《智能仪器设计基础》课件全套 第1-11章 智能仪器设计概述 - 智能仪器设计要求与实例

第1章智能仪器概述智能仪器设计基础CHAPTER01智能仪器设计·第1章本章学习导航01仪器的发展历程从机械式到虚拟仪器的五代演进02智能仪器的特点六大核心特性对比传统仪器03智能仪器的发展趋势微型化、网络化、多功能化等方向04智能仪器的基本结构硬件与软件的系统组成05课程学习方法综合性课程的学习路径第1章智能仪器概述

1.1智能仪器概述

1.2智能仪器的特点

1.3智能仪器的发展趋势

1.4智能仪器的基本结构

1.5课程的学习方法

目录1.1智能仪器概述仪器仪表（instrumentation）

用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备，是人类获取信息、认识世界的重要工具。

仪器仪表能改善、扩展或补充人的听觉、触觉、视觉等感官能力。如显微镜、望远镜、温度计、气压计等。

仪器仪表还可以感受和测量到人所不能感受到的物理量，如电场、磁场、电能、射线等。还有很多仪器仪表都是超越人的能力去感测、计算和记录等，如高精度计时器、辐射计、光谱仪等。仪器仪表是科学研究和试验、精密测试、自动化控制、医疗、计量和经济贸易等领域的重要工具，广泛地应用于科学研究、工农业生产、国防军工、航空航天、日常生活等行业。1.1智能仪器概述仪器仪表的发展

机械式仪器、磁电式仪器、数字式仪器、智能仪器等类型。一般把前二种称为第一代仪器（指针式仪器），数字式仪器称为第二代仪器，智能仪器称为第三代仪器。另外还有基于通用计算机的虚拟仪器等。（1）机械式仪器。早期的测量工具主要是测量、度量器具，如尺子、衡器、天平、标准容器等、各种天文观测仪器如浑仪、简仪、赤道经纬仪等，气象观测仪器如水银温度计、毛发湿度计、干湿球温度计、水银气压计等，光学仪器如显微镜、望远镜、干涉仪、测角仪等，工业和生活中的机械式流量计、压力计等。1.1智能仪器概述仪器仪表的发展

早在17世纪就出现了水银温度计和水银气压计等，机械式仪器根据特定的物理原理，结合一定的机械结构完成物理量的测量和指示，结构简单，结果比较直观。这些仪器（仪表）目前还有不少在应用，但越来越多的被智能仪器所取代。1.1智能仪器概述（2）磁电（或电磁）式仪器。

利用电磁学的三大基本定律，即库伦定律、安培定律和法拉第电磁感应定律。

如电流表、电压表、电能表等。这类仪器是通过磁场对电流的磁力作用，使指针发生偏转，结合表盘的刻度，显示测量结果，典型的仪器是指针式电流表、电压表、功率表、频率表、万用表等。

通过磁力使轮盘旋转，并通过齿轮的变比进行记数，利用轮子侧面数字指示测量结果，如电能表等，这类仪器属于模拟式仪器。

模拟式仪器功耗大、功能单一，精度低，读数存在视差，无法远距离传输等。1.1智能仪器概述（2）磁电（或电磁）式仪器1.1智能仪器概述（3）数字式仪器。

数字式仪器是通过模拟电路对信号进行变换，将被测量转换为电压信号，通过ADC转换为数字量，然后显示在数码显示器上，如数字式万用表等，也有通过转换电路将模拟信号转换为脉冲信号，然后对脉冲信号进行记数，将结果显示在数码显示器上，如数字式电能表等。

数字式仪器测量速度快、读数清晰、直观，使用方便，测量结果也可以打印输出，也容易与计算机技术相结合，并将信号通过数字量进行远距离传输，可以进行遥测和遥控。数字式仪器也存在不足，只是简单地将测量结果以数字形式显示在数码显示器上，无法对数据进行处理和运算，无法进行校准、补偿、标度变换，也无法自动量程切换等。1.1智能仪器概述（4）智能仪器（Intelligentinstrument）。

20世纪70年代，各类集成电路大量出现，特别是微处理器或单片机、运算放大器、模数转换器（ADC）的广泛使用，出现了以微处理器为核心的仪器仪表。这种包含有微处理器或单片机的测量仪器，能够对数据进行采集、存储、运算、传输、逻辑判断及自动化操作与控制等功能的仪器，称为智能仪器,智能仪器能够根据被测信号的变化实现量程自动切换、自动校准、自动补偿、故障自动诊断与报警等，能够根据需要进行必要的控制等。1.1智能仪器概述（5）虚拟仪器。20世纪80年代，微型计算(个人计算机PC)得到广泛应用，微型计算机的显示、存储、数据处理、网络化和输出打印功能强大，主板上包含有并行、串行等各类通用接口，因此出现了将信号调理、数据采集等集成在仪器板卡上，通过微型计算机上的通用接口与这些板卡相连，完成数据的采集与处理，这种仪器称为虚拟仪器（VirtualInstrument)。1.2智能仪器的特点与传统的机械式、磁电式和数字式仪器仪表相比，智能仪器具有以下特点：

（1）操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动与闭合、数据的采集、传输与处理以及显示、打印等都由单片机或微处理器来控制操作，实现测量过程的自动化。

（2）具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪器能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。

(3)具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微处理器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决1.2智能仪器的特点

（4）具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。（5）具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232c、RS485、CAN、USB等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量或控制系统，完成更复杂的测试与控制任务。（6）具有智能化测控能力。近年来，智能化测量控制仪表的发展非常迅速。国内外市场上已经出现了多种多样智能化测量控制仪表。1.3智能仪器的发展趋势

（1）微型化。与传统的机械式、磁电式、数字式仪器相比，智能仪器利用了微处理器、集成运算放大器、模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、液晶显示器、驱动器等，这些器件都采用了大规模集成电路，而且利用软件完成各种数据处理、显示、通信等功能，有些原来由硬件完成的功能，也可以通过软件完成，因此智能仪器的体积趋于微型化，同时也降低了智能仪器的硬件成本和功耗，可靠性有较大提高。

近些年来，微处理器内部集成了各种通信接口如IIC、SPI、CAN、USB、Internet等，使得智能仪器的通信接口电路设计更加方便。还有一些称为混合信号微控制器，还集成了ADC、DAC，有些还集成了变增益放大器（PGA）、比较器等，简化了信号调理和数据转换电路的设计，有些微处理器还集成了LCD与触摸屏控制器等，这些都进一步减小了智能仪器的体积和功耗。1.3

智能仪器的发展趋势

（2）网络化。半导体技术、网络技术和计算机总线技术的发展,以及测控任务的复杂化以及远程监测任务等方面的需求,促进了测控仪器向网络化方向的快速发展，近年来，智能仪器的网络化趋势和特征越来越明显。利用网络技术将传统的分散和单独使用的智能仪器连接在一起，各仪器与控制器之间通过网络交换数据，网络终端的上位机可以将分散测量的数据进行统一的存储、分析与应用。网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器、基于Internet/Intranet的虚拟仪器、嵌入式Internet的网络化仪器、基于IEEE1451标准的智能传感系统与变送器等，以及基于无线通讯网络的网络化智能仪器等。

