第二章 模拟电路子系统的设计

第二章模拟电路子系统的设计2.1模拟电路设计的特点2.2模拟系统设计简介2.3模拟电路设计的一般原则和步骤2.4常用单元电路2.5模拟电路设计举例1精选ppt模拟系统

模拟系统是将各类待处理物理量通过各种传感器转换为电信号，使电信号的电压、电流、相位、频率等参数与某物理量具有直接的对应关系。

此对应关系是对原始物理量的模拟。如：测量温度的仪表将温度转换成电信号后经处理再转换成磁信号，通过指针表示温度值。 优点：整个处理过程中，电信号的相关参数始终与原始物理量有直接的对应关系，即模拟关系。

2精选ppt数字系统

数字系统是将被处理的物理量首先转换成模拟的电信号，在对电信号处理之前先经过A/D转换，将模拟信号转换成数字信号。

状态只有“0”和“1”。数字信号可以根据需要再经D/A变换成模拟电信号，再由电信号转换成物理量。

数字系统的优点：抗干扰强、便于处理、可采用高度集成的数字器件，便于利用计算机技术等。但不论模拟系统还是数字系统都要用模拟电子电路。3精选ppt模拟电路设计方法

模拟电路设计方法：

(1)人工设计：电路结构的确定、元器件参数的选取、电路的各项指标的计算等各个设计关节均由设计人员完成。

(2)计算机辅助设计（CAD）：电路的各项指标的计算由计算机完成。4精选ppt2.1模拟电路设计的特点 （1）器件模型的精度有限。（2）计算方法简化。（3）模拟电路的种类较多。（4）电路的技术指标众多。（5）模拟器件种类繁多。（6）分布参数和干扰对模拟电路的影响较大。（7）要求设计者具有较高的综合素质。5精选ppt模拟电路设计的注意点（1）注意技术指标的精度及稳定性，考虑元器件的温度特性，电源电压波动，负载变化及干扰因素的影响。（2）重视级间阻抗匹配问题。（反射）（3）元器件的选择应注意参数的分散性及温度的影响。（发散与收敛、温漂）（4）调试中应遵循先单元后系统，先静态后动态，先粗调后细调。（调零、温度补偿等）6精选ppt2.2模拟系统设计简介将需要处理的物理量转化为电信号，以电信号的电压、电流、频率、相位等参数模拟被处理的物理量，用电子技术对电信号的处理，达到对物理量的处理，这种处理方式叫模拟方式。 以模拟处理方式为主，应用电子技术完成信号处理的系统称为模拟电子系统。定义：7精选ppt模拟电子系统的设计阶段

1.系统级设计

任务：将系统的总要求分解为不同的子功能，再根据不同的子功能确定出可完成各个子功能的模块（即单元电路），并为各个模块确定具体的技术指标。

设计步骤：1）系统指标可行性分析：包括指标合理性、难易程度、先进性、主客观条件、元器件的货源情况、可否按时完成、成本和市场前景。

2）信号处理的流程分析。

3）拟定信号处理流程中所设定的处理环节和处理要求，设置可完成各种相对独立的功能模块，用框图完成8精选ppt模拟电子系统的设计阶段（续）

4）拟订框图中模块的指标。

5）确定单元电路的技术指标。

6）系统设计的优化。2.电路级设计

任务：根据系统级设计时所制定的各个子模块的指标，选定合理的电路结构、电路参数和器件，使之达到指标的要求，实现各个子模块的功能。9精选ppt举例：交流电压表的设计具体指标： （1）电压测量范围：50uV-30V

（2）电压量程：1mV，3mV，10mV，100mV，1V，3V，30V，300V。（3）被测信号频率范围：2Hz-500Hz。（4）频率响应：以1KHz的不均匀性为基准，分别为2Hz-200KHz＜±3%；2Hz-500KHz＜±5%。（5）输入阻抗：在1KHz下，输入阻抗不低于2M，输入电容小于60PF。 （6）测量误差：＜±2.5%。（7）用磁电式表头指示测量结果。10精选ppt系统设计

