模拟采集专题作业2模板

1、作业4：1、 分析一个8路异步模拟信号采集系统，采用SPI接口单一输入ADC+多路模拟开关（型号ADG506），各路信号电压范围03V。设计一个4路同步模拟信号采集系统，其中2路输入信号为+5V，其他为05V，请设计信号调理电路，ADC型号自选。模拟多路开关是数据采集系统中的主要器件之一，他的作用时切换各路输入信号。在测控系统中，被测物理量通常是几个或几十个。为了降低成本和减小体积，系统中通常采用公共的采样保持器、放大器及A/D转换等器件，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通。 ADG506是16路多路选择开关，内部包括16路模拟开关阵列，用于通道选择的数字译码电路和

2、使能输入控制。四位地址位A0A1A2A3的输入决定16路输入信号中要选择输出的通道号，使能端EN控制AD75O6是否处于工作状态。EN信号为高电平时，模拟开关有效。采集通道为48路，每16个组成一组，总共有3组，这3组信号分别通过16选1的多路转换开关把检测结果送入A/D转换器中。需要用3片ADG506完成对48路模拟信号的输入选择任务。这3片ADG506的片选及通道选择时序是由FPGA控制完成的。A/D转换模块我们采用的ADC0809芯片，设有一路信号 (0V5V)从ADC0809的INo通道输入，地址输人端A、B、C均接地，这时1No的通道地址为OOH。0809是8位ADC，对0V,5V的

3、信号，其转换精度为20mV级。P27和共同组成ADC0809的口地址和启动转换控制信号。当P27=0时，指定ADC0809的口地址为0EFFFH；当STC89C52的来到时，0809的ALE在脉冲的上升沿锁存地址信号，START在脉冲的高电平启动A/D转换。在转换结束后EOC输出高电平，转换后的数字量锁存在0809内部的三态输出锁存器中。当输出允许信号为高电平时，转换结果经数据线D7D0输出。如图所示：这个设计的核心我们采用的是STC89C52芯片，P0口作为数据总线和地址总线，首先，当模拟信号输入时，P0口作为数据总线对数据进行输入，其后在把数据传给8255时此时P0口作为一个地址总线。P2

4、作为ADC0809的控制端口。P1作为流水灯控制口。如图所示：利用STC89C52的外部中断0对信号进行切换，INTO为一个下降沿触发。每按一次键，就产生一次中断，因为此时P10,P11口连接ADC0809的A，B口，按键一次对P1口进行加1赋值，所以我们可以通过观测二极管的亮灭判断我们选择哪路信号。如图所示：2、 分析一下多路开关的差分输入方式，并设计一个具体应用。请分析一下ADC器件的关键参数，通过网络检索说明：如何测试ADC器件性能。差分信号的第一个好处是，因为你在控制'基准'电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个地做基准，单端信号方案的系统里，测量信号的精确值依赖系统

5、内'地 '的一致性。信号源和信号接收器距离越远，他们局部地的电压值之间有差异的可能性就越大。从差分信号恢复的信号值在很大程度上与'地'的精确值无关，而在某一范围内。 差分信号的第二个主要好处是，它对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。 差分信号提供的第三个好处是，在一个单电源系统，能够从容精确地处理'双极'信号。为了处理单端，单电源系统的双极信号，我们必须在地和电源干线之

6、间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号，低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高逼真度，而无须依赖虚地的稳定性。用于差分电路的多路模拟开关CD4052B：ADC静态特性：分辨率：ADC的分辨率定位为二进制末位变化1 所需的最小输入电压与参考电压的比值, 即ADC能够分辨的最小模拟量的变化。量化电平：量化电平定义为满量程电压(或满度信号值)UFSR与2的N 次幂的比值, 其中N 为被数字化的数字信号的二进制位数。全输入范围：全输入范围是指允许输入模拟信号的最大

7、值与最小值之差。动态范围：动态范围是指全输入范围与ADC最小可分辨的量值之比。偏置误差：ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC 的输入电压与理论上使最低位被置成“1”状态时的输入电压之差。增益误差：当偏置误差高速为零之后, 输出为全1时对应的实际输入电压与理想输入电压之差。ADC动态特性：频率响应：它是冲击响应的傅里叶变换, 其最佳表达方式是幅频与相频曲线, 从系统辨识的角度看这是在频域对ADC动态线性特性的非参数模型描述。动态积分非线性误差和动态微分非线性误差：动态积分非线性误差( INL)定义为在动态情况下(一般输入信号为正弦信号), ADC实际转换特性曲线之间的最大偏差。

