电赛专题 | E题-互联网的信号传输

有幸邀请到了在2019大学生电子设计大赛的获奖优秀队员为本公众号投稿，将分几次推文为大家介绍几只优秀队伍的作品。

本次推文为大家分享西安电子科技大学微电子学院的团队的作品，该团队选择完成了电赛E题_基于互联网的信号传输系统的设计。

下面开始介绍他们团队的作品。

基于互联网的信号传输系统

摘要：设计的基于互联网信号传输系统由局域网和网络终端两部分构成。其中，通过级联，设计了千兆以太网，实现了互联网模拟。利用STM32嵌入式系统以及Beagle Bone Black系统设计了网络终端。然后，通过socket编程，实现了网络终端接入模拟互联网和数据通信。利用ADC和SPI，实现了两路模拟信号的独立高速采样和传输。针对负责接收信号数据的终端，设计了负载匹配驱动电路，实现了再生信号。应用多任务机制，设计了可同时再生两路模拟输入信号。最后，设计了时间同步算法，在网络时延发生改变的情况下，系统能够自动测量和补偿时延，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，再生信号与被采信号相比，波形无明显失真，并且实现了相位同步。

关键字： 高速A/D；高速D/A；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、引言

在当前这个网络飞速发展的时代，以太网作为信息时代的产物，早已经深入到普通家庭中，而基于以太网的信息传输技术已经很成熟。本题要求我们通过以太网进行信息的传输，达到从模拟到数据再到模拟的相信转化，这正是响应高速发展的信息时代。

二、设计方案

2.1 整体设计方案选择

本系统主要由前端的固定倍数衰减模块，低通滤波器模块，后端的放大器模块，负载模块，控制系统，以太网转递系统以及为整个系统供电的电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

① 前端固定倍数衰减模块方案比较

方案一：采用T型或Π型衰减网络，该方案虽然简单易行，但经实测后其衰减带内起伏较大，并且理论计算与实际的结果相差较大。

方案二：采用程控衰减器。该方案虽然可以准确的进行固定倍数的衰减，精度较高，但电路结构复杂，不易搭建，这也为调试带来极大的不便。

方案三：采用固定的衰减倍数的SMA-JK衰减器。此类衰减器结构简单，准确度高，易达到系统要求的准确度。

综合以上三种方案，SMA-JK衰减器的实践性强，准确度高，不需要外加电源便可工作，故选择方案三。

② 低通滤波器模块方案比较

方案一：采用无源的滤波网络搭建。该方案结构简单，由电阻电容电感即可完成搭建，但该网络的带内衰减与理论计算差别较大，并且通频带内不是很平坦，导致输出的滤波效果难以达到系统的要求。

方案二：采用由TI公司生产的低噪声，电压反馈型运算放大器OPA820构成Shallen-Key型的二阶有源滤波器，因为要求带内起伏小，选取巴特沃斯低通滤波器，通过调整相关的电阻阻值就可以调节带内增益。

综合以上两种方案，有源滤波器的准确性高，可行性强，选择方案二。

③ 放大器模块方案选择

方案一：采用TI公司开发的电流反馈型运放OPA695作为放大芯片,但由于该芯片的供电电压只能达到±6.5V，实际输出电压难以达到5Vpp。

方案二：采用TI公司的电流反馈型运放THS3091作为放大芯片，该芯片的供电电压可以达到±15V,具有5000V/us的压摆率，带宽为210MHz，满足该题要求。

综合以上两种方案，由于题目输入电压幅度的限制，因此采用允许供电电压较高的方案二。

④ 负载模块方案选择

方案一：由于该题要求在C终端添加输出电阻以及负载电阻各50欧，因此我们采用了50欧标称值的碳膜电阻作为负载网络，满足可观察测量的题目要求。

方案二：采用色环电阻进行搭建。但色环电阻具有较大的温漂，同时阻值不准确，会对驱动电流产生较大的影响。

综合以上两种方案，我们选择方案一以提高相应的测量准确度。

⑤ 电源模块方案选择

方案一：采用若干个DC-DC模块进行电源模块的搭建，但这个方式的稳定性不高，会使整个系统的电流抖动，稳定性降低。

方案二：采用PCB打样。将整个电源模块集成到一张PCB中，作相应的覆铜处理，采用TPS5430,LT1905, LT1963三种稳压芯片来进行电压的转化，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较高，故选择方案二。