网络仪器在智能交通、气象仪器、信息家电、家庭自动化、工业自动化、环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越广泛的应用。另外网络化仪器也能够对设计好的智能仪器进行远程升级、功能重置和系统维护等。网络化仪器自动气象站1.3智能仪器的发展趋势

（3）多功能化。微处理器具有强大的处理能力，新型的嵌入式微处理器具有丰富的IO端口，而且体积小，速度高，因此可以将多种测量与控制功能，集成在一个仪器中，一个仪器同时完成多种物理量的测量。例如多功能电能分析仪，能够测量单相或三相电源的电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功率因数等,还有如一台自动气象站，可以测量风速、风向、空气温度、湿度、土壤的温度、含水量等。

（4）人工智能化。人工智能是近些年来在计算机应用的一个新领域，利用计算机模拟人的智能，用于控制、机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展也将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，在视觉（图形及色彩辨识）、听觉（语音识别及语言领悟）、思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。人工智能在智能仪器中的应用，使得智能仪器与控制的自动化程度进一步提高，进一步提高效率、降低成本。1.3

智能仪器的发展趋势

（5）可视化与触摸屏技术得到广泛应用。随着嵌入式微处理器和液晶显示技术的发展，液晶显示屏的尺寸、分辨率等都有了很大提高，成本也大幅度降低，越来越多的仪器开始使用液晶显示屏(LCD)，显示形式丰富多样。可视化（Visualization）是利用计算机图形学方法，将数据以图形或图像形式在屏幕上显示出来，并进行交互处理的的方法。结合LCD的应用，触摸屏技术也得到广泛应用，触摸屏是一种新型的人机交互输入方式，与传统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可以实现手写输入，使得仪器的功能更加丰富，使用更加方便。

（6）虚拟仪器是智能仪器发展的新类型。测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟智能仪器中，数据分析和显示完全用PC机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与PC机组成测量仪器。1.4智能仪器的基本结构

智能仪器是一种专用的嵌入式计算机系统，由硬件和软件两大部分组成。硬件包括CPU或微控制器（MCU）、信号调理电路、模数转换电路（ADC）、键盘与显示器接口、通信接口、开关量输入/输出接口、电源系统，ISP程序下载接口等，另外还有软件系统，基本结构如图所1.1示。智能仪器要完成数据的采集、显示、通信与处理等，除了硬件外，还必须借助于软件完成，因此软件是智能仪器的重要组成部分。

微处理器是智能仪器的核心,运行所要求的软件，需要保存在只读存储器中，另外还需要随机存储器运行程序。早期的微处理器内部没有只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），因此需要在微处理器外部连接专门的ROM和RAM电路用于保存和运行程序，ROM内部程序的删除需要紫外光的照射，程序的写入则需要特殊的电路完成，使用极为不便。智能仪器结构略图智能仪器是一种专用的嵌入式计算机系统，由硬件和软件两大部分组成微处理器CPU/MCU传感器+信号调理电路+ADC键盘与显示器接口开关量I/O接口通信接口RS232/USB/CAN等电源系统+Flash/RAM软件系统：测量程序+数据处理+控制逻辑+通信协议1.4智能仪器的基本结构典型智能仪器---自动气象站231.4智能仪器的基本结构微控制器+CPLD/FPGA构成的智能仪器1.5课程的学习方法

智能仪器设计是一门综合性的课程，内容涉及传感器与检测技术、模拟电路、数字电路、CPLD/FPGA、数字信号处理、单片机、嵌入式设计、C语言、汇编语言等，但课程的目的不是学习这些基本原理，而是在理解这些基本原理的基础上，从应用的角度掌握智能仪器设计相关的基本方法。因此课程中涉及到一些基本概念或理论都是直接给出结果，而没有给出推导过程，器件或芯片的特性等也都是直接给出，以便更好地了解如何选择这器件和芯片，而对于其原理则可以查阅相关课程或文献。因此遇到这些内容的时候，要学会查找资料和复习相关部分内容，以便能够更好地利用这些知识，设计相应的电路和软件。

1.5课程的学习方法

遇到复杂的仪器设计，可能会用到嵌入式微控制器，因此需要学习一些新的微控制器等。另外课程中也尽可能多地介绍各种不同的芯片如微控制器、放大器等，这样可以更多地掌握仪器设计的素材，以便在遇到智能仪器或控制系统设计时，能够从中选择适合自己应用的芯片或设计方案。

遇到一些芯片或电路，应学会查阅相关手册，由于篇幅限制，教材中对多数芯片的介绍都是很简单地说明一些基本参数，目的是尽可能多地介绍仪器设计相关的芯片或模块等，进一步的了解需要查阅相关手册。

习题11-1简述仪器的主要作用。1-2简述仪器仪表的发展过程。1-3说明智能仪器的特点。1-4说明智能仪器的发展趋势。1-5说明智能仪器的基本结构。1-6说明智能仪器的基本结构，为什么有时智能仪器的设计需要MCU与FPGA或CPLD相结合？28本章结束！智能仪器设计基础29第2章

微控制器与可编程逻辑器件智能仪器设计·第2章CHAPTER02本章学习导航01微控制器概述什么是MCU？发展历程与分类028位微控制器MCS-51、STC、AVR、PIC等系列0316位与32位微控制器MSP430、ARM、STM32等04特色微控制器带TFT-LCD控制器的单片机05可编程逻辑器件PLD、CPLD、FPGA简介目录第2章微控制器与可编程逻辑器件

2.1微控制器概述

2.28位微控制器

2.316位微控制器

2.432位微控制器

2.5带有TFT-LCD控制器的单片机

2.6可编程逻辑器件简介

习题2 312.1微控制器概述

微控制器（

MicrocontrollerUnit，MCU）在智能仪器与控制器中起着核心的作用，习惯上也称为单片机。MCU将CPU、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、I/O接口、中断控制器、串行接口等集成在一块芯片上，随着半导体技术的发展，有些还集成了A/D转换器、D/A转换器、USB接口、CAN接口、看门狗、PWM波发生器等外设、构成了一个完整的微型计算机系统。

322.1微控制器概述

微控制器主要为满足工业控制而设计，体积小、功耗低，扩展方便，易于嵌入到其它产品中。有丰富的定时器和中断系统，CPU的位操作、I/O端口的直接操作功能，适应了工业领域的实时控制需求，CPU和存储器、I/O接口、通信接口等集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受到的干扰较小，环境适应性强，可靠性性高、得到广了泛应用。332.1微控制器概述

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机，在一个芯片内集成了8位CPU、1K字节程序存储器(ROM)、64字节数据存储器(RAM)、27根I/O端口和1个8位定时/计数器，中断系统、时钟等，但存储器容量较小，寻址范围小(4K以内)，无串行接口，指令功能不强。

1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机，集成了8位CPU、4K字节程序存储器(ROM)、128字节数据存储器(RAM)、4个8位并行接口、1个全双工串行接口和2个16位定时/计数器。寻址范围为64K，并集成有控制功能较强的布尔处理器完成位处理功能，面向控制的特点进一步突出。MCS-51被公认为单片机最典型代表。MCS-51系列的单片机有8031、8051、8052等子系列，主要区别在于是否有内部程序存储器、数据存储器及容量大小等。342.1微控制器概述

