電子系統(tǒng)與設(shè)計(jì)

1、第二章第二章 模擬電路子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬電路子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 2.1 模擬電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)模擬電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 2.2 2.2 模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 2.3 2.3 模擬電路設(shè)計(jì)的一般原則和步驟模擬電路設(shè)計(jì)的一般原則和步驟 2.4 2.4 常用單元電路常用單元電路 2.5 2.5 模擬電路設(shè)計(jì)舉例模擬電路設(shè)計(jì)舉例模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng) 模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)是將各類待處理物理量通過各種傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使電信號(hào)的電壓、電流、相位、頻率等參數(shù)與某物理量具有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 此對(duì)應(yīng)關(guān)系此對(duì)應(yīng)關(guān)系是對(duì)原始物理量的模擬。如：測(cè)量溫度的儀表將溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后經(jīng)處理再轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)，通過指針表示溫度值。

2、優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)處理過程中，電信號(hào)的相關(guān)參數(shù)始終與原始物理量有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即模模擬關(guān)系擬關(guān)系。 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)是將被處理的物理量首先轉(zhuǎn)換成模擬的電信號(hào)，在對(duì)電信號(hào)處理之前先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 狀態(tài)只有“0”和“1”。數(shù)字信號(hào)可以根據(jù)需要再經(jīng)D/A變換成模擬電信號(hào)，再由電信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理量。 數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾強(qiáng)、便于處理、可采用高度集成的數(shù)字器件，便于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等。 但不論模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)都要用模擬電子電路。模擬電路設(shè)計(jì)方法模擬電路設(shè)計(jì)方法 模擬電路設(shè)計(jì)方法模擬電路設(shè)計(jì)方法： (1)(1)人工設(shè)計(jì)人工設(shè)計(jì)：電路結(jié)構(gòu)的確定、元器

3、件參數(shù)的選取、電路的各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算等各個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)均由設(shè)計(jì)人員完成。 (2)(2)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CADCAD）：電路的各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成。2.1 2.1 模擬電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)模擬電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn) （1）器件模型的精度有限。 （2）計(jì)算方法簡(jiǎn)化。 （3）模擬電路的種類較多。 （4）電路的技術(shù)指標(biāo)眾多。 （5）模擬器件種類繁多。 （6）分布參數(shù)和干擾對(duì)模擬電路的影響較大。 （7）要求設(shè)計(jì)者具有較高的綜合素質(zhì)。模擬電路設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)模擬電路設(shè)計(jì)的注意點(diǎn) （1） 注意技術(shù)指標(biāo)的精度及穩(wěn)定性，考慮元器件的溫度特性，電源電壓波動(dòng)，負(fù)載變化及干擾因素的影響。 （2） 重視級(jí)間阻抗匹配問題。

4、（反射） （3） 元器件的選擇應(yīng)注意參數(shù)的分散性及溫度的影響。（發(fā)散與收斂、溫漂） （4） 調(diào)試中應(yīng)遵循先單元后系統(tǒng)，先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)，先粗調(diào)后細(xì)調(diào)。（調(diào)零、溫度補(bǔ)償?shù)龋?.2 2.2 模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 將需要處理的物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以電信號(hào)的電壓、電流、頻率、相位等參數(shù)模擬被處理的物理量，用電子技術(shù)對(duì)電信號(hào)的處理，達(dá)到對(duì)物理量的處理，這種處理方式叫模擬方式。 以模擬處理方式為主，應(yīng)用電子技術(shù)完成信號(hào)處理的系統(tǒng)稱為模擬電子系統(tǒng)。定義：定義：模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段 1.1.系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì) 任務(wù)任務(wù)：將系統(tǒng)的總要求分解為不同的子功能，再根據(jù)不同的子功能確定

