音频频谱分析仪设计心得_音频频谱分析仪设计
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音频频谱分析仪设计心得
这是第一次设计一个完整的电路系统，在设计之前，仔细琢磨过这个系统的设计，然后把系统的结构图大概的确定了一下，觉得自己应该能够实现这个系统。可是，实际上，当我们真的开始设计这个系统时，却发现自己有些力不从心了，特别是调试队友焊好的电路时，得不到预期的结果，让我着实很沮丧。最后没有办法，各个模块死的死，伤的伤，没有一个让人感觉不错的，只好宣告这次设计以失败告一段落了。
虽然失败了，但是这一个月来大家的努力还是没有白费的。回首向往萧瑟处，既有风雨又有晴。所以特此总结一下这一个月来所获得的经验，以便在以后设计时可以借鉴一下。
1.确定系统的功能要求和必要指标。
首先，我们看到题目分析了好久，参考获奖作品，确定我们能做出来才开始对该电子系统进行设计，这是必须的。原因很简单，因为如果我们对系统的要求都不清楚的话，设计系统就无从谈起。所以以后设计电子系统，就应该把系统所要要求的功能和指标能清楚，最好撰写一份报告，作为电路设计时的约束条件，从而让自己能更清晰的了解设计系统时，应该注意到那些方面，为系统设计的方案确定提供参考。拿这次设计来说，题目的要求在书上列的很清楚，一条一条都标好了，所以我们在设计的时候就应该把这一条条要求都提出来，进行分析，从而知道怎样设计才能能够满足题目的要求。
2.确定系统实现方案
有了系统的功能要求和主要指标后，就可以考虑如何综合所学知识，确定一个实现系统的可行方案了。例如书上对于音频频谱分析仪的设计列了3个方案：用传统的扫描法实现的方案，基于FPGA和MCU实现的方案和基于DSP和MCU实现的方案。仔细分析这三个方案，对比各个方案的可行性和实现的难易性，就可以确定实现系统的具体方案。对于第一个方案，因为我们的知识还不够，实现起来比较困难；对于第三个方案，应该是最简单的一个方案，因为DSP芯片就是专门用来处理数字信号而设计的，而实现频谱分析仪的一个难点就是对采样信号进行FFT变换，得到其频谱。所示采样DSP芯片来实现系统，可以把系统设计的难度大大降低。虽然如此，但是我们的知识面太窄了，至今还没有人用过DSP芯片进行数字信号处理，所以我们不得不放弃采用DSP芯片来实现系统这一方案。最后我们采用了用FPGA和MCU来实现这个系统，通过学习，我们知道采用quartues的FFT IP CORE可以很容易实现FFT运算，所以采用这个方案，难度也大大降低了。经过比较，确定了使用FPGA来实现FFT，用MCU来控制各个模块的操作，来完成整个系统。然后就是确定前一级的处理了。为了进行数字信号处理，当然我们得将题目要求的音频模拟信号转换为数字信号。而根据题目的要求，输入的信号的强度和频带都是在一个范围上的，这就是说，我们得先进行一定的处理后，才能获得好的抽样效果。这样一点一点的把整个系统分割成若干容易实现的子系统子模块，再分工设计各个模块，最后把各个设计好的模块凑成所要实现的系统。所以，方案的确定是系统设计很重要的一步。
3.画原理图，选定器件，制作模块
确定好系统实现方案，分解出各个模块后，就可以分工实现各个模块了。一般情况下，分解得到的各个模块实现起来是比较容易的。例如我们把这次要设计的频谱分析仪分解成：程控放大器模块，高频正弦信号振荡器模块，混频器模块，低通滤波模块，AD转换模块，FFT运算器模块，显示模块，控制模块和电源模块。每个模块都已经非常简单了，基本上用一两个芯片和少量的外围器件就可以实现了。例如程控放大器，我们可以采用我们这次设计用的自己设计的方案来进行设计，还可以用现成的程控放大器芯片来实现，由于这次设计的程控放大器的放大倍数比较特殊，所以我们采用了自己设计的方法实现。再我们实际制作各个模块时，我们都采用了先进行适当的仿真，当仿真通过以后再进行实际制作电路的方式，这样的方式有利有弊。好处在于，通过仿真，可以及早发现设计的电路的错误和不足，从而可以减少制作出的模块不能工作的概率，节约成本，避免浪费。其不足之处在于，仿真也会占用一定的时间，从而让我们的设计周期变长了，而且并不是所有的模块都可以找到仿真模型，当我们养成了所有电路都要进行仿真才敢设计模块的习惯后，遇到不能进行仿真的模块时，我们就会对自己设计的电路疑心重重了。就像这次设计程控放大器时，模拟开关CD4066在仿真时得不到仿真结果，而在实际制作出来的电路中，CD4066的效果还是不错的（虽然开始设计的电路把开关的输入和输出接反了，但最后改过来后还是可以用的）。当不能仿真时，有必须进行芯片特性的确定时，我们可以用面包板设计一个验证性的小实验，通过小实验的结果，来得到需要了解的数据或特性。如这次在实验室找到的两种运放芯片——LM324和UA741时，为了确定这两个运放芯片是否还能正常工作，我们就必须设计一个小实验来得到结果。这是我们就可以在面包板上搭一个简单的放大电路，给芯片适当的供电，加入适当的输入，用示波器观察输入和输出的关系和设计的小实验预期的结果进行对比，从而可以确定芯片是否还能正常工作，而芯片的具体参数可以从网上下载得到。
