模拟采集专题15

1、模拟采集设计专题模拟采集设计专题任勇峰下午4时52分1时间：时间：7-107-10周周 第第9 9节节 (19:00-19:45)(19:00-19:45) 第第1010节节 (19:55-20:40)(19:55-20:40) 第第1111节节 (20:50-21:35)(20:50-21:35)地点：本部教学西区地点：本部教学西区15604H15604H下午4时52分2【1】低电平信号采集传感器低电平信号采集传感器.pdf【2】放大器初步放大器初步(杨建国杨建国).pdf（全部阅读和理解）（全部阅读和理解）【3】采集原理图采集原理图.pdf （全部阅读和理解）（全部阅读和理解）【4】数据转

2、换：简化难题数据转换：简化难题.pdf【5】High_Speed_Design.pdf【6】ADI放大器应用笔记放大器应用笔记-第一册第一册.pdf【7】ADI技术指南电路仿真和技术指南电路仿真和PCB设计设计.pdf【8】你好放大器（杨建国）你好放大器（杨建国）.pdf （写的不错，请认真阅读）（写的不错，请认真阅读）【9】运算放大器术语表以及放大器设计和工艺技术运算放大器术语表以及放大器设计和工艺技术.pdf【10】运算放大器使用指南运算放大器使用指南（写的一般，学习英语写的一般，学习英语）下午4时52分3下午4时52分4下午4时52分5让人魂牵梦绕的东西，都具备三个特点：有难度、能实现、

3、你喜欢。让人魂牵梦绕的东西，都具备三个特点：有难度、能实现、你喜欢。下棋、足球、打游戏下棋、足球、打游戏追你心仪的对象，但凡你能说得出来的，基本都如追你心仪的对象，但凡你能说得出来的，基本都如此。此。趁着年轻，为自己找个兴趣所在吧，最好，它还能养家糊口。趁着年轻，为自己找个兴趣所在吧，最好，它还能养家糊口。放大器，就具备前两个特点。这本书，只想让你喜欢它。放大器，就具备前两个特点。这本书，只想让你喜欢它。而现在，你拿起这本书的时候，可能是种类繁多、秉性迥异，但青春而现在，你拿起这本书的时候，可能是种类繁多、秉性迥异，但青春健朗、招人怜爱的放大器，第一次，如此端庄地站在你的面前，笑容可掬。健朗、

4、招人怜爱的放大器，第一次，如此端庄地站在你的面前，笑容可掬。好吧好吧很高兴认识你。很高兴认识你。你好，放大器。你好，放大器。下午4时52分6q大学四年本科结束时的疑惑：大学四年本科结束时的疑惑：会什么？能干什么？会什么？能干什么？q大学学习与工作要求之间的距离大学学习与工作要求之间的距离大学学习大学学习: :覆盖面广、针对性弱、多主干而少细节；考察覆盖面广、针对性弱、多主干而少细节；考察本课，本课，6060分合格，分合格，9090多多OKOK，9999分难得而罕见分难得而罕见工作：针对性强、专、讲细节，讲定量分析，工作：针对性强、专、讲细节，讲定量分析，99=099=0定律定律q课程的基础课程

5、的基础电子信息系统：模拟、数字、电源等电子信息系统：模拟、数字、电源等大学课程：大学物理（电学）、电路分析、模电、数电、大学课程：大学物理（电学）、电路分析、模电、数电、微机原理、单片机、微机原理、单片机、HDLHDL、仪用电子线路、传感器等、仪用电子线路、传感器等p课程的目的：学会活用学过的课程，学会看资料和自学课程的目的：学会活用学过的课程，学会看资料和自学p课程特点及安排：围绕特定采集电路展开，边上课，边仿真课程特点及安排：围绕特定采集电路展开，边上课，边仿真和实验和实验下午4时52分7社会很复杂，真假难辨，做广告的社会很复杂，真假难辨，做广告的“孙子孙子”太多；太多；阳奉阴违的太多！电