5、出可完成各個(gè)子功能的模塊（即單元電路），并為各個(gè)模塊確定具體的技術(shù)指標(biāo)。 設(shè)計(jì)步驟設(shè)計(jì)步驟： 1）系統(tǒng)指標(biāo)可行性分析：包括指標(biāo)合理性、難易程度、先進(jìn)性、主客觀條件、元器件的貨源情況、可否按時(shí)完成、成本和市場(chǎng)前景。 2）信號(hào)處理的流程分析。 3）擬定信號(hào)處理流程中所設(shè)定的處理環(huán)節(jié)和處理要求，設(shè)置可完成各種相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，用框圖完成模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段（續(xù)）模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段（續(xù)） 4）擬訂框圖中模塊的指標(biāo)。 5）確定單元電路的技術(shù)指標(biāo)。 6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。2.2.電路級(jí)設(shè)計(jì)電路級(jí)設(shè)計(jì) 任務(wù)：任務(wù)：根據(jù)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)所制定的各個(gè)子模塊的指標(biāo)，選定合理的電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)和器件，使之達(dá)到指

6、標(biāo)的要求，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊的功能。舉例：交流電壓表的設(shè)計(jì)舉例：交流電壓表的設(shè)計(jì)具體指標(biāo)：具體指標(biāo)：（1）電壓測(cè)量范圍：50uV-30V （2）電壓量程：1mV，3mV，10mV，100mV，1V，3V，30V，300V。 （3）被測(cè)信號(hào)頻率范圍：2Hz-500Hz。 （4）頻率響應(yīng)：以1KHz的不均勻性為基準(zhǔn)，分別為2Hz-200KHz3%；2Hz-500KHz5%。 （5）輸入阻抗：在1KHz下，輸入阻抗不低于2M，輸入電容小于60PF。（6）測(cè)量誤差：2.5%。 （7）用磁電式表頭指示測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1）可行性分析）可行性分析 該儀表被測(cè)量電壓范圍、輸入阻抗和誤差要求均屬于常

7、規(guī)性指標(biāo)，易達(dá)到。電壓表應(yīng)用放大和整流技術(shù)，所用器件可選范圍很寬，因此設(shè)計(jì)可行。 2 2）信號(hào)處理流程分析）信號(hào)處理流程分析 衰減（使輸入較大電壓值的被測(cè)信號(hào)具有合適幅度）放大（使被測(cè)信號(hào)的幅度滿足后續(xù)整流電路的要求） 整流（將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)支流以驅(qū)動(dòng)表頭） 由表頭指示測(cè)量結(jié)果系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)） 被測(cè)信號(hào) 衰減 放大 整流 表頭 電 源 電壓表須有衰減、放大、整流和表頭驅(qū)動(dòng)電路3 3）擬定框圖）擬定框圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）T1衰減器用于調(diào)節(jié)輸入檔，T2公共衰減器衰減 T1 阻抗 變換 整流 放大 A2 阻抗 變換 衰減 T2 放大 A1 量程和開關(guān) 電 源 被測(cè)信號(hào) 表 頭 系統(tǒng)

8、設(shè)計(jì)（續(xù)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）（4 4）擬訂模塊指標(biāo)）擬訂模塊指標(biāo) 需要反復(fù)比較核算，合理分配衰減值、放大倍數(shù)和頻率特性指標(biāo)，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)提出阻抗匹配要求，考慮整流線性度的保證措施，系統(tǒng)誤差的分配等。2.3 2.3 模擬電路設(shè)計(jì)的原則和步驟模擬電路設(shè)計(jì)的原則和步驟 1.分析技術(shù)指標(biāo)的可行性 2.確定指標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)和設(shè)計(jì)難點(diǎn) 3.分析各個(gè)指標(biāo)間的相互關(guān)系 4.選擇合適的器件 5.在設(shè)計(jì)時(shí)留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚ń殿~設(shè)計(jì)） 6.反復(fù)湊試、反復(fù)核算、反復(fù)修改（仿真驗(yàn)證） 7.反復(fù)實(shí)驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整2.4 2.4 常用單元電路常用單元電路 單元電路是組成模擬電子系統(tǒng)的單元電路是組成模擬電子系統(tǒng)的“細(xì)胞細(xì)胞” 常用的單

9、元電路包括:（1）集成運(yùn)算放大器（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（3）數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.4.1 2.4.1 運(yùn)算放大器及其應(yīng)用運(yùn)算放大器及其應(yīng)用 運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是一種能模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大器。要準(zhǔn)確模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算，需具備“理想”特性。 理想放大器具有以下特性：理想放大器具有以下特性： （1）輸入端“零子”，輸出端“任意子” （2）只放大差模信號(hào)，無限大的共模抑制（CMRR） （3）沒有溫漂、時(shí)漂，能處理任何微弱信號(hào) 按電路形式分反相，同相和差動(dòng)放大電路。 按數(shù)學(xué)運(yùn)算分加法/減法器，微分器和積分器。 按輸入信號(hào)的性質(zhì)可分為直流放大器和交流放大器。運(yùn)算放大器3種放大器原理圖和參數(shù)關(guān)系集成運(yùn)放的性能參數(shù)集成運(yùn)放的性能