器件的选择其实很重要，我们这次的失败，其实很大一部分问题都是由于器件的选取没有仔细的去考虑而产生的。首先是运放，我们选的是UA741CN，参看它的datasheet后，看了看它的频响，增益带宽积满足我们的要求，就选择了用它。但是后面才发现，它的供电电压是正负22V，不看其他的，就这个电压就让人头疼啊。起先不知道，以为供电好解决，制作一个正负可调电源，要多少V调多少，可是后面才知道，这个想法很傻很天真。对于设计电路时应该注意到的问题，我们了解还真是太少了。
有了原理图，选定好器件就可以制作实际的电路模块了。但是我们还应该注意，我们制作电路时，最好不要直接按照原理图进行元件的布局和焊接，这样可能会增加电路制作的复杂度，使得焊接起来比较困难。在进行制作电路的时候，对于复杂点、连线多的最好还是自己先规划一下元件的布局，画出接线图，从而减少自己制作电路时出错的概率，既可以让自己焊接电路的时候工作量减少，同时也可以让自己焊接的电路更美观，而且别人在检验电路的焊接是否有误时也能更清晰。
4.调试各模块
焊好了电路不等于模块的制作就完成了，设计制作的模块必须通过测试后才能算完成了。对于我们现在设计的大多数电路来说，采用的都是外加所需激励，观察输出结果的方法来确定电路模块是否能正确得到电路预期结果。
为了让电路模块正常工作，我们需要给它供电，这就是电源模块。其实我现在感觉电路的设计同时，也应该考虑该电路的供电问题。如果等到电路都设计好了，然后才发现没有这样的电源，或得不到这样的电源，就悲剧了！这次设计的电源就挺悲剧的。在设计电源时，我考虑的还只是电压而已，而实际上，设计电源要考虑的一个很重要的部分就是功率，即考虑电压同时也要考虑电流。芯片正常工作，不仅需要供电电路给芯片适当的电压，还需要适当的工作电流才能正常工作。所以，选用芯片时，一定要把芯片的工作电压和工作电流以及极限电压和极限电流，这样才能设计好合理的供电电路。就像这次设计的电源一样，由于没有考虑芯片的工作电流，设计出来的电源功率非常小，接上负载后，电压马上就被拉低了，使得电路不能正常工作，不能完成正常的测试。这是一次很大的失误，以后一定要注意。还有一点也需要注意，就是变压器的问题。采用稳压器制作线性稳压源时，变压器是必不可少的，至今为止，我还没有自己制作过变压器，因为感觉这有点危险，所以一直是用现成的变压器。购买变压器，一般有两个指标，一个变出的电压，还有一个就是输出的功率或者电流。
这次设计电源时，为了给运放供电，需要正负22V的电源（实际上，少于22V也可以正常工作）所以要求变压器输出的电压要大于1.2*22V，而这样大电压而且要求功率也较大的变压器，一般很难买得到，所以这样的设计也就成了不可行的方案了。这些问题都是以后设计中不得不考虑的，所以一定要记住，尽量不要再犯这种低级的错误了。
5.组合各个模块，完成系统设计
当各个模块都调试通过以后，我们就可以把各个模块组合到一起，完成系统的设计了。由于我们的各个模块不是调试没成功，就是至今还缺货，所以我们没能完成系统的设计。其实到目前为止，我们离完成这个系统还差好远啊。当现在为止，我们制作出来的模块总共就三个：程控放大器，正弦信号振荡器还有一个电源，还差混频器，AD转换器没有制作。而FPGA可以采用现成的最小系统，控制模块也可以采用现成的最小系统，显示模块就有一个液晶模块就行了，这些模块实现容易，剩下的就是程序了。程序其实也是整个系统的一个灵魂级的东西，没有程序控制，搭好硬件也是一堆白骨。所以大家一定要给力啊，好好学习编程！
啊！写到这里，痛心啊！又一次以失败告一段落，太不爽了！为什么做了一个月，我们都没能做成功？当然，我们的水平有限这是一个原因。可是，我认为更重要的原因不是这个，而是我们的经验太少了，动手的机会太少了。我现在觉得我们以后是不是应该改一下方法好，就像高考复习时一样，先给一张综合试卷做，把整套题的结构弄清，接下来是专题训练，把一类题都做熟，这样会不会好一点？还有就是到目前为止，我们的分工还是没有明确，经过这一个月的时间，我们是不是应该有一个明确一点的分工？急切希望大家可以好好的总结一下，相互传授经验，重新灌满激情，为取得最后的胜利奋斗啊！