⑥ 控制系统

方案一：该题要求采用以太网进行数据传输，因此我们采用了TI公司研发的带有以太网接口的BeagleboneBlack作为控制系统，结合AD和stm32F429的板载DA对数据进行高速处理。

方案二：采用目前常用的FPGA作为核心处理器，虽然该方案的处理速度会很高，但由于该方案的成本较高，较难实现。

综合以上两种方案，方案一的可实现的可能较大，因此我们选择方案一。

三、理论分析与计算

1. 1. 放大器稳定性分析

放大器中信号通过运放及反馈回路时会产生附加相移，当相移过大的时候便会产生自激振荡。在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均小于180°，PCB板上的布线会尽量考虑减小附加相移，每级间做阻抗匹配，以此来减小噪声并减小自激的可能性，也可以用SMA连接线来减小信号线内电容对相位的影响。

1. 2. 前级衰减的分析

由于AD输入电压的限制，因此在进入AD之前对信号产生一个-6dB的衰减，以此来增加输入信号的可输入最大值，这个衰减倍数完全可以满足题目中对5V信号的传递要求。

1. 3. 滤波器参数的分析

由于信号在进入AD和出DA时会产生较多的高频谐波，因此需要添加滤波器来使波形更加完美，达到题中所说的无失真传输，这些滤波器需要在通频带内增益平坦，并且将截止频率设置在5MHz左右，这样才能满足对整个系统的滤波需求。

1. 4. 功率放大的分析

采用两片THS3091并联的方式实现相应的功率放大,来提高对带载模块的电流驱动，满足题目所要求的输出电阻与负载电阻各为50欧，完成阻抗匹配。

1. 5. 加法器参数的分析

采用电流反馈型芯片THS3091进行波形的直流叠加，以满足AD采样的正压输出，为数字信号的传输提供基础。由于题目要求的输入电压的幅值为5V，因此该加法电路需要为AD输入提供至少2.5V的直流偏置，结合相关的误差分析，最终采取3V的直流偏置电压。

四、电路与程序设计

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，采样速率为10MS/s。STM32嵌入式系统A和B，分别通过SPI与ADC进行采样数据接收，完成数据时间戳封装，然后将带时间戳的数据包发送至模拟互联网。STM32嵌入式系统C接收

图1 系统总体框图

（2）AD9220子系统电路原理图

AD9220是ADI公司的高速模数转化器，采样率可达到10MS/S，满足本题的要求采样率，对模拟信号进行高速采样，将模拟信号转化成数字信号。

（AD9220子系统框图）

（3）放大电路子系统电路原理图

放大电路采用THS3091来提高驱动电流，并且采用并联放大的方式进一步，提高驱动电流，以满足题目的要求负载。如图为单极放大AD原理图。

放大电路子系统电路

（4）加法电路子系统电路原理图

为了给AD的输入提供正向的电压值，因此我们采用加法电路具体设计下：

（5）电源子系统的电路原理图

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或12V电压，确保电路的正常稳定工作。采用TI公司的升压芯片TSP5430来进行升压，之后分别采用LT1905和LT1963进行分压调节，后输出±12，±5，±ADJ三路直流电压，并且可根据电位器进行相关电压的调节

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

五、系统测试

5.1 测试仪器及测试方法

采取控制变量法进行相关指标的测量，运用信号源，示波器观察信号的传输关系，并作以记录与理论计算结果进行比较，改变波形再进行相关参数的测试。

测试仪器：RIGOL示波器，RIGOL200M数字信号源，直流供电电源，数字式万用表。

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，并且进一步的提高了可显示的幅度，提高了可传输的信号范围，同时采用双端输出以及相位补偿算法完成波形的无失真的同步传输。不足的是，高速A/D的理论采样率与实际不符合，难以对传输的信号进行频带的扩展。

七．参考文献：

• 《电路基础》西安电子科技大学出版社
• 《高频电子线路设计》高等教育出版社
• 《全国大学生电赛优秀作品设计报告选编》东南大学出版社
• 《模拟电子电路设计基础》 高等教育出版社