早期的单片机内部ROM较小，一般为4K-8K字节，内部RAM也只有256或512字节，通常需要扩展外部ROM和RAM，一般只能扩展到64K字节。ROM需要紫外光进行擦除，修改不方便，后来EEPROM技术的发展，出现了大容量、可按字节和块进行读-写的FLASH技术，低功耗CMOS工艺的发展，单片机内部集成了较大容量的FLASH和RAM，可满足一般情况下的应用，在系统可编程(ISP)技术，也使得单片机的开发和应用更加简便和高效。

352.1微控制器概述

传统的51单片机虽然功能较强，但也存在不足，如速度不高（一条指令需要12个时钟周期），位数偏低、数据处理能力不强。

近些年来，以ARM为核心的32单片机得到广泛应用。ARM处理器采用16/32位的缩减指令集，具有体积小、功能强、功耗低的优点，集成了大量的片上外设。包括ARM7、ARM9、ARM10、ARM11系列、以及ARM-CortexM、ARM-CortexA等系列。362.1微控制器概述

在有些应用中，需要借助微处理器，完成大量的数学运算如数字滤波、波束形成等，MCU擅长于简单的运算与控制，在数字信号处理为主的场合，存在大量的乘法运算，MCU显得力不从心，于是DSP芯片应运而生，DSP芯片目前主要有TI公司的TMS320系列和ADI公司的ADSP-21系列。

利用传统的数字电路如各种门电路、锁存数器等构成复杂或大量逻辑关系的应用电路时，电路会比较复杂，设计工作量大，可以借助可编程逻辑器件（programmailelogicdevice，PLD）。PLD是一种可以根据需要，由用户自己编程来设置逻辑功能的大规模数字集成电路。PLD根据结构可以分为简单PLD如PAL和GPL，复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA。PLD的编程可以采用原理图输入、硬件描述语言实现。

智能仪器设计中，根据任务的不同可以选用MCU、DSP或PLD，也可以是它们的组合。372.28位微控制器

1.MCS-51系列微控制器MCS-51系列微控制器是一系列微控制器的统称，包括8031，8051，8751，89C51，8032，8052，8752，89C52等。它们的主要区别是内部程序存储器、数据存储器、以及外部中断数量等的差别，51表示基本型，52表示增强型，C表示低功耗的CMOS型等。目前均已停产。20世纪80年代中期以后，Atmel、Philips、AnalogDevices和Dallas等许多半导体厂家生产了51系列的兼容产品。

其中比较有代表性的是Atmel公司的AT89系列51单片机，比较典型的是AT89C51单片机，与MCS-51单片机在引脚、指令等方面完全兼容，但内部集成了4k

字节Flash存储器，可以通过串行接口进行程序下载，方便了单机的应用，虽然目前已停产，但在2000年前后在我国有广泛应用。随着32位单片机的发展，Atmel公司的单片机AT89C51/52/54/58、T89S51/52/54/58等都已停产。382.28位微控制器

392.28位微控制器

2.

STC系列8位微控制器STC系列8位单片机，目前主要是STC8系列51单片机，包括STC8A、STC8G、STC8H等，其中STC8G为小型封装，最少的只有8个引脚。STC系列8位单片机的特点有：（1）具有51单片机功能，指令完全兼容51单片机；（2）片内集成了8K-128K的FLASH、1K-12K的SRAM；（3）引脚数量有多种类型，IO有6-60个，多数均支持中断；（4）集成有SPI、IIC、USART串行接口等，通过串行接口下载程序；（5）集成有10-12位ADC等，扩展了传统51单片机的功能。（6）集成RTC实时时钟、看门狗、5个定时器、PWM定时器；

其中STC8A的PDIP40封装芯片与传统51单片机接口兼容，但增加了很多新的功能。STC系列单片机还进行了扩展，如STC32G为8051内核，但地址总线为24位，部分运算可以32位字长，如加、减和乘法指令均可以为32位，提高了51单片机的运算性能。402.28位微控制器

412.28位微控制器

图2-1STC89C52的引脚与最小系统422.28位微控制器

3.

AVR系列8位微控制器

AVR单片机虽然也属于8位单片机，但它与51单机在结构上有明显的不同。AVR系列单片机是1997年由ATMEL公司生产的一种增强型型、内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetComputer，

精简指令集）高速8位单片机。2016年，Atmel被Microchip收购，AVR成为Microchip生产的一类8位单片机。（1）AVR采用精简指令集（RISC），具有32个通用寄存器（R0-R31），没有采用8051MCU的单一累加器（ACC）结构，R16～R31寄存器均可用于实现累加器功能，避免了一个ACC带来的的瓶颈现象，带有硬件乘法器，提高了乘法运算速度；（2）具有快速的存取寄存器组、单周期指令系统，优化了目标代码的大小、执行效率高，部分型号内部FLASH较大，适用于高级语言编程；432.28位微控制器

3.

AVR系列8位微控制器（3）片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位，片内集成有看门狗；

（4）多数AVR单片机，集成有PWM，RTC，SPI，USART，TWI，ISP，ADC，WDT、模拟比较器等；（5）集成ISP和IAP功能，方便升级和应用；；（6）内部FLASH从4K到128K，SRAM从4K到16K。AVR系列单片机包括AVRDA系列、AVRDB系列、AVRDD系列和ATtiny系列等。引脚有14、20、28、32个不等，可以适应各种不同的应用。442.28位微控制器

3.

AVR系列8位微控制器

图2-2AVR系列单片机452.28位微控制器

4.PIC系列8位微控制器

PIC系列单片机（PeripheralInterfaceController）采用CMOS结构的缩减指令集（RISC：ReducedInstructionSetComputer）架构，早在1988年开始由Microchip公司生产。PIC系列单片机的型号较多，分高、中、低三档，主要特点如下：（1）采用精简指令集。PIC系列单片机采用精简指令集（RISC），其指令针对小型单片机特点设计,指令有58条、35条和33条之分（51单片机是111条）。简洁的指令代码,有利于提高执行速度。462.28位微控制器

4.PIC系列8位微控制器

（2）采用数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构（51系列单片机也是哈佛结构,但程序存储器和数据存储器共用一条总线），提高了指令和数据的处理速度。（3）采用单字节指令，PIC系列单片机数据总线为8位，但指令字节长度为12、14和16位，分别对应低、中和高档单片机，单字长指令使代码短而高效。除少数指令不是单周期之外，大部分指令都是单周期指令，寻址方式简单,只有4种寻址方式(51单片机有7种），这些都提高了单片机的运行速度和执行效率。472.28位微控制器

（4）采用二级流水线结构，提高代码执行速度。

PIC系列单片机具有低工作电压（1.8Vto5.5V）、低功耗、驱动能力强、抗干扰能力强等特点。主要有以下几种系列：

PIC16F152系列，有8、14、16、20、28、40、44引脚几种封装，有6-36个IO端口，其中8个引脚的单片机由该公司最先生产，称为最小单片机。FLASH在3.5K-7KBytes之间。DATASRAM为256和512Bytes之间，带有10位ADC，8位DAC，一个EUSART（异步收发）串行接口，8位定时器和16位定时器，看门狗定时器等。