10、參數(shù) 增益帶寬積：CBW= 為中頻開環(huán)差模增益； 為上限截止頻率。 CBW對(duì)于單點(diǎn)放大電路是一個(gè)常數(shù) 擺率 = 若輸入正弦電壓 = sin t,則 = = =2 若將Ua741接成電壓跟隨電路，并輸入 =2V，f=100kHz的正弦信號(hào)，則輸出有明顯失真，為使輸出不失真，則最大輸入信號(hào)應(yīng)小于0.8V。 vdAHfvdAHfuA741增益帶寬特性曲線RSmaxtvoddiVimVRSmaxtvoddomVomfViV輸出波形失真圖集成運(yùn)放的性能參數(shù) 共模抑制比CMRR：表示了集成運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。 CMRR=20 （dB)一般針對(duì)微弱信號(hào)，如儀表放大器 最大差模輸入電壓和最大共模輸入電壓

11、 在實(shí)際應(yīng)用中，最大差模輸入電壓受輸入級(jí)的發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓限制，在任何情況下不能超過此值，否則會(huì)燒壞器件。 最大共模電壓超過時(shí)，放大器不能正常工作。簡(jiǎn)單的說最大共模電壓即為運(yùn)放正端或負(fù)端的最大輸入電壓。AvcAvd常用運(yùn)算放大器（1）通用型運(yùn)放注意民用品、工業(yè)品、軍用品的命名。 （2）高輸入阻抗運(yùn)放大于1012，工作速度較高 （3）低失調(diào)低漂移運(yùn)放輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流小，又稱高精度運(yùn)放。（4）斬波穩(wěn)零集成運(yùn)放注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)（1）無特殊要求，應(yīng)盡量選用通用型運(yùn)放。（2）充分了解運(yùn)放性能指標(biāo)。（3）弱信號(hào)放大時(shí)，需要選用失調(diào)、噪聲系數(shù)小的（4）做直流放大時(shí)，要調(diào)零。在規(guī)定消振引腳

12、加電容消振，為消除電源內(nèi)阻引起的寄生振蕩，在電源端對(duì)地就近接去耦電容，考慮去耦電容的電感效應(yīng)，在兩端常接瓷片電容。調(diào)零電路調(diào)零電路運(yùn)放的調(diào)零電路運(yùn)放應(yīng)用運(yùn)放應(yīng)用電電壓壓并并聯(lián)聯(lián)負(fù)負(fù)反反饋饋運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）電電壓壓串串聯(lián)聯(lián)負(fù)負(fù)反反饋饋通用運(yùn)算放大器通用運(yùn)算放大器 通用的集成運(yùn)放通用的集成運(yùn)放是那些兼顧各方面性能的放大器，在音頻處理領(lǐng)域使用較為廣泛。增益帶寬積1MHz、輸入失調(diào)電壓在幾個(gè)mV、輸入失調(diào)電流在幾百nA左右、電壓擺率40MHz、輸出電壓范圍Vp-p6V、輸出負(fù)載為600、電壓增益為2。一般在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇電壓擺率是計(jì)算平均值的兩倍以上，才不會(huì)有明顯

13、的失真，因此在本設(shè)計(jì)中選用AD811(電壓擺率為2500V/us、增益帶寬積130Mhz)，設(shè)計(jì)電路如圖所示。儀表放大器儀表放大器濾波電路濾波電路2.4.2 D/A2.4.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基本原理基本原理電阻分壓器和跟隨器：電阻分壓器和跟隨器： U UO O= =AUAUi i（0A1） DAC DAC和運(yùn)算放大器：和運(yùn)算放大器： U UO O=-=-DnUiDnUi（0DnDn1）基本原理（續(xù)）基本原理（續(xù)）D/AD/A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DAC結(jié)構(gòu)框圖將n為二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出框圖如下： N位二進(jìn)制數(shù) 數(shù)碼寄存器 N位模擬開關(guān) 求和放大器 模擬電壓輸出 電阻譯碼網(wǎng)絡(luò) 基準(zhǔn)

