信号特征提取电路设计

1、汇:Allen Li时间：2017-12-29信号特征提取电路设计ADC信号链第3部信号特征提取电路设计1.大家试想一下，假如脉搏信号可见，变成数字信号，从而转换为次数，衡量。那么怎么样才能将其心跳指标？都知道蝙蝠是用波来判断前方是否有物，用此来改变飞行道路。2.工作的原理大概就是先发出一段超声波，波碰到物体会进行反射，然后蝙蝠就能接收到超声波。利用来回的时间差基本衡量出当前距离物的距离。汽车的就是利用这个原理。3.对于图示的波形，假如都不重要。是否有比ADC只对其最大值感更好的方案来实现？，其波形的形状、频率上述即是利用信号特征提取电路来完成设计的如果你知道，那么恭喜你入了电路设计的坑，如果

2、不知道，学完课程，你将堂堂正正的入坑信号特征提取电路设计所谓信号特征提取，即是对信号本体先做特征分析，将需要的特征值提取出来。这就类似化学学科里面的成分分解，要得到氧气，就将水进行分解，从中提取出氧气。通常对一个电信号进行时域、频域分解。其包含的基本参数有幅值（万用表测量电压、测量电流）、频率（万用表或者示波器测量频率）、上升沿、下降沿。幅值一般衡量信号的强度，范围。频率衡量其工作的状态，通常也包含各种谐波 分量。上升、下降沿的快慢也是衡量其高次谐波的重要参数。当然信号经过电路处理或者发射后，会跟原始信号产生相位差，利用这个相位差可以衍生出很多应用。就是其中一个。当然信号也可表征功率密度，噪声

3、分布等等。右图是脉搏的特征。脉搏的方式其实类似红外对管的方式！血液在发生心脏跳动时，会呈现暗色和透明。脉搏测试方案如果单纯测量脉搏次数，办法？如下是在市场上买到的一款脉搏测试的传感器，的波形如右图所示。基于波形特征，大家想到怎么样才能获取脉搏次数？1、ADC，通过算法实现阈值判断2、利用基本的比较器进行设计3、利用迟滞型比较器进行设计，提供系统的鲁棒性4、利用集成完成信号特征提取脉搏-ADC信号采样率确定：根据之前的波形分析，因为脉搏信号的频率在(60-80)/min左右，但是如果为了更加深入的了解脉搏状态还需要对小的尖峰进行采样，那么分析其频率在120-160次/min左右。那么频率最大在3

4、HZ左右，根据之前讲的5倍原则，ADC的采样率在20-100HZ左右既可以满足的要求。分辨率确定：根据图示，传感器输出的信号最大值4.5V，最小值1.5V，第二个尖峰在2.5V左右，所以从这里看，其精度在min（2.5-1.5,4.5-2.5）/10=100mV左右既可以满足要求。成本考虑：独立的ADC，精度、温飘较好，但是占用PCB面积，价格较贵。集成在MCU中的ADC虽然整理的性能不如独立的ADC，但是在成本和PCB面积上是占用很大的优势的。如果评估可以，建议使用集成MCU的ADC模块。1、ADC的选择（独立的ADC，还是单片机的ADC）2、电路的设计3、精度计算4、器件选型5、其他脉搏-

5、ADC精度计算MCU ADCADC输入电路设计1、EMC问题，这里不做讲述，因为EMC问题主要通过前端增加电容或者 TVS实现，与电路功能相关性不大2、过流、过压保护问题3、前端匹配、滤波设计4、精度计算AINREFSTM32 模拟输入口传感器输入ADC前端驱动电路1问题：一般ADC的输入阻抗都不高，所以会有较严重的加载效应1、利用运放输入阻抗大，从而减少对源端的影响加载效应2、运放低输出阻抗，高摆速等满足ADC采样电路3、在运算放大器输出与ADC输入之间接串联电阻对大多数应用都有好处。这个串联电阻有助于限制运算放大器的输出电流。串联电路的阻值选择很重要，较大的阻值则将增加从运算放大器端看过去

6、的负载阻抗，并改善运算放大器的总谐波失真(THD)性能。不过，ADC最好由低阻抗源驱动，因此，必须找出此串联电阻的最佳阻值，以提供运算放大器和ADC组合电路的最佳指标，包括THD、信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)。ADC精度-参考电压通常在参考电压源的输入会做一个RC滤波，用来稳定参考电压，从而提高ADC采样的鲁棒性。但是，这带来一个问题就是，这个电阻R对参考电压是否有影响？参考电压引起的误差：V = X *Vref12NX*（Vref-V）V =22NX=V V =* VVerror122N11* V =V*I *R=220*10 / 4096=0.5uVerror _1LSBi

