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模拟电路工程化设计大师课

第一节:如何设计一款简易示波器?

1.1 工程师桌面四大件必要但笨重

我们硬件工程师调试电路必不可少的桌面四大件(图片 - 万用表、电源、信号源、示波器照片)

比如我们调试一个板子(图片弹出 - 拿出模拟电路设计学习板子,放在桌面上)

  1. 我们需要万用表
    1. 量测阻抗(短视频 - 用万用表测一个电阻的阻值),
    2. 判断电源的电压是否正常(短视频 - 用万用表测电源的电压,显示出电压值)
    3. 电路是否通断(短视频 - 用万用表测两个点是否导通,听到蜂鸣器的叫声)
    4. 以确保电路板的焊接没有问题并对电路进行调试
  1. 我们需要示波器来观察信号的波形(短视频 - 示波器测量波形、显示出波形的形状)
    1. 测量信号的幅度 - 自动得到信号的峰峰值、平均值(短视频 - 示波器显示)
    2. 也可以手动测量某个电平的高低(短视频 - 手工旋转旋钮、示波器显示)
    3. 可以测量信号的频率或周期(短视频 - 调节触发旋钮,屏幕上显示该信号的频率和周期)
    4. 现在的示波器都内置了FFT的功能,我们可以借助FFT功能,从频谱上观察被测信号包含的频率分量,能够更便捷地确定电路的特性(短视频 - FFT测量频谱的界面)
  1. 有时候我们也需要给电路板送信号进去,就需要信号发生器,今天我们广泛使用的是任意波形发生器(展示信号发生器的图片或实物视频)
    1. 可以调节信号的波形(短视频 - 调节并在示波器上显示)
    2. 调节信号的频率(短视频 - 调节并在示波器上显示)
    3. 调节信号的幅度(短视频 - 调节并在示波器上显示)
    4. 以及信号的直流偏置电压(短视频 - 调节并在示波器上显示)

可调节电压、电流的电源也是必备的测试设备(图片 - 可调电源), 我们可以为板子上的某个局部电路提供可调节的电压(短视频 - 操作旋钮,调节电压),比如3.3V、5V、+、-5V(短视频 - 操作并显示),并对其输出的电流进行限制和控制(短视频 - 操作,并显示输出的值)。

不谈频谱仪、逻辑分析仪等其它测试测量设备,仅这4大件就占据了实验桌的大部分空间(图片,可以多个 - 实验桌上摆满仪器的镜头),需要多个插座(多个插座的镜头),而且无法便携,不能随时随地使用,大大限制了它们的使用场景,当然最大的问题是这一套置办下来价格不菲。

1.2 多功能合一的口袋仪器

这是一款使用USB同电脑连接就可以随时随地使用的多功能便携式的仪器(图片 - M2K,短视频 - USB插到电脑上),它可以:

除了以上演示的这些与模拟信号产生和测量的功能之外,这款口袋仪器还具有一些其它的功能:

再看一下 - 清华大学卓晴老师使用ADALM2000的体验,尤其是通过Python对采集到的数据进行分析处理,从中可以看到这款开源仪器的便捷之处。可以做为数据采集前端获取数据,并通过PC端强大的分析软件或自编的软件系统进行更近一步的数据分析。 (播放卓晴老师的视频片段 - 共3.5分钟视频)

从上面的演示视频中可以看出在这么小的盒子里(盒子在掌心中的图片效果),通过这么一个不到巴掌大小的电路板(M2K的电路板在掌心中的效果),集成了几乎所有常用仪器的十几种功能,虽然相比传统的桌面仪器,它的各项功能指标都比较低,但是已经足够满足我们日常的硬件调试工作,相比起传统的仪器设备,其价格非常低廉,想象一下,我们只需1000多元的投资,就可以拥有一个随时、随地使用的超强功能的实验室。

ADALM2000多功能口袋仪器的功能示意

更为重要的是,即便是30MHz模拟带宽、100Msps的转换率,这款口袋仪器又是如何做到如此强大的功能的?它用有限的元器件,在如狭小的电路板上(电路板的照片),通过仅仅一根USB线缆的连接就实现了信号发生器、示波器、频谱仪、电压表、可编程电源等的所有功能。这是值得我们学习的一个平台,尤其是模拟电路的设计,它搭配数字信号处理、嵌入式系统软件构成了一套功能强大、应用灵活、开放的一套测试测量系统。

它值得我们每一个做硬件设计的工程师来探秘、借鉴。

我们的课程就以这款口袋仪器的模拟电路电路及电源部分作为参考、以其实现的功能为主线,来梳理一下模拟电路设计中的一些核心知识点。课程的第一部分共11节课围绕着这款口袋仪器的双通道示波器、频谱仪以及电压表的功能来看一下对模拟信号的调理、采集和测量。

我们先来温习一下示波器的基础知识。

1.3 示波器的功能、硬件构成、核心指标

关于示波器,可以采用Catherine原来为Tek制作的PPT,这三部分的时长大约10分钟

  1. 示波器的功能
  2. 示波器的硬件构成
  3. 示波器的核心指标

阅读 - 上面我们通过通用示波器的功能、硬件构成以及核心指标有了一个系统化的认知,下面我们就具体看一下这款ADALM2000口袋仪器的数据采集部分的电路是如何构成的。

1.4 ADALM2000的硬件构成及示波器部分的电路

关于ADI的口袋仪器M2k

1.5 课后作业

今天的课程最后部分介绍了ADALM2000这款口袋仪器的构成,并给出了构成数据采集部分的框图以及原理图,同学们可以根据提供的这些资料,基于该仪器支持的指标,分配一下每一级的增益调节范围和带宽指标。