描述

<h3 style="line-height:1.8;">* 1、项目功能介绍</h3> <hr> 本项目为官方指定赛题复刻类电子设计项目， 以下是项目的视线原理 Head部分的原理图将分为以下几个部分 Type-c，LDO，MIC,PA_SPK，单片机核心电路 1.Type-c 这里原作者没有采用传统的TYPE-C工头方案，而是采用了PCB设计TYPE-C舌头（金手指）的电路 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/4bce70359579452aadcf8a4b1f9524c7.png" width="261" height="189" alt="4bce70359579452aadcf8a4b1f9524c7.png"> 这个设计想法很新颖，优点节省材料，缺点也很明显不耐用，容易松动，并且对PCB板厚有严格要求（0.8mm） 我们再来讲讲对typec输入的保护措施，当我们拔插Typec或者是当电路中有惯性负载（如舵机）时，电源部分会出现浪涌电压或者是电压尖峰，这对整个精密电路来说是不允许的，所以呢，我们可以加入TVS二极管参数为5V&3.3V如电路中这样当出现浪涌电压时能对能量进行泄放或者是钳位，具体在电路中的使用如图所示直接连接到输入端的GND即可 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/d7b73920b1704593a106e10e55b8912b.png" width="251" height="145" alt="d7b73920b1704593a106e10e55b8912b.png"> 2.LDO 这里我对原电路图的LDO进行了替换，使用RT9193这块芯片降压厚的纹波，噪声等处理更加优秀，尤其是对模拟部分麦克风输入来说 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/cb136d339c2743129b6ad275625ab7e0.png" width="261" height="142" alt="cb136d339c2743129b6ad275625ab7e0.png"> 对于C3,C4自不必说是对电源的滤波，储能，提高整个系统电源的稳定性，在PCB布局中因为走线过长会有寄生电阻电感的存在，因此对于他们来说应尽量靠近电源引脚摆放，C29是对噪声旁路的参考，提升LDO对噪声的抑制，数据手册中的描述是这样的 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/1b4fdbfd3339425fa0ecce3f8c83d3f9.png" alt="1b4fdbfd3339425fa0ecce3f8c83d3f9.png"> R3,C6共同组成了RC低通滤波， <div> <div>fc=2πRC1</div> </div> <div> <div>代入参数： <div> </div> R=200Ω, C=10μF=10×10−6F <div> </div> fc=2π×200×10×10−61≈79.6Hz</div> </div> 给麦克风提供干净的电源 3.MIC 麦克风电路 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/b2126f3648a741acb23bf0035a41af25.png" alt="b2126f3648a741acb23bf0035a41af25.png"> R4 给MIC供电，同时给MIC输出的交流信号提供直流偏执 C8滤除前级直流偏执，防止前级的直流偏执影响后级，利用了电容隔直通交的特性，只保留MIC的音频模拟信号 R9作为跳线有效阻隔前级的串扰 再看C1,R1共同组成了相位补偿网络截止频率 fz=2πR1C11=2π×150×103×15×10−121≈70.7 kHz防止运放自激振荡，简单可以理解为让通用运放运行的更稳，连接到了VOUT到VIN之间 R5,R6组成了分压网络（1.65V），为运放提供合适静态工作点，C7对输入反向端的信号再次进行滤波 C9同样滤除前级直流偏执，防止前级的直流偏执影响后级 R7,R10给ESP32C3 IO2提供所需的直流偏执 0.5V，提供直流偏执前C2给电源滤波让单片机的采样更加精准 4.PA_SPK 这里同样为模拟信号要尽量避免噪声干扰（保证功放后的声音减少杂声）采用了三阶RC滤波，这里不用担心阻抗过高，导致信号衰减厉害，运放有高输入阻抗低输出阻抗的特点 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/0cc9ab56c47d4e25a7497af3d4ec373d.png" alt="0cc9ab56c47d4e25a7497af3d4ec373d.png"> <table> <tr> <th align="left">级数</th> <th align="left">电阻值</th> <th align="left">电容值</th> <th align="left">截止频率 fc=2πRC1</th> </tr> <tr> <td align="left">第 1 级</td> <td align="left">1kΩ</td> <td