1）可行性分析该仪表被测量电压范围、输入阻抗和误差要求均属于常规性指标，易达到。电压表应用放大和整流技术，所用器件可选范围很宽，因此设计可行。

2）信号处理流程分析

衰减（使输入较大电压值的被测信号具有合适幅度）→放大（使被测信号的幅度满足后续整流电路的要求）→整流（将正弦信号转支流以驱动表头）→由表头指示测量结果11精选ppt系统设计（续）

电压表须有衰减、放大、整流和表头驱动电路3）拟定框图12精选ppt系统设计（续）T1衰减器用于调节输入档，T2公共衰减器衰减

T1

阻抗

变换

整流

放大

A2

阻抗

变换

衰减

T2

放大

A1

量程和开关

电

源

被测信号

表

头

13精选ppt系统设计（续）（4）拟订模块指标需要反复比较核算，合理分配衰减值、放大倍数和频率特性指标，根据电路结构提出阻抗匹配要求，考虑整流线性度的保证措施，系统误差的分配等。14精选ppt2.3模拟电路设计的原则和步骤1.分析技术指标的可行性2.确定指标中的关键指标和设计难点3.分析各个指标间的相互关系4.选择合适的器件5.在设计时留有适当的余量（降额设计）6.反复凑试、反复核算、反复修改（仿真验证）7.反复实验、反复调整15精选ppt2.4常用单元电路

单元电路是组成模拟电子系统的“细胞”

常用的单元电路包括:

（1）集成运算放大器 （2）模数转换器 （3）数模转换器16精选ppt2.4.1运算放大器及其应用

运算放大器是一种能模拟数学运算的放大器。要准确模拟数学运算，需具备“理想”特性。

理想放大器具有以下特性：

（1）输入端“零子”，输出端“任意子” （2）只放大差模信号，无限大的共模抑制（CMRR） （3）没有温漂、时漂，能处理任何微弱信号 按电路形式分反相，同相和差动放大电路。按数学运算分加法/减法器，微分器和积分器。按输入信号的性质可分为直流放大器和交流放大器。17精选ppt运算放大器3种放大器原理图和参数关系18精选ppt集成运放的性能参数增益带宽积：CBW=为中频开环差模增益；

为上限截止频率。

CBW对于单点放大电路是一个常数

摆率

=

若输入正弦电压=sint,则

===2若将Ua741接成电压跟随电路，并输入=2V，f=100kHz的正弦信号，则输出有明显失真，为使输出不失真，则最大输入信号应小于0.8V。

·uA741增益带宽特性曲线输出波形失真图19精选ppt集成运放的性能参数

共模抑制比CMRR：表示了集成运放对共模信号的抑制能力。CMRR=20㏒（dB)

一般针对微弱信号，如仪表放大器

最大差模输入电压和最大共模输入电压

在实际应用中，最大差模输入电压受输入级的发射结反向击穿电压限制，在任何情况下不能超过此值，否则会烧坏器件。最大共模电压超过时，放大器不能正常工作。 简单的说最大共模电压即为运放正端或负端的最大输入电压。20精选ppt常用运算放大器

（1）通用型运放

注意民用品、工业品、军用品的命名。（2）高输入阻抗运放

大于1012Ω，工作速度较高

（3）低失调低漂移运放

输入失调电压及其温漂、输入失调电流小，又称高精度运放。 （4）斩波稳零集成运放21精选ppt注意事项（1）无特殊要求，应尽量选用通用型运放。（2）充分了解运放性能指标。（3）弱信号放大时，需要选用失调、噪声系数小的（4）做直流放大时，要调零。

在规定消振引脚加电容消振，为消除电源内阻引起的寄生振荡，在电源端对地就近接去耦电容，考虑去耦电容的电感效应，在两端常接瓷片电容。22精选ppt调零电路运放的调零电路23精选ppt运放应用电压并联负反馈24精选ppt运放应用（续）25精选ppt运放应用（续）电压串联负反馈26精选ppt通用运算放大器