7、n2N212 V 2.2 mVVNerror _2 LSB从这里可以看出，R越大，参考电压引起的误差也越大，其值为R*Iin。因为电阻取值有限，对于电容来说，这里一般 RC的截止频率在1K左右也是OK，但是通常考虑成本，电容不会取值过大。会选择通用点的容值。当然，在这里将电阻换成磁珠也是不错的选择，成本会增加。ADC精度-输入阻容1、需要了解传感器输出的阻抗是多少？并且结合手册确定输入电阻取值（根据spec，最大可以选择到50K）2、过压保护，如右边公式所示。VDD 5 3.3 340 VovervoltageRminI5mAmax3、电阻对精度是否有影响？（62,page29） 1 1000

8、 Rs * Ilg 470 *1uA 0.47mVVres4、电容的滤波截止频率以及精度影响（page76）2 RC111)*VDD 0mV/ (CfilterCfilterCsleADC精度12bit ADC： 2.2mV+0.47mV+5*3.3/4096=6.67mV1*3.3/4096=0.8mV脉搏-比较器1、短路保护，输入电流不烧毁，输入串联电阻2、不可以输入负电压（是否加二极管？传感器加了）3、输入滤波4、输出滤波5、电平匹配特点：电路简单、成本较低、但是鲁棒性差5V-100K*1uA1.8V脉搏-比较器设计参数：Vol=0V；Voh=5V；Vinl=1V；Vinh=3V计算：R

9、1 V) Vinh Vinl 2V ;H =(VOHOLR R12R1 2 / 5, R1 2K , R2 3K ,V 5 / 3 1.67V .refR R12脉搏-集成方案无源滤波IV转换放大滤波比较显示处理脉搏-集成方案电压跟随器反馈端并联电阻和电容作用：1、电阻是为了消除偏置电压，是运放工作在对称区域2、电容为了提高其频率特性，使得电路工作更加稳定 Q值补偿讲解:Q=f/BW R08107 R08C04 C05 o1 i06(s11s 2 () C04 R06R07R08R07 R08C04 C05脉搏-测试超声波测距原理S v * tS1+S2=V声*t S1-S2=V车*t2设想电

10、实现的方法：1、MCU控制接口输出一段40KHZ的信号，通过超声探头发射，并且为t1；定时器开始计时，此时刻2、40KHZ信号在遇到物的时候会产生反射，探头接收到40KHZ信号，此时需要对40KHZ的频率进行识别，识别出信号时刻即为t2；3、根据t1、t2，就可以计算出距离。存在：1、超声测距可以识别的范围，与哪些有关？（发射信号的能量、接收的最小有效信号）2、测量的精度是多少，影响精度的有哪些？（电路处理速度、温度、湿度、处理产生的误差）3、超声波的辐射范围（评估电路或者传感器选型对其影响程度）4、动态范围的识别（物体在运行过程中的实时距离） C=C0+0.607T超声波测距方案功率放大40

11、KHZ发生器MCU探头放大电路有源滤波检波、整形方案一：A后面主要正向的对方案一做设计。从这个简单的系统来看，想要完成超声波测距，第一要做的就是选择超声波探头，并且知道其原理以及发射需要的功率、接收到的信号幅值大小等。原理：1、超声波探头利用压电效应来实现电能、声能转换的器件。所以需要系统发出40KHZ的信号与其产生，探头就会产生超声信号。2、输出声压级。对于探头这里表示利用10V的正弦波，在30cm处的声压为105dB（这里的dB跟平时说的分贝是同一个概念）3、接收灵敏度。可以接收到的最小的超声信号4、-6dB的衰减角度。5、超声工作的最大电压。UL=L*di/dt方案一：B了解传感器以后，

12、就是需要进行需求分解。1、根据传感器描述，需要对于输出电压进行升压。从而提高输出分贝。2、输入信号需要做好放大，从而可以识别到小信号，从而提高测量范围。方案一：C简化放大设计电路，在这里选择了差分仪表放大器（如果有，大家可以自行利用三极管做放大）方案一：DC42C4201UF0R R61620R0U13B AD8056AR7R63R63620R5620R0.01UFR70620RR70GND620RGNDGND01UFR R61620RU13B AD8056AR70.R60C4460.R60C44650.01UF方案一：E方案一：F超声波测距元件选型1电容选型1、容值2、精度3、耐压4、封装5