6、路也难吗？阳奉阴违的太多！电路也难吗？电路要简单的多！电路要简单的多！傅立叶变换的物理意义与傅立叶变换的物理意义与积化和差信号采集的关系积化和差信号采集的关系？数学与数学与模拟信号之间的关系模拟信号之间的关系活用知识，各科有机关联活用知识，各科有机关联分为各门课是教学需要，不是分为各门课是教学需要，不是下午4时52分8学会学会，广泛阅读，书中自有黄金屋，学无止境，广泛阅读，书中自有黄金屋，学无止境，活到老、学到老活到老、学到老学会和养成学会和养成学过的课程及知识学过的课程及知识学会和养成利用学会和养成利用资料，抄书，站在巨人的肩上资料，抄书，站在巨人的肩上学会和养成定量学会和养成定量不自以为是

7、，遵不自以为是，遵律，认真仔细阅读律，认真仔细阅读Data SheetData Sheet，不放过一丁点细节，尽量少制造麻烦不放过一丁点细节，尽量少制造麻烦 细节决定成败，细节决定成败，99=099=0 人生就是不停地制造麻烦和解决麻烦，学会尽量人生就是不停地制造麻烦和解决麻烦，学会尽量少制造麻烦，问题往往是自找的少制造麻烦，问题往往是自找的下午4时52分9下午4时52分10下午4时52分11下午4时52分12将信号放大到抗噪声级别将信号放大到抗噪声级别 降低源阻抗降低源阻抗 线性化（有时但并不总是）线性化（有时但并不总是） 滤波滤波 保护保护 下午4时52分13传感器传感器（输入）（输入）输

8、入跟随输入跟随调理调理（放大）（放大）滤波级滤波级模数转换模数转换数字处数字处理器理器输出驱动输出驱动下午4时52分14阻抗匹配：阻抗匹配：如输入如输入 跟随器跟随器信号变换信号变换如如 电流转电压电流转电压 电荷转电压电荷转电压 双转单极性双转单极性 电压衰减，电压加减等电压衰减，电压加减等 电桥等电桥等电路保护电路保护如如过压过压过流过流防射频干扰等防射频干扰等下午4时52分15关于运算放大器的说明关于运算放大器的说明参考文献参考文献LM324LM324、LF347LF347、AD623AD623关注以下指标关注以下指标 电源范围电源范围 输入电压范围输入电压范围 输出电压范围输出电压范围

9、 增益带宽、摆率等增益带宽、摆率等要点要点仔细阅读仔细阅读data sheetdata sheet, ,错常出于自以为是，想当然错常出于自以为是，想当然书中自有黄金屋，多学习，成败在于细节书中自有黄金屋，多学习，成败在于细节下午4时52分16下午4时52分17Rail-to-rail input？Rail-to-Rail Output Swing？下午4时52分18下午4时52分19u当输入超过电源电压轨时，会出现瞬间的反向输出当输入超过电源电压轨时，会出现瞬间的反向输出 u现代技术现代技术基本基本克服了这种现象，新运放多数都标注：克服了这种现象，新运放多数都标注：No Phase Rever

10、sal ，但还要关注和分析但还要关注和分析下午4时52分20下午4时52分21u压摆率压摆率Slew RateSR 运放输出所能达到的最大电压变化速率，运放输出所能达到的最大电压变化速率，V/ s ,当当输出信号试图出现的变化速率大于运放的输出信号试图出现的变化速率大于运放的SR，输出，输出会出现三角波或者梯形波（失真）会出现三角波或者梯形波（失真）u压摆率公式压摆率公式 正弦波输出，已知频率正弦波输出，已知频率f，幅度，幅度A，则正弦波变化，则正弦波变化最快的过零点斜率最快的过零点斜率要想波形不失真，要想波形不失真，k必须小于必须小于SR ，即：即：下午4时52分22运算放运算放大器大器电源

11、电源范围范围V输入阻输入阻抗抗电容电容增益增益带宽带宽MHz摆摆率率V/s输出输出电压电压范围范围V工作工作温度温度C其它其它LM3243 30 1.515 低IB20nA10.3VCC-20 +70LM124/224温度更宽满幅输入跟随时达不到1MHzLF3473 30 1.5221TPfIB50pA48VCC1.50 +70LF147温度更宽满幅输入跟随时达不到4MHzAD824A3 30 1.51510T3.3pFIB2pA22Rail-to-Rail-40+85No Phase Reversal满幅输入跟随时达不到2MHzAD623A3 12 1.562G0.80.3Rail-to-R