align="left">4.7nF</td> <td align="left">≈33.9kHz</td> </tr> <tr> <td align="left">第 2 级</td> <td align="left">1kΩ</td> <td align="left">2.2nF</td> <td align="left">≈72.3kHz</td> </tr> <tr> <td align="left">第 3 级</td> <td align="left">1kΩ</td> <td align="left">1nF</td> <td align="left">≈159.2kHz</td> </tr> </table> 接着看后面的电路 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/724bdb1b2da44e67b42cbc5e6fa4b934.png" alt="724bdb1b2da44e67b42cbc5e6fa4b934.png"> C14,C15 的作用 同样滤除前级直流偏执，防止前级的直流偏执影响后级 R15 R17用于设置输出声音的增益倍数具体设置方法可以参考数据手册 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/33a39f1e76fa49bfb5b1a95896e23557.png" alt="33a39f1e76fa49bfb5b1a95896e23557.png"> 最后再来看剩下的电路是不是清晰多了 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/2d1bee751e48404a9b9bc9e2574cbb53.png" width="788" height="209" alt="2d1bee751e48404a9b9bc9e2574cbb53.png"> 这里的R15 C15的作用可以参考NS4150B的这一节： <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/ff593a40b2f349e787a1e353793ab027.png" alt="ff593a40b2f349e787a1e353793ab027.png"> 对于C16 C23的作用 很明显 “储能” ，当麦克风声音发生变化时会引起电流的波动这是电容就起到了储能的作用 5.单片机外围电路 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/a4b62d033c7a4d4c890a5f4981542be7.png" alt="a4b62d033c7a4d4c890a5f4981542be7.png"> 这里谈谈我对两个电感的理解 L1 : 27nH <ul> <li>对基波 40MHz：27nH 电感的感抗很小（大约 XL≈2π×40×106×27×10−9≈6.8Ω），几乎不阻碍信号通过，基波可以顺利送到芯片内部，让系统正常工作。</li> <li>对高次谐波（比如 80MHz、120MHz……）：频率越高，感抗越大，相当于对这些高频干扰信号 “关上了门”，不让它们进入芯片的射频电路，避免干扰 Wi-Fi / 蓝牙的接收和发射。</li> </ul> <ul> <li>优化振荡回路的匹配：通过微调电感值，让晶振的振荡频率更稳定、更准确，同时抑制寄生振荡，保证晶振能可靠起振。</li> </ul> L2： 2nH 与后面的C35组合形成了π型LC低通滤波器换句话说 电感对高频信号感抗很大，电容对高频信号容抗很低直接将高频信号流入地 <div> <div>L=2×10−9 H</div> </div> <div> <div>选取频率：f1=40 MHz, f2=7.96 MHz, f3=2.4 GHz</div> </div> <div> <ol> <li> <div> <div>f=7.96 MHz（截止频率点） <div> </div> XL=2π⋅7.96×106⋅2×10−9≈0.10 Ω</div> </div> </li> <li> <div> <div>f=40 MHz（晶振基波） <div> </div> XL=2π⋅40×106⋅2×10−9≈0.50 Ω</div> </div> </li> <li> <div> <div>f=2.4 GHz（WiFi / 蓝牙频段） <div> </div> XL=2π⋅2.4×109⋅2×10−9≈30.16 Ω</div> </div> </li> </ol> </div> BODY部分的原理图 TYPEC_16pin 这里的D2 D3 D4,功能比较简单防止插拔电源时插拔的浪涌电压对设备产生损坏还有一定的ESD防护能力 D1利用二极管单向导电性。