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深入理解DDS(数字频率合成)

本篇文章翻译于ADI的 DDS Technical Tutorial,可以在ADI官网找到这篇教程,其中详细讲解了DDS技术的所有技术细节,非常值得一读。
🐟最近也在研究DDS(毕设),所以闲来无事翻译翻译。。

由于上一篇文章 利用STM32的片上DAC实现DDS(数字频率合成) 中对DDS的原理已经有了详细的介绍,所以我就跳过第一章DDS原理介绍部分了。直接从第二章开始~

Section 2.理解DDS的采样输出特性

在分析DDS输出特性的时候,采样理论 分析是必不可少的。采样输出的信号频谱如下图(Fig 2-1)所示,这个例子中,采样时钟 \(f_{CLOCK}\) 是300MHz,输出信号基波频率 \(f_{OUT}\) 是80MHz。

Spectral Analysis of Sampled Output "采样"输出的频谱成分

可以看出,输出频谱具有sinx/x包络(Envelope)形状,奈奎斯特极限频率是时钟的一半,也就是150MHz,左边阴影区域是奈奎斯特带宽。

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看了看,上一篇 竟然已经是3年前的事情了orz 我太鸽了,It's my fault...

那么闲话少说,来看图吧。

摄于2020年冬,这只翠鸟在冰冻的湖面上啄出一个小洞喝水。

翠鸟

摄于2021年开春,学校里的花开了。 Flower

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又是一个多月的时间匆匆流过。 这一个多月倒是挺...平静。电赛不出意外地寄了,非常彻底地寄了,虽是意料之中的事,但还是感到一丝无奈= =
比赛完了之后就彻底闲了下来,除了偶尔去水课签个到,剩下的时间都在开坑、打游戏、教学弟了。这段时间把EmoeMetrology的配套项目又做了2套,分别是低噪电源和uV级噪声放大器,也没什么值得说的啦。

这几天又看了一遍三体三部曲,看完了《To kill a Mocking bird》,又重新刷了一遍《球状闪电》,看书确实能让人的心平静下来,而我这人不平静下来就很难认真思考问题...... 一如既往的,我在三体上是毫不吝啬夸赞的词汇的(虽然我也不怎么会说夸赞的话)。每次看完三体的感受都不一样,就不多说了。 《To kill a Mocking bird》是个暖心的故事,也是一部家庭教育教科书,表示很羡慕主人公有那样的父亲。

勇敢就是,在你还没开始的时候就知道自己注定会输,但依然义无反顾地去做,并且不管发生什么都坚持到底。

我会牢记这句话的,如果我现在不是真正勇敢,那么我希望以后可以真正勇敢起来。如果我已经这样做过了,那么我希望以后能一直这样下去。

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我又来了= =

在精密仪表电路中,一个稳定且干净的电源是非常重要的。不稳定意味着它会在工作中发生波动,导致仪表电路工作不正常;不干净意味着其含有高频纹波与噪声,这些纹波与噪声将通过物理方式耦合到信号链中,破坏仪表电路的精确性与鲁棒性。

这次我们从纹波入手,讲解在电源电路中消除开关电源的纹波的手段和经验。

纹波(Ripple)与噪声(Noise)

噪声在我 之前的文章 中讲过了,就不啰嗦啦。

纹波(ripple) 通常指直流电源上不希望出现的交流电压变动量,一般是因为直流电经过DCDC转换器之后,输出电压的交流成分无法完全消除,残留下来的交流分量被称为Ripple。

全波整流电路,在加入滤波电容之前(虚线)及之后(红色实线)的电压波形对比,交流成分未被完全消除,跨在直流之上的波纹很形象地被称为纹波(红色)。

Ripple in DC-DC Converter Output

请注意,纹波与噪声应该区分开来,将纹波直接归入噪声没啥问题,但总归是不严谨的。

关于纹波与噪声的进一步讨论,可以看这篇 e2e论坛讨论

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最近🐟在精密测量的巨坑中打滚,最近在做的 EmoeMetrology项目中,我遇到了疑似关于闪烁噪声的问题,遂作此文,整理一些有关于电路中的噪声的问题,以及消除噪声的方法。多数资料来源于Wiki,以及ADI的技术文档。在文章末尾会贴出链接

噪声定义

噪声(Noise)在电子学中指,信号在传输过程中会受到一些 外在能量所产生信号(如杂散电磁场)的干扰 ,这些能量即噪声。噪声通常会造成信号的失真。其来源除了来自系统外部,亦有可能由接收系统本身产生。噪声的强度通常都是与信号带宽成正比,所以当信号带宽越宽,噪声的干扰也会越大。所以在评估噪声强度或是系统抵抗噪声能力的数据,是以信号强度对噪声强度的比例为依据,此即 信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)

