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,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。,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。,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。,2.1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。,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）,2.2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：,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,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。,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-200KHz3%；2Hz-500KHz5%。（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。,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,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,系统设计（续）,T1衰减器用于调节输入档，T2公共衰减器,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。,2.3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,2.4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,2.4.1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。,运算放大器,3种放大器原理图和参数关系,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,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。,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1012，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,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。,调零电路,运放的调零电路,运放应用,电压并联负反馈,运放应用（续）,运放应用（续）,电压串联负反馈,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6V、输出负载为600、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。,仪表放大器,滤波电路,2.4.2D/A转换器,基本原理,电阻分压器和跟随器：UO=AUi（0A1）,DAC和运算放大器：UO=-DnUi（0Dn1）,基本原理（续）,D/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,D/A转换器的主要参数,静态参数,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。,D/A转换电路,D/A转换器的失调误差和增益误差校正电路,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,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,举例：,内部结构,转换时序,应用,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。,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,参考源电路,转换接口中常用的几种参考电源电路,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（0A1）,常用D/A转换芯片,常用D/A转换芯片,常用D/A转换芯片,常用D/A转换芯片,D/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）,典型输出,D/A转换常用电路,（1）单路锯齿波电压输出,D/A转换常用电路,反向锯齿波程序清单：MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVXDPTR,ADJNZR6,DA2AJMPDA1,D/A转换常用电路,正向锯齿波程序清单：MOVDPRT，#0DFFFH,DA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVXDPTR,AINCR6CJNER6，#0FFH，DA2AJMPDA1,D/A转换常用电路,双向锯齿波程序清单：MOVDPRT，#0DFFFHMOVR6，#00HDA1：MOVA，R6MOVXDPTR,AINCR6AJMPDA1,D/A转换常用电路,（2）单路正弦波电压输出MOVR5，#00HSIN：MOVA，R5MOVDPTR，#TABMOVCA，A+DPTRMOVDPTR，#0DFFFHMOVXDPTR，AINCR5AJMPSINTAB：DB80,D/A转换常用电