12、ail-40+85仪表放大器11000倍可设置下午4时52分23输入阻抗高输入阻抗高R21R21与与C1C1可以滤除高频率的射频干扰可以滤除高频率的射频干扰放大四倍放大四倍下午4时52分24输入阻抗输入阻抗10K10K，要求信号源阻抗远小于要求信号源阻抗远小于10K10KR1R1与与C2C2可以滤除高频率的射频干扰可以滤除高频率的射频干扰电压衰减电压衰减0.50.5倍倍，要求运算放大器稳定要求运算放大器稳定( (跟随时跟随时相位裕度大于相位裕度大于6060度）度）下午4时52分25输入阻抗输入阻抗20K20K，要求信号源阻抗远小于要求信号源阻抗远小于20K20KR36R36与与C3C3可以滤除

13、高频率的射频干扰可以滤除高频率的射频干扰电压衰减电压衰减-0.5-0.5倍倍，要求运算放大器稳定要求运算放大器稳定( (跟随时跟随时相位裕度大于相位裕度大于6060度）度）下午4时52分26输入阻抗输入阻抗3K3K，要求信号源阻抗远小于要求信号源阻抗远小于3K3K输入信号偏置到输入信号偏置到0V以上（加法器以上（加法器），偏置），偏置0.2VCC(1V)0.2VCC(1V)电压放大电压放大2倍倍下午4时52分27跟随输入阻抗高跟随输入阻抗高问题：输入无保护、无射频抗干扰问题：输入无保护、无射频抗干扰下午4时52分28输入阻抗输入阻抗2K2K，要求信号源阻抗远小于要求信号源阻抗远小于2K2K R

14、56R56与与C5C5、R57R57与与C6C6可以滤除高频率的共模射频干扰，可以滤除高频率的共模射频干扰，不足：应该在不足：应该在C5C5与与C6C6之间加之间加102102差模电容差模电容电压相减并放大两倍，电压相减并放大两倍，2 2 （T18-T19T18-T19）下午4时52分29高输入阻抗，高共模抑制高输入阻抗，高共模抑制 R58R58与与R59R59与与C7C7、C8C8、C60C60可以滤除高频率的射频干扰可以滤除高频率的射频干扰放大倍数范围宽放大倍数范围宽下午4时52分30高输入阻抗，高共模抑制高输入阻抗，高共模抑制 R60R60与与R61R61与与C10C10、C11C11、

15、C61C61可以滤除高频率的射频干扰可以滤除高频率的射频干扰放大倍数范围宽，放大倍数范围宽，下午4时52分31分析信号源阻抗在分析信号源阻抗在1 1到到100K100K变化时前述八种变化时前述八种电路的输出响应波形，完成分析报告电路的输出响应波形，完成分析报告仿真上述电路，完成仿真报告，并提出改进仿真上述电路，完成仿真报告，并提出改进措施措施根据仿真及改进措施实验上述电路，完成实根据仿真及改进措施实验上述电路，完成实验报告验报告提示：重点分析和观察实际放大系数、摆率提示：重点分析和观察实际放大系数、摆率【2 2，p100p100】、阻抗、增益带宽积、失真、电源影响、悬空抗干扰等阻抗、增益带宽积

16、、失真、电源影响、悬空抗干扰等下午4时52分32考虑因素考虑因素如如 增益带宽积，如增益带宽积，如LM324LM324单级放大倍数有限单级放大倍数有限 摆率，大幅度时频率达不到带宽摆率，大幅度时频率达不到带宽 电阻温度系数与放大倍数的关系电阻温度系数与放大倍数的关系 大电阻的噪声大电阻的噪声 过零失真，稳定性过零失真，稳定性常见调理内容常见调理内容 放大最为常见，也可能融入其他级（放大最为常见，也可能融入其他级（如输入、如输入、滤波、输出级滤波、输出级） 全波整流，平均值滤波全波整流，平均值滤波 检波检波下午4时52分33高通、低通、带通、带阻，需要考虑高通、低通、带通、带阻，需要考虑如如 摆