噪声从来源上分类可分为外部噪声和内部噪声两种。外部噪声主要的来源是:

  • 大气层
  • 外太空
  • 人为噪声

而内部的噪声主要是 热噪声(Thermal Noise)。这种噪声是电阻性元件内部 电子随机移动(电流是宏观效应,即"电子的定向移动",但在微观下也会存在不遵循这一趋势的部分电子,即为噪声) 所产生的,它的强度和电阻的环境绝对温度成正比。

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刚好过了一个月。又来gossip了...不过在自己blog里说点无趣的话应该没什么问题。

秋招

到现在为止,我还是没有一个offer。华为还在泡池子,中兴隔三岔五call我,说他们xx岗位有部分空缺,问我对他们的xx岗位有没有兴趣。10月中旬我去了趟中兴研发部门,约了下面试,坦诚地交流了一下,最终决定还是拒绝了。。因为开的太低,而且前景堪忧。

嗯,海信还没动静,跟死了一样- -。不过也没打算去就是了

小米还在耍猴。呸!

10月末我又投了RIGOL和新华三。说实话比较想去RIGOL,虽然给钱不是很高(我自己也不值那么高罢——),但是做电子测试测量仪器对我还是很有吸引力的。新华三听说给的一般,但是干活少,也想试试吧,毕竟到这个时候了一个保底offer都没有,还是很让我焦虑的。

焦虑?

嗯,不得不说最近非常浮躁且焦虑。通过一轮招聘和面试下来,我发现我不会的东西更多了。在大学里我没有好好学习,数学基础约等于没有= =,这就导致我在学习高阶知识和技术时非常被动。

比如最近在做电子信息综合实验,其实就是雷达信号仿真实验,先产生一个雷达信号,然后施加噪声,然后做相应的滤波、降噪、匹配滤波等处理,然后用数字解调将回波信号解调出来。这确实非常综合,是一套完整的射频数模混合信号链,不过我们不用做实物,只需要在Matlab中实现它——
即使这样,我也时常感到力不从心。设计FIR低通滤波器,这个我还算熟悉,查查资料折腾半天搞定了,但要做自适应滤波的时候我就犯了难,用LMS和RLS算法吧,它需要整定滤波器参数,我不会调...半天没出太好的效果。不过我也猜测是因为LFM雷达信号的特性导致这两种自适应滤波算法效果不佳,于是我又想尝试小波变换自适应降噪。然后我就卡在了它的子滤波器参数选定上。。。

嗯,我怎么这么菜啊.jpg

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每隔一段时间就会想要记录下近期内心境的变化。不得不说这个记录的频率在今年尤为高,不错,这说明我成长得很快)

求职之路

回顾了一下从8月份开始的秋招,感觉自己还是挺失败的——已经到10月了,手里还没有一个保底的offer。因为本人算是个懒狗,只投了几家感兴趣的公司,包括但不限于:

  • 华为
  • 中兴
  • 字节跳动
  • 小米
  • 海信
  • 大疆
  • Apple
  • BOE
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微观尽头——精密信号测量:理论分析

在上一篇文章中,我们欣赏了HP 3458A的精妙绝伦的多斜率积分ADC架构原理,同时也对精密信号测量有了基本的概念,那么这次让我们来试着自己做一个精密信号测量电路。

商业数字万用表(DMM)

我们可以参考市面上比较厉害的数字万用表的参数,比如吉时利的DMM6500。为什么是这款呢?因为我用过最高端的DMM是这个(

这款6位半的数字万用表能测量10pA到10A的电流,1uΩ到100MΩ的电阻,以及100nV到1000V的电压,同时具有5英寸的电容触控屏,可以将采集到的数据以曲线、表格等形式呈现出来以供分析。(怎么搞得我像是打广告的(雾))

这台万用表的核心ADC器件是一个16位、1MSPS的ADC,光靠这片ADC是无法实现6位半精度的(22位有效精度),我猜测他们应该是使用过采样算法将有效精度提升至了6位半。

EVM

当然,光靠ADC本身是不能实现如此多的功能、也不能实现如此高的测量范围的,如果要做一台数字万用表,那么必须为ADC设计不同的前端电路来实现各种功能和档位切换,而这个系统对于验证阶段的我们来说太过于复杂。所以我的计划是设计一个ADC评估模块(Evaluation Module,EVM),先用这个模块简单地验证一下ADC和模拟前端的性能参数是否达标,同时也锻炼一下我的精密小信号电路、以及数模混合系统 PCB Layout的能力,积累经验(踩坑)。

所以我将设计一块这样的板子:

  • 搭载核心器件——ADC,型号为ADI的AD7177-2(32位集成式ADC)
  • 使用市电+变压器为电路供电
  • 使用超低噪声LDO为精密模拟电路供电
  • 板载一块MCU,用于连接ADC和控制模拟前端电路,同时MCU负责处理数据并通过串口将数据回传至电脑