让Body部分的电源能稳步提供给Head <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/e688478aee1849798a109bbfd0a03d59.png" alt="e688478aee1849798a109bbfd0a03d59.png"> BOOST升压电路 首先先看决定输出电压的配置 VOUT由R2 R3两个上下（高低电阻决定）具体公式是<img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/27de7595a6194f5892853ab5a12041d4.png" alt="27de7595a6194f5892853ab5a12041d4.png">≈5.08V 由于锂电池随着充电或放电电压会增大和减小而舵机和head需要稳定的5V电源所以需要一个BOOST升压 6号引脚是用来补偿反馈的用来抑制噪音手册上建议串联1UF电容 这里的使能引脚就有讲究需要上电后有一定的延时再启动芯片的升压功能首先电源输入后先给C1 R4充电此时C1两端电流不能突变EN引脚被拉低经过t=R4XC1 约1s左右完成芯片使能 滤波电容的选取可以和电路电流大小有关常见的经验值是30uf~10uf这个数量级后面通常并联一个100nf mlcc用于去除高频信号干扰 电感的选取也有一个常见的公式作为参考同时还需注意其封装大小的选取 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/0220a9cfd7744cd5ba8288d8fc38d4ac.png" alt="0220a9cfd7744cd5ba8288d8fc38d4ac.png"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/8779f14a1c4843d69547aedbe64483b8.png" alt="8779f14a1c4843d69547aedbe64483b8.png"> 和HEAD连接方式 通过一个TYPEC立贴和head连接cc引脚可以悬空 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/d04443efa4604099b44a8552cd1cfc3a.png" alt="d04443efa4604099b44a8552cd1cfc3a.png"> 电池管理 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/4f1a2df59d4b485496d15bed29f38633.png" alt="4f1a2df59d4b485496d15bed29f38633.png"> 首先先看VBUS网络 第一个标签直接串联到了CE给芯片使能同时给共阳极连接LED供电公用于指示充电状态 第二个标签经过滤波后给芯片供电 1号引脚是配合热敏电阻使用的用于检测电池状态不用时悬空 PROG引脚是电池供电时电流大小的选择这里需要和不同型号尺寸容量的电池考量 最后是BAT引脚管理电池充电的输出需要接C8 C9两个去耦电容 需要边充电边使用的情况下可以考虑BQ24075 电源开关 由一个拨动开关和PMOS组成 当拨动开关中VBUS和VBAT_CTRL连通时VBAT_CTRL为高电平此时PMOS不导通 VBAT_CTRL与GND连接时PMOS G被拉低导通这里的PMOS还有防反接的作用 R10为限流电阻防止电流过大烧坏LED2 <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/cea4fc3633b446c0bf41c667c5589958.png" alt="cea4fc3633b446c0bf41c667c5589958.png"> <h3 style="line-height:1.8;">*2、项目属性</h3> <hr> 项目基于官方赛赛进行复刻开发 <h3 style="line-height:1.8;">* 3、开源协议</h3> <hr> GPL3.0开源协议 <h3 style="line-height:1.8;">*4、软件部分</h3> <hr> 参考附件 <h3 style="line-height:1.8;">*5、大赛LOGO验证</h3> <hr> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/c678307ca185482f88cbaa770a30d114.jpg" alt="" width="330" height="440"> <img src="https://image.lceda.cn/oshwhub/pullImage/9c6a1afa663c40cc99d19db6872bd169.jpg" alt="" width="342" height="456"> <h3 style="line-height:1.8;">* 6、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr> 视频链接：第11届立创电子设计大赛基于复刻拓展赛道 http://xhslink.com/o/4Ib2rdmEHTV 把文本复制好，来【小红书】看看这篇笔记吧！ <a style="text-decoration:underline;" href="/posts/b2b65ad17ac34080a318a5ab47a632c2" target="_blank">前往查看更多详情＞</a> <h3 style="line-height:1.8;">* 7、3D外壳说明</h3> 3D外壳参考 https://makerworld.com.cn/zh/@MoveCall