器的3MHz模擬信號的頻譜

頻譜分量很多，而且跟主信號的譜線從功率上沒有較大差異。

圖17：經(jīng)過巴特沃斯濾波器后的3MHz模擬信號波形

圖18：經(jīng)過巴特沃斯濾波器后的3MHz模擬信號的頻譜

圖19：經(jīng)過橢圓濾波器的3MHz正弦波信號的波形

圖20：經(jīng)過橢圓濾波器的3MHz正弦波信號的頻譜

對于3MHz的模擬信號，由于設(shè)定為5MHz截止頻率的巴特沃斯低通濾波器的帶外抑制能力不夠強，其12MHz-3MHz=9MHz的譜線被抑制得不夠，仍然有較強的功率（見圖18），圖17中的波形也就是兩個頻率信號的疊加的結(jié)果。

采用帶外抑制性能較強的橢圓濾波器則將9MHz的譜線強烈抑制，對于3MHz的主信號構(gòu)成的影響已經(jīng)從時域波形上看不出來，經(jīng)過該濾波器的正弦波信號看起來非常平滑、干凈。