模拟电路子系统的设计

1、.,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

2、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。 （

3、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

4、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）

5、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60

6、PF。 （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

7、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

8、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 = sin t,则 = = =2 若将Ua741接成电压跟随电路，并输入 =2V，

9、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）

10、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

11、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。,.,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-p6V、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

12、宽积130Mhz)，设计电路如图所示。,.,仪表放大器,.,滤波电路,.,2.4.2 D/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

13、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

14、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

15、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： MOV DPRT，#0DFFFH DA1：MOV R6，#80H DA2：MOV A，R6 MOVX DPTR,A DJNZ R6,DA2 AJMP DA1,.,D/A转换常用电路,正向锯齿波程序清单： MOV DPRT，#0DFFFH,DA1： MOV R6，#80H

16、 DA2： MOV A，R6 MOVX DPTR,A INC R6 CJNE R6，#0FFH，DA2 AJMP DA1,.,D/A转换常用电路,双向锯齿波程序清单： MOV DPRT，#0DFFFH MOV R6，#00H DA1：MOV A，R6 MOVX DPTR,A INC R6 AJMP DA1,.,D/A转换常用电路,（2）单路正弦波电压输出 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 80,.,D/A转换常用电路,（3）两路正弦移相