PIC16F180/181系列，有8-44引脚封装，IO口有6-36个不等，FLASH在7K-28KBytes之间。DATASRAM为512-2048字节之间，带有10位ADC，8位DAC，IIC\SPI和EUSART串行接口，8位定时器和16位定时器，看门狗定时器等。PIC16F171系列，与PIC16F180/181系列类似，但带有一个运算放大器。482.28位微控制器

PIC18F系列，有28、40、44、48引脚几种封装。集成有模拟信号与传感器接口，FLASH在16K-32KBytes之间。DATASRAM为1K-2KBytes之间，带有12位ADC，10位DAC，IIC\SPI接口，2个运算放大器，2个高速比较器。8位定时器和16位定时器。看门狗定时器，26-44个IO等。492.28位微控制器

5.C8051F系列8位微控制器C8051F系列单片机由SiliconLabs公司生产，有几十种型号，带有高速8051CPU内核，集成有2-128KBFLASH，0.5K-8KBSRAM，8-64个IO端口，多通道8-16位ADC，多数为12位SAR型ADC，1~2路电压比较器，内部或外部电压基准，16位可编程定时/计数器，3~5个通用16位定时器等。502.316位微控制器

16位单片机主要有TI公司的MSP430系列、Microchip公司的PIC24F系列等。MSP430是TI公司开发的一种16位超低功耗、混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。将一些模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，可以提供仪器的“单片”解决方案。MSP430系列采用精简指令集的，具有极低的功耗、丰富的片内外设等。其特点主要有：（1）低电压、低功耗，工作电压1.8V-3,6V，正常工作模式下电流为220µA/MHz。待机模式下，电流为0.5-1.2µA（不同型号功能多少不同，功耗会不同），多种节电模式；（2）混合信号处理功能，集成有多通道差分运算放大器，24位Σ-Δ型ADC，有些型号有8、12、16位ADC，最多有16个模拟比较器；（3）16位定时器具有比较输出和捕获功能；（4）具有快速待机唤醒功能；（5）带有16位硬件乘法器；（6）片内0.5k-512kBFLASH，0.5-66kSRAM；（7）不同型号有4-90个GPIO，有些型号带有LCD驱动接口；512.316位微控制器

图2-5MSP430F148引脚

522.432位微控制器近些年来，32位微控制器得到广泛应用，32位微控制器的各类寄存器、存储器都以32位为主，各类运算也是以32位进行，因此具有比8位和16位微控制器更高的处理速度和性能。ARM架构是目前32位处理器的主要类型，以ARM为核心的微处理器或微控制器种类繁多，应用广泛。ARM是一家芯片设计公司的名称，也是相应芯片架构的名称。ARM公司不生产芯片，只设计ARM架构的微处理器内核，该内核一般只包括CPU、寄存器、中断系统、调试系统、总线接口等基本模块，并受权给其他半导体公司，各半导体公司根据自己芯片的定位，在ARM内核的基础上，设计各类片内功能模块如定时器、程序存储器、数据存储器、通信接口等，然后封装为大小和形态各异的微控制器。因此ARM微控制器种类繁多，功能也千差万别。532.432位微控制器从1985年ARM公司诞生至今，开发了多个系列的ARM内核，应用较多的有ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、ARM-Cortex等。各系列又包括多个品种，如ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T和ARM7EJ-S等。目前主要应用的是ARM-Cortex内核的微控制器，ARM-Cortex又分为三个系列，分别是ARM-CortexM系列、ARM-CortexR系列、ARM-CortexA系列，其中应用较多的是M系列和A系列，M系列针对微控制器领域，如单片机。A系列针对应用领域，如手机、平板电脑等，A系列微处理器带有虚拟内存管理，可用于运行复杂的操作系统，如Linux操作系统等。542.432位微控制器以ARM-CortexM为内核的STM32系列微控制器，在智能仪器与嵌入式应用中得到广泛应用。STM32系列微控制器按基本、高性能、低功耗等分为多个系列，每个系列根据存储器大小、封装、定时器、ADC、DAC、I/O口数量、串口种类及数量、供电电压、功耗、使用温度范围等不同。

STM32系列MCU分为（1）高性能系列（HighPerformance）：STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7等，内核频率从120MHz到550MHz，带有指令和数据缓存、单精度或双精度浮点运算单元，2MbFlash，512KbRAM,带有USB、CAN、TFT-LCD等控制器等。552.432位微控制器（2）主流系列（

MainstreamMCUs）：STM32F0、STM32G0（低成本应用）、STM32F1、STM32F3、STM32G4，引脚从8个到144个，Flash从16Kb到1Mb，可以适用各种应用。一般带有12位ADC，部分带有16位Ʃ-ΔADC和12DAC，方便了模拟信号应用。（3）低功耗系列（UltraLowPower），包括STM8L（8位专有内核）、STM32L4（Cortex-M4）、STM32L0（Cortex-M0+）和STM32L1（Cortex-M3）。STM32L5（Cortex-M33）等。STM8L/STM32L电流最低可到170nA。STM32L0系列为低功耗节能应用，封装最少为14个脚，内含8Kb到192KB的Flash，可有于超低功耗和低成本应用的场合。562.432位微控制器STM32F1-F4系列主要特点有：属于Cortex-M3/M4内核，带有64K-196K字节SRAM，片内FLASH容量从16K到1Mb；多个16-32位定时器，CAN，SPI，I2C，USB，UART等通信接口；2-3个个12位ADC，2个10-12位DAC；CRC校验单元；2个看门狗定时器（独立型和窗口型）；2个DMA控制器，多种节能模式，日历时钟，多达140个IO,并可用于外部中断等。ARM-CortexM系列还有GD32F1/F3、CH32F1/F2等，它们与STM32具有类似的特点与功能。有些32位或64位微控制器如S3C2440，S3C6410系列，以及ARMCortexA处理器，如Cortex-A9、Cortex-A15等，带有MMU（MemoryManagementUnit，内存管理单元），支持Linux等操作系统，在图像处理、智能手机、网路设备、服务器等领域得到广泛应用。572.432位微控制器