14、 電壓源 D/AD/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)靜態(tài)參數(shù)靜態(tài)參數(shù)其它參數(shù)其它參數(shù) 精度：精度：不考慮其他D/A轉(zhuǎn)換誤差時(shí)，分辨率即為轉(zhuǎn)換精度劃分為：絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。 失調(diào)誤差：失調(diào)誤差：數(shù)字輸入全為0碼時(shí)，模擬輸出值與理論輸出值之偏差 增益誤差：增益誤差：實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理論增益之間的偏差值。 溫度系數(shù)：溫度系數(shù)：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1度，增益、零點(diǎn)、精度等參數(shù)的變化量。 饋送誤差：饋送誤差：雜散信號(hào)通過D/A耦合到輸出端造成的誤差。 線性誤差：線性誤差：模擬輸出偏離理想輸出的最大值。 D/AD/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差和增益誤差校正電路動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)建立

15、時(shí)間：建立時(shí)間：描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)重要參數(shù)。輸入數(shù)字量變化，到輸出穩(wěn)定的時(shí)間ts 滿量程變化時(shí)的建立時(shí)間滿量程變化時(shí)的建立時(shí)間D/AD/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間動(dòng)態(tài)參數(shù)（續(xù)）動(dòng)態(tài)參數(shù)（續(xù)） 尖峰：尖峰：輸入數(shù)碼發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)誤差。消除尖峰電路工作原理消除尖峰電路工作原理舉例：舉例：內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)序轉(zhuǎn)換時(shí)序應(yīng)用應(yīng)用接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則：考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。 在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求；在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等要求。 接口技術(shù)接口技術(shù)1 1） D/AD/A轉(zhuǎn)換芯片的性能指

16、標(biāo)轉(zhuǎn)換芯片的性能指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)；動(dòng)態(tài)指標(biāo)：建立時(shí)間、尖峰等環(huán)境指標(biāo)：增益溫度參數(shù)2 2） D/AD/A轉(zhuǎn)換芯片的結(jié)構(gòu)特性（原理）轉(zhuǎn)換芯片的結(jié)構(gòu)特性（原理）數(shù)字輸入：包括接受數(shù)碼制，數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等數(shù)字輸出：例，電流輸出型、電壓輸出型等等鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制參考源:參考源配制，輸入數(shù)字碼與模擬輸出電壓的極性參考源電路參考源電路轉(zhuǎn)換接口中常用的幾種參考電源電路輸出設(shè)計(jì)輸出設(shè)計(jì) 目前大多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量均為電流量，需通過放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。 =-A （0A1）OVRV常用D/A轉(zhuǎn)換芯片常用D/A轉(zhuǎn)換芯片常用D/A轉(zhuǎn)換芯片常用D/A轉(zhuǎn)換芯片D/A轉(zhuǎn)換常用電路數(shù)控波形發(fā)生器（圖為兩

17、路異步D/A轉(zhuǎn)換器上極性電壓發(fā)生器）典型輸出典型輸出D/A轉(zhuǎn)換常用電路（1）單路鋸齒波電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換常用電路 反向鋸齒波程序清單： MOV DPRT，#0DFFFH DA1：MOV R6，#80H DA2：MOV A，R6 MOVX DPTR,A DJNZ R6,DA2 AJMP DA1 D/A轉(zhuǎn)換常用電路 正向鋸齒波程序清單： MOV DPRT，#0DFFFHDA1： MOV R6，#80H DA2： MOV A，R6 MOVX DPTR,A INC R6 CJNE R6，#0FFH，DA2 AJMP DA1 D/A轉(zhuǎn)換常用電路 雙向鋸齒波程序清單： MOV DPRT，#0DFFFH MOV R6，#00H DA1：MOV A，R6 MOVX DPTR,A INC R6 AJMP DA1D/A轉(zhuǎn)換常用電路（2）單路正弦波電壓輸出 MOV R5，#00H SIN：MOV A，R5 MOV DPTR，#TAB MOVC A，A+DPTR MOV DPTR，#0DFFFH MOVX DPTR，A INC R5 AJMP SIN TAB： DB