8、每个数码的偏差都是由数码的中心值来度量。ADC的INL是由ADC的模拟前端、采样保持器及ADC传递函数的非线性造成,INL引起的各阶失真分量的幅度随输入信号幅度变化。在某些情况下, INL以相对最佳拟合直线来定义, 拟合曲线通常用最小二乘法求出。动态微分非线性误差(DNL )定义为在动态情况下(一般输入信号为正弦信号) , ADC实际转换特性的码宽(1LSB)与理想代码宽度之间的最大偏差, 单位为LSB。为了保证ADC不失码, 通常规定在25时最大DNL 为±1 /2LSB。ADC的DNL是由ADC本身的电路结构和制造工艺等原因造成某些点的量化电压大于或小于标准量化电压。ADC的传递

9、函数DNL引起的失真分量不仅依赖于信号的幅度, 而且也取决于DNL出现的位置。谐波失真和总谐波失真：由于ADC的非线性使其输出发生失真, 在输出的频谱中出现许多输入信号频率的高次谐波, 这些高次谐波分量称为谐波失真分量。总谐波失真( THD)是指ADC输出信号中包含的全部谐波分量的总有效值与满度输入信号有效值之比, 用dB或%表示。信噪比、信噪失真比和有效位数:信噪比( SNR)是信号电平的有效值与各种噪声(包括量化噪声、热噪声、白噪声等)有效值之比的分贝数。其中信号是指基波分量的有效值, 噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值(除谐波分量和直流分量外) 。信噪失真比(SINAD)也称

10、信纳比, 指ADC输出端信号有效值与奈奎斯特频率以下的全部噪声和谐波分量(包括随机噪声、非线性引起的谐波分量以及采样定时误差的影响等, 但不包括直流分量)的总有效值之比, 记作S/(N +D)。主要是为了强调谐波失真。有效位数( ENOB )是指在噪声和失真存在时,ADC实际可达到的位数。小信号带宽和全功率带宽:ADC的模拟带宽是指输入扫描频率基波在ADC输出端用FFT分析得到的基波频谱下降到3dB处的带宽(不考虑谐波失真和噪声影响) 。根据输入信号幅值不同, 模拟带宽又可以分为小信号带宽( SSBW，一般指1/10满量程) 和全功率带宽(FPBW, 指满量程)。无杂散信号动态范围: ADC的

11、SFDR定义为在第一奈奎斯特区测得信号幅度的有效值与最大杂散分量有效值之比的分贝数。互调失真:当ADC 输入两个频率靠近的信号时, 由于ADC传递函数的非线性, 将导致互调失真(IMD)。通常用两个频率f1 和f2 的纯正弦波同时加到ADC的输入端, 为了在两个信号同相位时不导致ADC限幅, 这两个信号的幅度应稍大于ADC的半满量程。除另有说明, 互调失真是指3阶分量引起的失真, 它是某一输入信号幅度的有效值与3阶互调失真有效值之比的分贝数dBc表示。谐波失真和互调失真是在频域描述ADC的动态非线性的非参数模型指标。ADC测试:测试系统原理传统的动态测试方法是用高精度来重建输出信号，然后用模拟

12、方法分析（如图所示）。但这样的测试方法复杂、精度低、能测试的指标有限。国外从世纪年代起研究用数字信号处理技术对进行动态测试，主要方法有正弦波拟合法、法、直方图法等，而国内这方面的研究则刚刚起步。本文介绍的测试系统是利用作者开发的数字信号处理机中的及其仿真系统来进行数据的采集、存储、处理及显示，从而构成可编程、数字化的性能测试系统。在该信号处理机中，首先采用两路进行、正交采样；然后用并行系统进行数据的运算、求模以及恒虚警处理；最后将结果通过并口传给笔记本电脑进行显示。实时信号处理机原理框图如图所示。其中，芯片是，主频为。它可以通过接口与机相连。机上运行的在线仿真软件，能够实时地控制的运行，并将处

13、理结果以数据或图形的方式显示或存储起来。前面讲过，过去对进行测试是用模拟方法(如图)，并且需要高性能的转换器。现在则利用计算机进行数字信号处理，可以实现数字化的测试。现取处理机中的一路搭建测试系统，如图所示。在本测试系统中，使用信号发生器产生单频正弦信号，。采样频率由可编程逻辑器件（）产生，可产生的采样时钟频率为和两种，可对正弦信号进行整数倍采样（倍和倍）。这里将正弦信号采样数据取为个来进行处理。作业5：1、 检索资料，说明椭圆滤波器的特点及其应用。椭圆滤波器（Elliptic filter）又称考尔滤波器（Cauer filter），是在通带 和阻带 等波纹的一种滤波器 。椭圆滤波器相比其他

14、类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器 ，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器 。一个低通椭圆滤波器的频率响应 的幅度为：其中Rn 是n 阶雅可比椭圆函数 （Chebyshev rational functions）。2、 说明一下无源滤波器的种类及其实验方法。无源滤波器，又称LC滤波器 ，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器 、双调谐滤波器 、高通滤波