17、率摆率 输出短路电流输出短路电流 容性驱动能力容性驱动能力 输出限幅输出限幅相关知识相关知识 采样定理与混叠干扰采样定理与混叠干扰【4,p1923】【】【5,p125】 RCRC滤波器，滤波器，2 2阶有源滤波器，高阶滤波器阶有源滤波器，高阶滤波器下午4时52分34理想理想ADC 3种不同频率采样，采样结果相同，采样后信种不同频率采样，采样结果相同，采样后信息就会丢失甚至息就会丢失甚至且无中生有且无中生有0.5cos(f0.5cos(fs s-f)-f)下午4时52分35下午4时52分36即最高即最高有用频率有用频率为为fa的的信号以信号以fs 2fa的速率采样的速率采样，该信号可以无误差，该

18、信号可以无误差恢复，否则恢复，否则关于该信号的信息将会因为混叠而出错。关于该信号的信息将会因为混叠而出错。 只要只要fs 2fa是否不是否不会混叠会混叠还要进一步分析！还要进一步分析！采样定理采样定理知识知识【5,p125】pNyquist 带宽外的任何频率成分（信号或噪声）都将因为带宽外的任何频率成分（信号或噪声）都将因为混叠而进入到第一混叠而进入到第一Nyquist 区区p抗混叠滤波器几乎用于所有采样抗混叠滤波器几乎用于所有采样ADC 的应用场合，以滤除的应用场合，以滤除这些不需要的信号。这些不需要的信号。 RCRC滤波器，滤波器，2 2阶有源滤波器，高阶滤波器阶有源滤波器，高阶滤波器下午

19、4时52分37倍频程衰减倍频程衰减50dBfs 3fa时不会混叠，时不会混叠，即即fam 2fa 动态范围动态范围当倍频程衰减到当倍频程衰减到ADC的一个的一个LSB（8位位ADC为为-48.2dB）时为时为fam，由图解得：若有，由图解得：若有fam 2fa 则则fs 3fa时不会混叠，否则关于该时不会混叠，否则关于该信号的信息将会发生混叠信号的信息将会发生混叠 fam下午4时52分38据据【6，p172】有：有：其中其中【6，p171】 :为阻尼系数，为阻尼系数， =Q-1H为通带电路增益为通带电路增益F0为截至频率为截至频率0为角频率为角频率下午4时52分39据据【3】有：有：据据【模拟

20、电子技术模拟电子技术基础基础p271】有：有：令：令：C=C=选的值选的值=C=C4141=C=C4242=C=C1212=C=C1313=C=C1717=C=C1818R=RR=R2424=R=R2525=R=R4 4=R=R6 6=R=R1313=R=R1414=(2=(2 f f0 0C)C)-1 -1有：有：Q=(3-AQ=(3-Aupup) )-1 -1 f f0 0=(2=(2 RC)RC)-1 -1A Aupup为通带放大倍数为通带放大倍数下午4时52分40据据【6，p173】有：有：其中其中【6，p171】 :为阻尼系数，为阻尼系数， =Q-1H为通带电路增益为通带电路增益F0

21、为截至频率为截至频率0为角频率为角频率下午4时52分41据据【6，p173】有：有：其中其中【6，p171】 :为阻尼系数，为阻尼系数， =Q-1H为通带电路增益为通带电路增益F0为截至频率为截至频率0为角频率为角频率下午4时52分42据据【3】有：有：据据【模拟电子技术基模拟电子技术基础础p277】设计设计有：有：Q=(3-AQ=(3-Aupup) )-1 -1A Aupup为通带放大倍数为通带放大倍数下午4时52分43据据【6，p173】有：有：其中其中【6，p171】 :为阻尼系数，为阻尼系数， =Q-1H为通带电路增益为通带电路增益F0为截至频率为截至频率0为角频率为角频率下午4时52

22、分44据据【3】有：有：据据【模拟电子技术基模拟电子技术基础础p271】有：有：令：令：C=C=选的值选的值=C=C4343=C=C4444R=RR=R1010=R=R1111=(2=(2 f f0 0C)C)-1 -1有：有：Q=(3-AQ=(3-Aupup) )-1 -1 f f0 0=(2=(2 RC)RC)-1 -1A Aupup为通带放大倍数为通带放大倍数下午4时52分45考虑因素考虑因素如如输出偏置输出偏置输出限幅输出限幅摆率摆率输出短路电流输出短路电流容性驱动能力和输出振荡容性驱动能力和输出振荡下午4时52分46下午4时52分47单位增益不稳定！下午4时52分48Unity ga