13、、温度系数（C0G、X7R、Y5V.）6、高频特性7、MLCC or 电解电容 or 钽电容 or 混合电容8、超声波-误差硬件误差：1、回波信号放大与整形-AGC或者误差：2、计数频率。在室温下,空气中的声速是 345 m/ s ,考虑反射式测量有 2 倍路程,采用 1MHz 的计数频率测时,对应最小分辨力为 0.172mm。这种分辨力可以满足大多数工业测量场合；3、在超声波发射之初需要一定的延时。为了降低输出对采样的影响；环境误差：压强、温度、湿度超声波1-流程图定时器清零计数清零其他清零第作）计算距离修正参数融合计算声速40KHZ发出时间为T1=0（timer开始工中断计时回波清除定时等

14、待超时归零控制IO输出40KHZ 10个环境参数 显示初始化 中断初始化 定时器初始化定时器时刻T2等待中断发射40KHZ，下当前时刻T1进入任务系统初始化超声波测距设计errupt 0 / 外部中断是0号O_()eH =TH1; eL =TL1;succeed_flag=1; EX0=0;/*/*/定时器1中断,用做超声波测距计时 timer1()errupt 3 / 定时器0中断是1号TH1=0; TL1=0;峰值检波1峰值检波器，它是一个能信号峰值的电路，其输出电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。交流信号正半周时，信号通过二极管给C1充电，并且输出给R1只要

15、C1足够大。那么其输出直流电压数值就非常接近交流电压的峰值。交流信号负半周时，C1、D1的漏电流以及R1左右电容上电荷的泄放路径。会导致C1上的电压下降，从而小于峰值电压。（放电也是需要的！）问题1：负载电阻的影响问题2：因为二极管的导通压降，所以对于交流小信号的峰值检波，系统可能就要求峰值检波2也可以按需要加一可调的泄放电阻。如果允许电路有很长的放电时间，也可以不用外加泄放电阻。这种电路可以有效地次级的影响，且跟随器的输出电压（Vo）可视为与电容上的电压相等。为了避免后级输入电阻的影响，可在检测器的输出端加一级跟随器（高输入阻抗）作为。峰值检波3加速充电！但是D2漏电流对检波存在一定影响，特

16、别是频率较高时的检波峰值检波4增加D1的作用：在Vout为正时，系统通过D1、D2对C2进行充电在Vout为负时，D1两端为负压，此时D1的漏电流通过R1连接到输出端，这样使得D1的负端电压接近于峰值电压。这样的话，D2两端基本没有反向电压，也就没有反向漏电流，从而使得C2两端的电压得以维持住。峰值检波5峰值检波6高速情况下，二极管以及电容就无法适应了。所以一般会使用DAC+高速比较器+MCU实现的峰值检测器。峰值检波7输入信号锁存器DAC输出1、比较器+DAC的架构即是SAR ADC的拓扑。2、为什么要锁存器？比较器MCU峰值检波8模拟电路供电1、LDO供电: LDO 是一种线性稳压器，使用

17、在其线性区域内运行的晶体管或场效应管（FET），从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压;(用于低压差，高精度系统)2、开关电源:控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源;（用于高压差，低精度）3、开关电源+LDO供电（用于高压差、高精度系统）BUCK电路：Pmos=Psw+Pcon+PgatePdiode=PfwPl=Ploss+Pcon Pcap=IRMS2*ESRP=I*(VIN-VOUT)模拟电路供电1、单电源供电2、双电源供电RMS值计算在数据统计分析中，将所有值平方求和，求其均值，再开平方，就得到均方根值，常用均方根值来分析噪声，也是定义AC波的有

18、效电压或电流的一种最普遍的数学方法。对于交流信号在电阻上产生的功耗，利用RMS值进行计算RMS值计算三角波的有效值怎么计算？RMS值计算设置红线为Idc+ I设置蓝线为Idc频率特性提取常规的低压频率信号提取，比较器（迟滞比较）如果输入频率是高压呢? 1、分压2、分压+电路设计电 源 模正常开机：开关按住2S，上电保持 正常关机：开关按住1S，数据保存后掉电强制关机：开关按住5S，系统强制关机R222DNP_0RPW_CONIRF9393PbF1287VBATS1D8VCCS2D73465TPS54334DRCRL14.7UHR356 10KS3 GD6R2470KU182 D5C2ENSW1 VIN9R17810KBOOTU29STM3.3VD167 6R357 0R13RM120LT3GCOMPVSENSE0.1UFSTM_PW103D1 MBRM1PGGNDC8 10UFC5 0.1UF54R1