基于互联网的信号传输系统-西安电子科技大学微电子学院

这条推文与大家分享了西安电子科技大学微电子学院团队的工作。 团队选择完成电子竞赛题E——基于互联网的信号传输系统的设计。

首先介绍一下他们团队的工作。

基于互联网的信号传输系统

摘要：所设计的基于互联网的信号传输系统由局域网和网络终端两部分组成。 其中，通过级联，设计了千兆以太网，实现互联网模拟。 采用STM32嵌入式系统和Bone Black系统设计了网络终端。 然后通过编程实现网络终端接入模拟互联网并进行数据通信。 利用ADC和SPI，实现了两路模拟信号的独立高速采样和传输。 对于负责接收信号数据的终端，设计了负载匹配驱动电路来实现再生信号。 应用多任务机制，它被设计为同时重新生成两个模拟输入信号。 最后设计了时间同步算法。 当网络时延发生变化时，系统能够自动测量并补偿时延，实现再生信号与输入信号相位的快速同步。 实验测试结果表明，该系统满足各项设计要求和指标。 与采样信号相比，再生信号的波形没有明显的失真，并且实现了相位同步。

关键词：高速A/D； 高速数模转换器； 驱动电流； 负载电阻； 模拟互联网； 网络终端； 再生信号； 相位同步。

一、简介

在当今网络飞速发展的时代，以太网作为信息时代的产物，已经深入到普通家庭，基于以太网的信息传输技术已经非常成熟。 这个问题需要我们通过以太网传输信息，实现从模拟到数据到模拟的转变。 这是为了应对信息时代的快速发展。

2、设计方案

2.1 总体设计方案选择

该系统主要由前端固定倍数衰减模块、低通滤波器模块、后端放大器模块、负载模块、控制系统、以太网传输系统以及为系统供电的电源模块组成。整个系统。 下面演示了这些模块。 选择。

① 前端固定多重衰减模块方案对比

方案一：采用T型或Π型衰减网络。 该方案虽然简单易实现，但实际测量后衰减带波动较大，理论计算与实际结果相差较大。

选项 2：使用可编程衰减器。 该方案虽然能够准确地进行固定倍数衰减，精度较高，但电路结构复杂，搭建难度大，也给调试带来极大不便。

选项 3：使用具有固定衰减系数的 SMA-JK 衰减器。 该类型衰减器结构简单，精度高，可以轻松达到系统要求的精度。

综合以上三种方案，SMA-JK衰减器实用性强，精度高，无需外接电源即可工作，故选择方案三。

② 低通滤波器模块方案比较

方案一：使用无源滤波器网络构建。 该解决方案结构简单，可用电阻器、电容器和电感器构建。 但网络的带内衰减与理论计算相差较大，通带不是很平坦，输出滤波效果难以满足系统要求。

方案二：采用TI公司生产的低噪声、电压反馈运算放大器——Key型二阶有源滤波器。 由于要求频带内波动较小，因此选择巴特沃斯低通滤波器并调整相关电阻。 该电阻可以调节带内增益。

综合以上两种方案，有源滤波器精度高，可行性强，故选择方案二。

③ 放大器模块方案选择

方案一：使用TI公司开发的电流反馈运放作为放大芯片。 但由于芯片的供电电压只能达到±6.5V，因此实际输出电压很难达到5Vpp。

方案二：使用TI公司的电流反馈运放作为放大芯片。 该芯片的供电电压可以达到±15V，转换速率为5000V/us，带宽为 ，满足本题要求。

基于上述两种方案，由于问题的输入电压幅值的限制，采用了允许更高电源电压的第二种方案。

④ 负载模块方案选择

方案一：由于本题需要在C端各增加一个输出电阻和一个50欧姆的负载电阻，所以我们使用了标称值为50欧姆的碳膜电阻作为负载网络，以满足可观测的测量题要求。

方案2：使用色环电阻搭建。 但色环电阻温漂较大，阻值不准确，会对驱动电流产生较大影响。

基于以上两种方案，我们选择方案一来提高相应的测量精度。

⑤ 电源模块方案选择

方案一：使用多个DC-DC模块构建电源模块。 但这种方法的稳定性不高，会导致整个系统的电流抖动，降低稳定性。

选项2：使用PCB打样。 将整个电源模块集成到一块PCB上，进行相应的镀铜，并使用三颗稳压芯片进行电压转换，提高整个系统的稳定性，为整个系统提供强有力的电源保障。