图2-6STM32F103RCT582.5带有TFT-LCD控制器的单片机数据的显示是多数智能仪器需要具备的重要功能，有时显示需要占用大量的单片机IO端口，甚至是单片机的处理时间。早期主要是单色的笔段式显示，利用单片机普通的IO端口可以控制数据的显示，有些单片机带有LCD显示控制器，如MSP430F4793带有LCD控制引脚，可以控制160段或点的LCD,可以方便智能仪器的设计。随着TFT-LCD显示技术的发展，智能仪器与控制器的显示方式也出现了丰富多彩的形式，TFT-LCD显示器具有体积小、分辨率高、功耗低、颜色丰富多样等特点，但TFT-LCD显示器通常需要三基色RGB数据的写入与控制，因此一般的单片机很难能够完成。但也有部分单片机内部集成了TFT-LCD控制器，除了单片机的一般功能外，还具有显示控制的功能，以下简单介绍T5L系列单片机的功能与应用。592.5带有TFT-LCD控制器的单片机T5L系列ASIC是一种双核单芯片IC,以8051为核心用于测量与控制，另一个核心为GUICPU，主要运行显示图像的处理。24位彩色显示，可以达到800×600到4096×2048的分辨率。主要分为T5L0、T5L1、T5L2、T5L3等。芯片内置高速显示缓存，1MBytesFLASH，1.5MBytesSRAM；64bit乘法和除法器；内置看门狗，3个16bitTimers，12路中断，支持四级嵌套，支持2KHD流媒体播放。1路15bit32KspsPWM数字功放驱动扬声器；支持电阻或电容触摸屏，带有22个IO，4路UARTs，1路CAN接口，7路12bitADC，2路PWM,RTC等。T5L芯片的两个内核8051内核与GUI内核之间通过变量存储器，来实现数据的交换。8051内核的主频可以达到250MHz，GUI内核里运行图形界面的构建和渲染,内置2D硬件加速，可以使图形界面刷新和流畅地切换。602.5带有TFT-LCD控制器的单片机图2-10带有TFT-LCD控制器的T5L单片机及TFT_LCD612.6可编程逻辑器件简介可编程逻辑器件（programmailelogicdevice)简称PLD，是一种可以根据需要，由用户自己编程来设置逻辑功能的大规模数字集成电路。传统的逻辑电路芯片，出厂后其输入与输出引脚之间的逻辑关系是固定的，无法更改，由固定逻辑关系的芯片可以构成复杂逻辑功能的电路，但电路复杂，设计难度大。利用PLD可以大大简化传统数字电路的设计，提高数字电路的设计效率，增加数字电路的可靠性。可以通过计算机软件编程的方法，编写与改变数字电路的逻辑功能。PLD按照结构可以分为(1)简单结构PLD,包括PAL和GPL。PAL即ProgrammableArrayLogic,可编程阵列逻辑，GAL即GenericArrayLogic，通用阵列逻辑，它们是两类结构稍有区别的PLD；(2)复杂可编程逻辑器件，CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice);(3)现场可编程门阵列,FPGA(FieldProgrammableGateArray).622.6可编程逻辑器件简介GAL的功能非常有限，只能构成数量有限的逻辑电路，只有少量芯片可选用，如GAL22V、GAL16V8等，GAL主要是Lattice公司生产，但目前基本都已停产。CPLD如可以实现较复杂的逻辑功能和简单的数字逻辑运算，有不少芯片可以选用。FPGA可以实现较大规模的数字逻辑运算电路，有较多的芯片可以选用，也是主要的PLD器件。CPLD通常基于乘积项(product-term)技术，采用EEPROM(或Flash)工艺，如Altera公司（已于2015被Intel收购）的MAX系列，Lattice公司的ispMACH4000ZE/V/B/C/Z系列，Xilinx的CoolRunner-II(XC2C)系列等，这种CPLD都支持ISP技术在线编程，也可用编程器编程，并可以加密。632.6可编程逻辑器件简介FPGA通常基于查找表(LookUpTable，LUT)技术，采用SRAM工艺，如Intel(Altera)公司的Cyclone、Arria、Stratix系列，Lattice公司的MachXO3D、MachXO3、MachXO2、LatticeXP2系列等和Xilinx公司的Spartan、Artix、Kintex系列。由于SRAM的易失性，因此调试期间可以用下载电缆配置FPGA/CPLD器件，调试完成后，需要将数据固化在一个专用的EEPROM中(用通用编程器烧写)。上电时，由配置EEPROM先对FPGA/CPLD加载数据，十几毫秒后，FPGA/CPLD即可正常工作(亦可由CPU配置FPGA/CPLD)。对用户而言，CPLD与FPGA的内部结构稍有不同，但用法类似。642.6可编程逻辑器件简介FPGA/CPLD的编程与设计方法有原理图输入、硬件描述语言(HDL文本输入)二种，其中HDL包括AHDL、VHDL、VerilogHDL等，由于VerilogHDL的编程风格接近C语言，得到广泛应用，是目前主要的编程工具。各公司开发CPLD/FPGA的编程软件是统一的，但开发工具不同，Intel公司的工具是IntelQuartusPrime,

Xilinx公司的工具是Vitis，Lattice公司的开发工具是LatticeDiamondDesignSoftware。65习题22-1简要说明微控制器的发展历史。2-2查资料了解微控制器的开发工具有哪些？2-3说明8位、16位和32位微控制器有哪些？2-4查资料了解STC32G微控制器的特点与开发方法。2-5查资料了解GD32F1系列微控制器的特点与开发方法。2-6可编程逻辑器件的特点与应用有哪些？

6667本章结束！第3章直流电源与基准源电路设计智能仪器设计基础68智能仪器设计·第3章CONTENTS·学习路径本章导读：电源和基准源电路01概述：两类电源与关键技术指标线性vs开关、隔离vs非隔离，以及纹波、调整率、PSRR、效率02直流稳压电源设计：内部小功率供电三端稳压器与LDO；Buck/Boost/Buck-Boost/电荷泵四类DC/DC03基准电压源设计：测量的"标尺"齐纳与带隙原理；并联型LM4040/TL431、串联型LM414004基准电流源设计：高精度恒流Wilson与运放恒流源；集成恒流源LM134及温度补偿目录第3章直流电源与基准源电路设计

3.1概述

3.2直流稳压电源设计

3.2.1线性稳压电源设计

3.2.2开关型稳压电源设计

3.3基准电压源设计

3.3.1基准电压源原理

3.3.2基准电压源设计

3.4基准电流源设计

703.1概述

智能仪器属于电子设备，需要有电源才能工作，电源性能的优劣会影响其可靠性和安全性，精密测量仪器对电源的性能有更高的要求。电源的种类有很多，在智能仪器设计中，广泛应用的是直流稳压电源，另外在很多测量中，需要基准电压或电流作为参考，它们需要专门的芯片及电路。本章简要介绍智能仪器设计中需要掌握的：

直流稳压电源

基准电压源

基准电流源等

相关基本知识与电路设计713.1概述

1.线性电源与开关电源

在直流电压变换过程中通常需要借助三极管（称为调整管）进行电压大小转换，其中的三极管，可以工作在线性放大状态，也可以工作在开关状态，根据三极管工作的状态，把直流稳压电源分为二类

线性直流稳压电源

开关直流稳压电源，这二类直流稳压电源不同的特点。图3-1线性稳压器原理图3-2开关稳压器原理723.1概述

1.线性电源与开关电源

在常见的集成稳压器芯片如三端稳压器7800系列、W117系列、LM1117系列等均属于线性稳压器，其工作时均借助多个处于放大状态的三极管。

开关电源的电路形式很多，可以用分立元件（三极管或MOS管）构成。也可以用集成芯片与分立元件共同构成，也有的是利用集成芯片，外加几个电阻、电容和电感构成，在一些小功率直流电源中常用这种形式，具有电路简单、体积小的优点。

开关电源是将直流电压转化为高频交流电，交流电的频率在几十KHz到MHz之间，再通过整流、滤波、稳压后转换为电压值不同的直流电压。交流电的频率较高，滤波电感较小也可以有较大的感抗，导线电阻也较小，因此工作时发热量小。因此开关电源的体积和重量都可以做得比较小，成本也较低，得到广泛应用。开关电源将一种直流电压变换为另一种直流电压，称为DC/DC变换器。733.1概述

