當前，F(xiàn)PGA的學習板基本都是數(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、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)學習套件。

對于渴望學習模擬電路的同學、工程師來講，只是做一些獨立模塊的設計、測試而學習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“模擬電路設計學習套件”，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。內容太多，在此不再展開。

圖1：模擬電路設計學習套件的3D效果圖（KiCad繪制）

“電子森林”公眾號終于有了評論功能，那咱們就把它用起來試試，今天的文章就將我的部分調試結果給大家分享一下，有興趣的同學可以通過留言功能來分析、回答一下我提出的幾個問題，回答最完備的網(wǎng)友可以免費獲得一套板子（包含新款Lattice版本的小腳丫一塊，不過完整的套件要一個月后才能發(fā)貨）。

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[敏感詞]120Msps的轉換率，但考慮到越來越多的同學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定為5MHz，也就是后面低通濾波器的截止頻率設置為5MHz，且LPF后的運算放大器的帶寬也能支持到5MHz。

在12Msps轉換率情況下仍設定為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們能夠通過測量到的現(xiàn)象更深刻理解電路設計的初衷，以便在實際的項目設計中根據(jù)預定的技術指標來進行合理設置這些參數(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濾波器設計工具設計了兩種不同拓撲結構但都是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仿真

圖5：5階橢圓濾波器的頻率響應仿真

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個點構成）

• 750KHz(12MHz/16，一個周期16個點構成)

• 3MHz(12MHz/4，一個周期4個點構成)。

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。

問題4：無論這三種頻率的信號的哪一種，在不加低通濾波器的時候測量其頻譜，在整個頻道范圍內（DC-15MHz）都會有很多雜亂的信號譜線，而加上濾波器以后，除了5MHz以上的信號頻率被抑制外，5MHz以內的雜亂的信號功率貌似也降低了很多，是什么原因？

問題5：巴特沃斯濾波器和橢圓濾波器各有什么優(yōu)缺點？它們分別適用于什么系統(tǒng)？

今天列出的這些僅僅是這塊學習板上的一個很小的功能塊，與模擬電路設計相關的更多電路設計、功能測試和分析會在以后的文章中陸續(xù)介紹，我們即將于11月7號上線的“模擬電路工程化設計大師課”系列課程會給出更具體、更系統(tǒng)的揭秘，敬請關注！

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