综合以上两种方案，方案二的精度和集成度更高，故选择方案二。

⑥ 控制系统

方案一：本题需要使用以太网进行数据传输，因此我们采用TI公司开发的以太网接口作为控制系统，结合AD和板载DA来高速处理数据。

方案二：采用目前常用的FPGA作为核心处理器。 虽然该选项的处理速度会非常高，但由于其成本较高而难以实施。

综合以上两种方案，方案一实现的可能性更大，所以我们选择方案一。

3 理论分析与计算

1.放大器稳定性分析

当放大器中的信号经过运算放大器和反馈环路时，会产生额外的相移。 当相移过大时，就会发生自激振荡。 本系统中放大器均为单极负反馈放大，因此每级产生的附加相移小于180°。 PCB板上的布线会尽量减少额外的相移，并在各级之间进行阻抗匹配。 为了降低噪声和减少自激的可能性，还可以采用SMA连接线，以减少信号线中的电容对相位的影响。

2、前置放大器衰减分析

由于AD输入电压的限制，信号在进入AD之前衰减-6dB，以提高输入信号的最大输入值。 这个衰减倍数完全可以满足题中5V信号的传输要求。

3、滤波器参数分析

由于信号进入AD、退出DA时会产生较多的高频谐波，因此需要添加滤波器，使波形更加完美，实现问题中提到的无失真传输。 这些滤波器需要在通带内具有平坦的增益。 ，并将截止频率设置为5MHz左右，以满足整个系统的滤波要求。

4、功率放大分析

两颗芯片并联，实现相应的功率放大，提高负载模块的电流驱动。 题目要求的输出电阻和负载电阻各为50欧姆才能完成阻抗匹配。

5. 加法器参数分析

采用电流反馈芯片对波形进行直流叠加，满足AD采样的正电压输出，为数字信号的传输提供基础。 由于本题要求的输入电压幅值为5V，因此加法器电路需要为AD输入提供至少2.5V的直流偏置。 结合相关误差分析，最终采用3V的直流偏置电压。

4. 电路与编程

4.1 硬件电路设计

(1) 系统总体框图

系统总体框图如图1所示，主要包括ADC采样电路，实现对被测信号的采样，采样率为10MS/s。 STM32嵌入式系统A和B分别通过SPI和ADC接收采样数据，完成数据时间戳封装，然后将带时间戳的数据包发送到模拟互联网。 STM32嵌入式系统C接收

图1 系统总体框图

(2)子系统电路原理图

它是 ADI 的高速模数转换器。 采样率可以达到10MS/S，满足本题的采样率要求。 它对模拟信号进行高速采样，并将模拟信号转换为数字信号。

（子系统框图）

(3)放大电路子系统电路原理图

放大电路用于增大驱动电流，并联放大用于进一步增大驱动电流，以满足课题的负载要求。 图为单极放大AD原理图。

放大电路子系统电路

(4)加法器电路子系统的电路原理图。 为了给AD输入提供正电压值，我们利用加法器电路进行了具体设计：

(5)电源子系统电路原理图

电源由变压器部分、滤波部分、稳压部分组成。 为整个系统提供5V或12V电压，保证电路正常稳定工作。采用TI的升压芯片升压，然后分别用 和 调节电压，最终输出±12的三路直流电压、±5、±ADJ，可通过电位器调节相关电压。

4.2 软件设计流程图

①主程序流程图

②相位同步算法流程图

③同步采集子程序流程图

5. 系统测试

5.1 试验仪器及试验方法

采用控制变量法测量相关指标，利用信号源和示波器观察信号传输关系，将记录与理论计算结果进行比较，改变波形，然后测试相关参数。

测试仪器：RIGOL示波器、数字信号源、直流电源、数字万用表。

5.2 测试过程及结果分析

六，结论

本系统完成了基础部分的要求，并进一步增加了可显示的幅度和可传输的信号范围。 同时采用双端输出和相位补偿算法，完成波形的无失真同步传输。 缺点是高速A/D的理论采样率与实际情况不符，且难以扩展传输信号的频段。

七。 参考：