23、in stable 单位增益单位增益稳定！稳定！下午4时52分49 图图6 6是运算放大器驱动容性负载电路，是运算放大器驱动容性负载电路，R02R02取取55到到5050 缺点：精度的降低和失真缺点：精度的降低和失真【2，p65、66】 【6 6，p203p203】下午4时52分50目的：目的：适应下级电路，如适应下级电路，如ADCADC方法：方法：加法电路加法电路结果：结果：信号正向平移信号正向平移下午4时52分51目的：目的：适应下级电路，如适应下级电路，如ADCADC方法：方法：减法电路减法电路结果：结果：信号经反相后正向平移信号经反相后正向平移下午4时52分52 目的：目的：适应下级电

24、适应下级电路，如路，如ADCADC、滤波器滤波器 方法：方法：稳压二极管、稳压二极管、二极管二极管 结合结合：运算放大器运算放大器输出有限流功能输出有限流功能下午4时52分53u用用LSB(最低有效位最低有效位)、% FS、ppm FS表示表示ADC的静态特性的静态特性 ,仪器仪表测量仪器仪表测量 ADC分辨率的要求分辨率的要求 8位分辨率位分辨率1/25610位分辨率位分辨率 1/200012位分辨率位分辨率1/4096 u动态信号测量动态信号测量 ADC分辨率的要求分辨率的要求 在在5%满量程输入下，音频系统需要优于满量程输入下，音频系统需要优于0.1%的失真的失真 ,相当于相当于1/20

25、,000 - 16位相当于位相当于1/65,536 采用外部基采用外部基准基本准基本ADC 下午4时52分54频谱成分的均方根值它所有其直流和5次谐波以外的信号幅度均方根值log20log10信噪比102210NSXXNSSNRdBdBSNRENOB02.676.1有效位数下午4时52分551.1. 用用LM324LM324设计放大设计放大100100倍的最简单电路，仿真观察倍的最简单电路，仿真观察0.01V0.01V到到0.1V0.1V不同输入幅度时不同输入幅度时1MHz Hz1MHz Hz到到1MHz1MHz不同不同输入频率的输出响应波形，完成分析和改进报告输入频率的输出响应波形，完成分析

26、和改进报告2.2. 用用LM324LM324设计放大设计放大1 1倍的最简单电路，仿真观察倍的最简单电路，仿真观察1V1V到到10V/1MHz10V/1MHz不同输入幅度时的输出响应波形，完不同输入幅度时的输出响应波形，完成分析和改进报告成分析和改进报告3.3. 分析和仿真课黄色背景中的滤波器、输出限幅电分析和仿真课黄色背景中的滤波器、输出限幅电路，完成分析和改进报告；根据仿真及改进措施路，完成分析和改进报告；根据仿真及改进措施实验上述电路，完成实验报告实验上述电路，完成实验报告提示：提示：1 1、2 2题重点分析和观察摆率、增益带宽积、失题重点分析和观察摆率、增益带宽积、失真、电源影响等真、

27、电源影响等下午4时52分56 LED状态指示电路：指示单片机的工作状态，包状态指示电路：指示单片机的工作状态，包括当前采集通道指示、括当前采集通道指示、LED对应通道指示等对应通道指示等 数码管显示电路：循环显示输出各通道的采集结数码管显示电路：循环显示输出各通道的采集结果果 RS232接口电路：可将采集结果通过串行接口远接口电路：可将采集结果通过串行接口远程传输到其它数字设备如计算机等程传输到其它数字设备如计算机等 电源接口、稳压器件及退耦电容电源接口、稳压器件及退耦电容 单片机外围电路（电源、单片机外围电路（电源、ADC、晶体震荡器、晶体震荡器、JTAG)下午4时52分57输出输出0 0亮亮1 1灭灭发光导发光导通电压通电压V VLEDLED约约1 11.4V1.4V，发光电流发光电流I ILEDLED约约3 310mA10mA，具具体参考产品手册体参考产品手册R=R=（V Vcccc-V-VLEDLED）I ILEDLED （3.3-13.3-1）3=7603=760到到（3.3-1.43.3-1.4）10=29010=290之之间间UIUI3.3 3.3 0.01=0.033W0.01=0.033W0.010.018=80mA8=80mA下午