1.线性电源与开关电源

线性电源的优点在于没有额外的高频干扰，纹波系数较小，电源质量较高。不足在于线性稳压器的调整管工作在放大状态，导通电阻较大，因此会存在发热现象，当电流较大、以及输入、输出压差较大时，发热会更严重一些，另外线性稳压器的输出电压一定比输入电压低，无法得到电压高于输入电压的输出。743.1概述

1.线性电源与开关电源

开关直流电源的开关状态是通过三极管的截止与饱和导通实现的，饱和导通时电阻很小，因此即使电流较大，发热也不严重。

优点：转换效率较高，输入输出之间的电压差可以较大，芯片发热小。

不足：电路较复杂，存在高频电压，容易引入额外的干扰与噪声，若处理不好，会对模拟电路产生较大干扰，影响测量精度。753.1概述

2.隔离电源和非隔离电源

隔离电源是指电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，它们之间是绝缘或高阻状态。隔离电源的优点在于，

（1）可以降低前端电源损坏，而损坏后级电路的情况。

（2）在工业测量与控制设备中，有时要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声、隔离高共模电压等，采用带有隔离变压器的直流变换器，将两个电源之间隔开，使他们相互独立，从而实现两个系统之间的隔离。

（3）可以保护后级操作人员的安全。非隔离电源是输入和输出之间有直接的连接回路，如输入和输出之间存在共地等。隔离电源的体积较大，成本也较高。763.1概述

2.隔离电源和非隔离电源

隔离电源的实现方法，通过隔离变压器进行隔离。隔离变压器的输入回路和输出回路之间没有电气连接，每个回路有各自己的地电平，如图3-5所示。

常用的小功率隔离电源是隔离式DC/DC变换器。通常前级需要将直流转换为交流，然后通过变压器输出，再经整流、滤波后转变为直流，二个直流回路的地互不连接。

有一些集成芯片可以完成将直流转换为交流，但需要外加变压器和整流电路，得到隔离的直流输出，如LM25180、LM25184等，可以输入4.5V至42V的直流电压，输出电流可以高达4.1A。图3-5隔离电源原理773.1概述

3.电源的主要技术指标

电源的技术指标较多，这里只介绍几个主要的技术指标。（1）额定输入电压，电源的输入电压范围，如果是交流电还有电源的频率等。（2）额定输出电压，额定输出电压是电原正常工作时输出电压的标称值，有些电源可能有两组及两组以上的输出端，可以有不同的输出电压标称值，例如24V、12V、5V等。（3）额定输出电流。额定输出电流是电源满载工作时输出电流的标称值，有些电源可能有两组及两组以上的输出端，可以有不同的输出电流标你值。例如12V/3A、5V1A等。（4）输出纹波（噪声）电压，理想的直流电源输出电压，应该是固定不变的。但通常都会在直流电压上叠加一些较小幅度的交流电压，这种交流电压称为纹波电压。纹波电压主要由来自输入的电网电压，对开关电源还来自于电路开关引起的高频交流电压。783.1概述

3.电源的主要技术指标（5）电压调整率或线性调整率，输入电压变化时，输出电压变化与额定输出电压的比值，通常用百分数表示，例如0.2%。该数值越小，表明输出电压的稳定度较高。

（6）电源抑制比PSRR（PowerSupplyRejectionRatio），PSRR反映了输入电压变化时，对输出电压变化的影响。

（7）电流调整率，也称为负载调整率，是指在额定输入电压时，由于负电流变化引起的输出电压变化量与额定输出电压的比值，通常用百分数表示，例如1.0%，该值越小表明电源的稳定度越高。

（8）电源效率，电源的效率是指输出功率与输入有功功率的比值，通常用百分数表示，例如80%，该数值越大，表明电源的输出效率越高，线性电源的效率最大在60％左右，典型的平均值在30-40％。开关电源的效率一般在80%以上，多数可以达到90%以上。793.2直流稳压电源设计

3.2.1线性稳压电源设计

智能仪器设计与应用中，电源可以分为外部电源与内部电源，外部电源是将市电（交流电）转换为直流电的电源，为整机提供电源。在工业与实验室应用中常用的是24V、±12V等。内部电源将外部电源提供的较高直流电压（如24V），转换为微控制器、数字电路、模拟电路需要的电压，如5V、3.3V、1.8V等。外部电源可以选用独立的电源产品，这类产品种类很多，电压、功率等差别较大，可以根据需要选择。独立电源的设计较复杂，属于一个专门的学科，有很多文献可以参考，也可以选用现成的产品，因此这里不作介绍，这里只介绍智能仪器设计中，需要根据具体应用设计的内部电源。803.2直流稳压电源设计

3.2.1线性稳压电源设计

三端稳压器是常用的线性集成稳压器，具有电路简单、成本低的优点，得到广泛应用。早期常用的是78系列三端稳压器，该系列稳压器要求输入电压比输出电压至少高出2V~3V以上，否则无法工作。但在一些应用中，这样的条件无法满足，如5V转3.3V，输入与输出之间的电压差只有1.7V，78系列稳压器无法使用。近年来出现的LDO（lowdropoutregulator）三端稳压器，是一种低压差线性稳压器，输入电压与输出电压之间的电压差可以更低，一般只要大于1.2V即可正常工作，使用更加方便，得到广泛应用。

LDO线性稳压器种类有很多，比较有代表性的是W78系列、1117系列，有固定输出电压型如1.8V，2.5V，3.3V和5V等，也有可调输出电压型，通过外加电阻可以调节输出电压大小。最大输出电流在1A左右。LDO线性稳压器与78系列的电路连接类似，使用方便。图3-6给出了1117系列LDO线性稳压器的引脚与一种典型连接电路。813.2直流稳压电源设计

3.2.1线性稳压电源设计图3-61117系列LDO线性稳压器的引脚与连接电路图3-71117系列LDO线性可调稳压器的连接电路823.2直流稳压电源设计

3.2.1线性稳压电源设计

LDO线性稳压器的输入电压应高于输入电压1.2V以上，但不易过大，一般输出电压高时，输入电压也可以高一些，如有些5V电压输出的芯片，输入电压小于15V，有些3.3V电压输出的芯片输入电压要求小于6V等，因此需要根据输出电压大小与芯片类型确定最大输入电压，输入电压与输出电压差大时，芯片温升会比较大。

对双电源如±12V,需要采用带抽头的变压器输出后，经整流和线性变换后得到，如图3-8是利用7812和7912输出双电源如±12V的一种参考电路。图3-8正负双线性电源电路833.2直流稳压电源设计

3.2.2开关型稳压电源设计

线性电源的电流输出能力较弱，存在发热现象，在输入、输出压差较大时，发热会更严重，线性电源的输出电压比输入电压低，无法得到电压高于输入电压的输出。因此在一些应用中常用直流开关稳压电源。