通用的集成运放是那些兼顾各方面性能的放大器，在音频处理领域使用较为广泛。增益带宽积<1MHz、输入失调电压在几个mV、输入失调电流在几百nA左右、电压摆率<10V/us的放大器都可归为通用放大器。对所处理的信号没有很高的要求时，只要通用运放符合设计要求，就不应该采用更高速或更精密的放大器，因为某方面性能的提高必然导致另一方面的性能下降，通用放大器在各方面性能均有所均衡。27精选ppt宽带运算放大器设计宽带放大电路，要求带宽>40MHz、输出电压范围Vp-p>6V、输出负载为600Ω、电压增益为2。一般在设计时要选择电压摆率是计算平均值的两倍以上，才不会有明显的失真，因此在本设计中选用AD811(电压摆率为2500V/us、增益带宽积130Mhz)，设计电路如图所示。28精选ppt仪表放大器29精选ppt滤波电路30精选ppt2.4.2D/A转换器31精选ppt基本原理电阻分压器和跟随器：

UO=A·Ui（0≤A≤1）DAC和运算放大器：

UO=-Dn·Ui（0≤Dn≤1）32精选ppt基本原理（续）33精选pptD/A内部结构框图DAC结构框图将n为二进制数字量转换成模拟量输出框图如下：

N位二进制数

数码寄存器

N位模拟开关

求和放大器

模拟电压输出

电阻译码网络

基准

电压源

34精选pptD/A转换器的主要参数静态参数35精选ppt其它参数

精度：不考虑其他D/A转换误差时，分辨率即为转换精度 划分为：绝对误差和相对误差。

失调误差：数字输入全为0码时，模拟输出值与理论输出值之偏差

增益误差：实际转换的增益与理论增益之间的偏差值。

温度系数：在规定的温度范围内，温度每变化1度，增益、零点、精度等参数的变化量。

馈送误差：杂散信号通过D/A耦合到输出端造成的误差。

线性误差：模拟输出偏离理想输出的最大值。

36精选pptD/A转换电路D/A转换器的失调误差和增益误差校正电路37精选ppt动态参数建立时间：描述D/A转换速率快慢的一个重要参数。 输入数字量变化，到输出稳定的时间ts

满量程变化时的建立时间D/A转换器的建立时间38精选ppt动态参数（续）尖峰：输入数码发生变化时产生的瞬时误差。消除尖峰电路工作原理39精选ppt举例：40精选ppt内部结构41精选ppt转换时序42精选ppt应用43精选ppt接口设计

D/A转换芯片的选择原则：考虑芯片的性能、结构及应用特性。在性能上必须满足D/A转换的技术要求；在结构和应用特性上应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。

44精选ppt接口技术

1）D/A转换芯片的性能指标

静态指标； 动态指标：建立时间、尖峰等 环境指标：增益温度参数

2）D/A转换芯片的结构特性（原理）

数字输入：包括接受数码制，数据格式以及逻辑电平等 数字输出：例，电流输出型、电压输出型等等 锁存特性及转换控制 参考源:参考源配制，输入数字码与模拟输出电压的极性45精选ppt参考源电路转换接口中常用的几种参考电源电路46精选ppt输出设计目前大多数D/A转换器输出的模拟量均为电流量，需通过放大器才能转换成模拟电压输出。

=-A（0≤A＜1）47精选ppt常用D/A转换芯片48精选ppt常用D/A转换芯片49精选ppt常用D/A转换芯片50精选ppt常用D/A转换芯片51精选pptD/A转换常用电路数控波形发生器（图为两路异步D/A转换器上极性电压发生器）52精选ppt典型输出53精选pptD/A转换常用电路（1）单路锯齿波电压输出54精选pptD/A转换常用电路反向锯齿波程序清单：

MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,ADJNZR6,DA2AJMPDA1

55精选pptD/A转换常用电路正向锯齿波程序清单：

MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6CJNER6，#0FFH，DA2AJMPDA1

56精选pptD/A转换常用电路双向锯齿波程序清单：MOVDPRT，#0DFFFH

MOVR6，#00H

DA1：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6AJMPDA157精选pptD/A转换常用电路（2）单路正弦波电压输出

MOVR5，#00HSIN：MOVA，R5MOVDPTR