我决定为他命名为——EmoeMetrology :)

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微观尽头——精密信号测量:Intro

我们一般只会关心身边那些明显的、容易察觉的变化——比如温度变高了几度,车辆的行驶速度变快了几m/s,无所事事的一天又过去了...诸如此类。
但你有关注过一些微不足道的变化吗?比如空气中二氧化碳的浓度具体是多少 ppm(百万分之一) ?你的体重变化了几克?
当然没有吧,因为这些细微的变化超出了人感知的能力,我们自身并不能感受到这些微不足道的变化。

——当然上述多数是一些直观感受,我们只能对其有个大概的把握,并不能精确量化它们。如果在电子测量领域,我们就有许多种手段去量化这些变化。最常用的方法就是利用 传感器(sensor) 去将真实世界中的物理量转化为电信号,并用电子测量电路去对电信号进行处理并分析。

Such as?

比如 电子体重秤。我选了一个烂大街的解决方案来举例子。
HX711是一片高度定制化的24位ADC,专门用于 桥式电路(Bridge Circuit),也叫惠斯通电桥(Wheatstone bridge) 测量(图中的细线红色方框)。

紫色方框圈出来的是一个 应变片,本质上是一个电阻,它的阻值会随着形变的大小(所受压力)变化,而这个变化是近似线性的。设计一个与其接近匹配的桥式电路,测量中间节点的电压差,就可以实现 压力大小->电压大小 的转换。(你可以画4个电阻拼成一个桥,在上下两端加上电压,测量左右两端的电压,简单分析一下)

HX711
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做一个锁定放大器!

本文同步于emoe工作室

想必你已经康过 上一篇文章 了~(什么?还没看?快点去啊( •_•)>⌐■-■)

根据上一篇文章所讲述的锁定放大器的原理,我制作了一个利用 高速比较器 + 模拟开关 实现的锁定放大器。
使用KiCad设计,唔文件就不放了,挺简单的,如果你想要的话进群找我吧:p

PCB—

嗯,在某板厂打的骚紫色,4号下的单今天才发过来...无语子~
设计上我采用了4层板设计,主要信号线走在顶层上,拉不过去的话就走底层,中间层为2个电源层(正负轨),底层铺地平面。

Soldiering

画简单板子我喜欢把所有元件都放在正面,这样焊接起来非常方便。我使用了巨好用的 铁板烧(恒温陶瓷PTC发热片)来当作加热台,它能加热到200多度的高温且恒温,非常适合用来配合锡膏焊接贴片元件。先给空板预热一下,然后用牙签沾一点锡膏点到焊盘上,锡膏在高温的(这个温度很讲究,既要让锡膏软化又不能让他直接变成液相金属锡)的流动性非常棒。点完锡膏之后就可以贴元件了。贴好就像上面这样。

然后就可以再次开启铁板烧,将锡膏全部熔化~

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前言

最近在CNPP同学处嫖到一片ADI公司生产的 AD630 ,这是一款平衡调制/解调器IC,有非常多的用途,其中之一就是锁定放大器,具体作用体现在——它能从相对于信号100dB的噪声中恢复出被噪声淹没的信号!

我看不懂,但我大受震撼.jpg

100dB是什么概念呢?

\[ 20\lg{S} = 100dB \]

\[ S = {Vpp(noise)\over{Vpp(Signal)}} = 10^5 = 10万倍 \]

比如...我的信号Vpp为10uV,噪声的Vpp为1V,这时S就是100dB。而AD630 据说(可不是瞎说,他Datasheet上标的...) 能将我的信号从这汹涌的噪声洪流中将它还原出来...

这不得来试一试?

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又是一年电赛年。

在日常的繁忙(其实并不)训练中,人很容易感到疲惫与枯燥...所以得适当休息一会儿,比如此时此刻,我刚刚从OverWatch中退出,想写一篇日记记录近日的生活。

7月初-繁忙之始-前夕

6月底我结束了所有期末考试科目,但是我的队友(学弟)还没有。于是我就提前进入了“考后摸鱼周”。其实也并没有很摸,只是买了2个新游戏——《Metro Exodus》和《Dying Light》。前者好不容易下了下来结果发现我的垃圾本本不满足最低配置要求,带不动,遂把游戏文件拷进移动硬盘并放弃了24h爆肝通关的计划(。
不过后者倒是非常好玩,是个值得入手的游戏,同时也是非常耗肝的( 我打了一下午之后肝不动了,就没玩了...

画画

同时我开始尝试着学习一点点绘画...我买了几只朋友推荐的勾线笔和自动铅笔、樱花橡皮,以及一个康颂的素描本(朋友说我入门用这个奢侈了233)

Canson
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