常用的直流开关稳压电源是集成直流开关稳压器，具有其体积小，电路简单等优点，常被用于设计内部电路的小功率开关直流稳压电源。集成开关直流稳压器类型较多，总体上有DC/DC降压型（Buck型）、DC/DC升压型（Boost型）、DC/DC升压/降压型（Buck/Boost型，极性反转型）和电荷泵型几类，这里只简单介绍它们的结构与原理。843.2直流稳压电源设计

1.降压式DC/DC变换器

降压式DC/DC变换器(BuckConverter)，或Buck变换器，是常用的一种DC/DC变换器。降压式变换器能将较高的直流电压，变换为较低的直流电压，例如将24V电压变换成12V或5V电压，降压式变换器的损耗低，效率很高，得到广泛应用。853.2直流稳压电源设计

1.降压式DC/DC变换器图3-9降压式DC/DC变换器

降压式DC/DC变换器的原理如图3-9所示，图中VI为直流输人电压，VT为功率开关管，VD为续流二极管，L为输出滤波电感（或储能电感），C为输出滤波电容，Vo为直流输出电压，RL为外部负载电阻。脉宽调制器(PWM)用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。VT工作于饱和导通与截止二种状态，导通时电阻很小，所以不会有大的温度升高。当VT导通时VI为电容C充电，并给负载提供电压，由于L的存在，电压会低于VI，当VT断开时，电感和电容继续为负载提供电压，选择合适的电感和PWM波的占空比，可以使输出电压达到预设值。863.2直流稳压电源设计

2.升压式DC/DC变换器

升压式DC/DC变换器，简称升压式变换器（BoostConverter），或Boost变换器，也是常用的一种DC/DC变换器。升压式变换器能将较低的直流电压变换成较高的直流电压，例如将1.5V或3.7V电压变换成12V或5V电压。升压式变换器也具有损耗小，效率高的优点，主要应用于由电池供电的设备，其中需要的工作电压比电源电压高的场合。873.2直流稳压电源设计

2.升压式DC/DC变换器图3-10升压式DC/DC变换器

升压式DC/DC变换器的原理如图3-11所示。图中输入为直流电压，VT为功率开关管，VD为续流二极管（也称升压二极管)，L为储能电感（也称升压电感），C为输出滤波电容，Vo为直流输出电压，RL为外部负载电阻，脉宽调制器（PWM）用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。闭合开关会引起通过电感的电流增加。断开开关会使电流通过二极管流向电容。由于VT断开而在电感上感应的电压与输入电压串联，从而产生比输入电压高的电压。需要根据需要设计PWM波的点空比。883.2直流稳压电源设计

3.降压/升压式变换器的工作原理降压/升压式DC/DC变换器，简称降压/升压式变换器（Buck-BoostConverter），或称为Buck-Boost变换器，也是一种基本的DC/DC变换器，其输出电压大小（电压的绝对值）可大于也可小于输入电压，因此称为降压/升压式变换器，该变换器的输出电压与输入电压极性相反，因此也称为极性反转式变换器。例如将5V或12V电压变换成-5V或-12V电压。主要应用于需要电源极性变换及由电池供电的便携式设备中。893.2直流稳压电源设计

3.降压/升压式变换器的工作原理

降压/升压式DC/DC变换器的拓扑结构如图3-11所示。其中VI为直流输人电压，VT为功率开关管，VD为续流二极管，L为储能电感，C为输出滤波电容，它们的值都很大。Vo为直流输出电压，RL为外部负载电阻，脉宽调制器(PWM)用来控制功率开关管VT的导通与关断，是变换器的控制核心。Buck/Boost变换电路可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成。

当开关VT导通时，电感L通电并储存电能，同时滤波电容C中的电能向负载RL供电。当开关VT断开时，电感中储存的能量向电容C充电，并给负载RL提供电能。可以看出，负载电压极性为上负下正，与电源极性相反，因此也称为极性反转型电压变换器。图3-11降压/升压式DC/DC变换器903.2直流稳压电源设计

4.电荷泵型DC/DC变换器（ChargePumpConverter）

电荷泵变换器，主要用于升压输出（倍压输出），以及负压输出，即电压反转输出，称为电压反转电荷泵（InvertingChargePump）。电荷泵电路简单，效率一般在60-80%之间，也可以达到90%左右。但由于电荷泵采用电容进行储能，而电容储能不会很大，电容大时充电时间也较长，因此电荷泵变换器的功率不会很大，电压多在12V以内，电流一般在100mA以下，当负载电流较大时，电压会有一定下降。电荷泵变换器多用于电池供电，需要升压，或需要双电源（如±5V）供电的应用中。913.2直流稳压电源设计

4.电荷泵型DC/DC变换器（ChargePumpConverter）

电荷泵变换器的基本结构由4个CMOS开关和2个电容构成，另外还有稳压电路等。开关集成在芯片内，电容一般外接。如图所示为电荷泵DC/DC变换器反相输出基本结构。开关按顺序切换可以反转输入电压，S1和S3闭合，S2和S4断开时，C1充电至电源电压VI。然后S1和S3断开，S2和S4闭合，C1给C2充电，在多个循环之后，C2两端的电压将被泵送到VI。由于C2的正极接地，则负极的输出为−VI，当C2上无负载，开关无电能损失，电容器中没有损耗时，输出电压为−VI。图3-12极性反转型电荷泵变换器923.2直流稳压电源设计

4.电荷泵型DC/DC变换器（ChargePumpConverter）

升压电荷泵变换器的原理如图3-13所示，开始S1和S4闭合，S2和S3断开，C1充电至电源电压VI。然后S1和S4断开，S2和S3闭合，VI与C1上的电压串联后给C2充电，在多个循环之后，C2两端的电压将被泵送到2VI。当C2上无负载，开关无电能损失，电容器中没有损耗，输出电压为2VI。也可以通过稳压电路，输出不大于2VI的直流输出。

电荷泵的开关频率根据类型不同，从几十kHz到数MHz。极性反转式转换器和电荷泵变换器的输出直流功率比较小，如果输出电流较大时，则输出电压会低于额定电压。

目前有多种芯片可以实现电压反转输出与倍压输出。图3-13倍压型电荷泵变换器933.2直流稳压电源设计

5.开关直流稳压电源设计

根据上述DC/DC变换器原理实现的集成稳压器，可用于开关直流稳压电源设计，简化了小功率电源的设计，降压型、升压型、升压/降压型需要外加电感，体积稍大一些，电荷泵型需要外加电容器，体积小一些。

LM2596是一款降压式（StepDown）DC/DC变换器，开关频率为150kHz，输出电压有3.3V、5V、12V和电压可调型4种，最大输出电流为3A。输出电压最大为40V。可调电压型电压范围为1.2-37V。需要外加一个电感、一个肖特基二极管和几个电容器。转换效率与输出电压大小有关，在70%-95%之间，输出电压低时效率低一些，例如输出电压为3.3V时效率约75%，12V时为90%左右。图3-14给出了LM2596-5引脚与连接电路。

图3-14LM2596-5引脚与连接电路943.2直流稳压电源设计

5.开关直流稳压电源设计

对于电压可调型LM2596-ADJ需要通过2个电阻进行分压，调整输出电压的大小。图3-15给出了LM2596-ADJ的连接电路。输出电压VOUT=1.23V(1+R2/R1)，其中R1=1kΩ，R1=根据输出电压的值确定。电感的大小需要根据输出电压的大小和最大输出电流选择，当输出电压高和最大输出电流大时，电感大小应增加，在22μH-68uH之间。图3-15LM2596-ADJ的连接电路953.2直流稳压电源设计

5.开关直流稳压电源设计

电荷泵型DC/DC变换器只需外加几个电容和电阻即可。MAX669是一种电压反转型电荷泵变换器，输出电压通过外加电阻设定，最大输出电流200mA，开关频率2MHz，电压输入范围为2.7V到5.5V之间，输出电压为-2.5V到-VIN之间可设置，具有短路和温度保护功能。如图3-16给出了电荷泵型变换器MAX669的引脚与连接电路。输出电压为VOUT=-VREF(R2/R1)，VREF，可以接VIN或其它基准电压。另外还有LM2776、LT1054、ICL7660等。

图3-16电荷泵型变换器MAX669的连接电路963.3基准电压源设计

3.3.1基准电压源原理

基准电压源（VoltageReference）是智能仪器设计中，最常用的电压标准，要求精度高、稳定性好，基准电压源常常用做定量测量时的比较标准，要有高的电压稳定度，能够保持长期恒定，受环境温度、电源电压、负载等影响小，且随时间变化小。

其特征是（1）输出电压温度漂移小；（2）电源抑制比PSRR（PowerSupplyRejectionRatio）大；（3）受负载变化影响小；（4）时间漂移小，比一般电源具有更高的精度和稳定性。

主要应用于（1）模数转换、数模转换电路；（2）系统误差校准；（3）电压检测门限；（4）控制电路电压基准；（5）线性稳压电源和开关稳压电源源等。

基准电压源在原理上有2种类型，一是齐纳二极管型（Zenerdiode），二是带隙型(Bandgap）。973.3基准电压源设计

3.3.1基准电压源原理

从应用方式上分串联基准电压源和并联基准电压源。串联基准电压源与负载串联连接，并联基准电压源与负载并联连接，并联基准电压源是通过分流方法改变负载电流，因此也称为分流式电压基准源（ShuntVoltageReference）。串联基准电压源和并联基准电压源只是的应用方式上的不同，它们的原理可以是齐纳二极管型或带隙型，目前集成的基准电压源芯片，无论串联的还是并联的，基本都是带隙型。以下介绍这两种基准电压源的工作原理。983.3基准电压源设计

1.基准电压源原理

（1）齐纳二极管基准电压源原理

齐纳二极管（Zenerdiode）,也称为稳压二极管。是利用PN结反向击穿时，电流可以在很大范围内变化而电压基本不变的现象，制成的具有稳压作用的二极管。齐纳二极管的电压类别有很多，从2V左右到近200V。实际上当击穿电压低于5伏时，耗尽区非常薄，主要是齐纳击穿。当击穿电压高于5伏左右时，主要是雪崩击穿。相应的二极管称为齐纳二极管和雪崩二极管，但通常都称为齐纳二极管。齐纳二极管的型号比较多，如2.7V、3.0V、3.3V、5V、…、24V等，功率为0.5W、1W等。

单一的齐纳二极管由于电压温漂比较大，因此在精密测量中应用较少，主要用在一些电源设计中。多数并联基准电压源的原理是带隙型，但其性质和用法与齐纳二极管类似，因此这里介绍一下齐纳二极管的特点与应用。齐纳二极管是最基本的电压基准，是典型的并联稳压结构。993.3基准电压源设计

1.基准电压源原理

（2）齐纳二极管的主要参数Vz—稳定电压。指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。Iz—稳定电流。指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值，一般是一个区间。低于区间下限时，稳压管虽可以稳压，但稳压效果会变差，高于区间上限时，只要不超过额定功耗限制，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但功耗变大。Ctv—电压温度系数(TemperatureCoefficient)。稳定电压受温度影响的参数。Rz—动态电阻。指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻则愈小。Pz—额定功耗。由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。1003.3基准电压源设计

1.基准电压源原理

（3）齐纳二极管稳压电路齐纳二极管应用时需要串联一个电阻，以限制最大电流。负载与二极管并联。如图3-17给出了齐纳二极管的稳压电路，其中VI为输入电压，R1为限流电阻，DVz为齐纳二极管，RL为负载，VREF为基准电压输出。图3-17齐纳二极管稳压电路1013.3基准电压源设计

2.带隙基准电压源(Bandgapvoltagereference)原理

带隙基准电压源的基本原理是通过外加电路，补偿单个PN结电压存在的温度漂移，带隙是指在温度为0K时，硅材料禁带宽度的等效电压值，大小为1.206V，通过温度补偿后的电压输出恰好等于这一电压值，其大小与温度无关，因此具有很好的稳定性，所以用作电压基准，不受温度变化影响，得到广泛应用。根据这一电压基准，通过电路变换得到大小不同的基准电压源。图3-18带隙基准电压源原理图1023.3基准电压源设计

2.带隙基准电压源(Bandgapvoltagereference)原理

带隙基准电压源的基本原理是通过外加电路，补偿单个PN结电压存在的温度漂移，带隙是指在温度为0K时，硅材料禁带宽度的等效电压值，大小为1.206V，通过温度补偿后的电压输出恰好等于这一电压值，其大小与温度无关，因此具有很好的稳定性，所以用作电压基准，不受温度变化影响，得到广泛应用。根据这一电压基准，通过电路变换得到大小不同的基准电压源。图3-18带隙基准电压源原理图

其中对于硅材料Vg=1.206V为带隙电压，与温度无关。k和q分别为玻尔兹曼常数与电子的电量，A1和A2分别为PN结面积。ɑ为温度系数，通过改变R1和R2的大小可以使VREF式中后二项的和为零，从而使VREF=Vg2

1033.3.2基准电压源设计

2.带隙基准电压源(Bandgapvoltagereference)原理

集成基准电压源，具有电路简单、精度高的优点，集成基准电压源原理多为带隙型，芯片内部集成带隙内核，然后通过其它电路变换，实现不同的基准电压输出，主要有两种，一种是并联基准电压源，一种是串联基准电压源。

并联与串联指的是基准电压源与负载之间是并联关系还是串联关系。并联电压基准源一般只有二个引脚，和稳压二极管类似，使用时与负载是并联关系。串联基准电压源一般有三个引脚，与三端线性稳压器类似，应用时与负载串联在电路中。

基准电压源无论是并联型还是串联型，主要是带隙型的，下面分别介绍集成并联型和串联型基准电压的电路设计。1043.3.2基准电压源设计

2.带隙基准电压源(Bandgapvoltagereference)原理

1.并联基准电压源电路设计并联电压基准源，虽然是带隙型，但从外部看，使用方法与齐纳型稳压管应用方法类似。并联型基准电压源型号有很多，如TL431/432系列、LM4040/LM4050系列等，LM4040是TI公司生产的一种串联型基准电压芯片，电压输出有2.048V，2.5V，3V，4.096V，5V，8.192V和10V几种，最大温度系数有0.1%，0.2%，1.0%，0.5%之分，温度漂移为1