第二章 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-200KHz＜±3%；2Hz-500KHz＜±5%。（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）被测信号衰减放大整流表头电源电压表须有衰减、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公共衰减器衰减T1阻抗变换整流放大A2阻抗变换衰减T2放大A1量程和开关电源被测信号表头系统设计（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。vdA·HfvdAHfuA741增益带宽特性曲线RSmaxtvoddiVimVRSmaxtvoddomVomfViV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。AvcAvd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1012Ω，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600Ω、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=A·Ui（0≤A≤1）DAC和运算放大器：UO=-Dn·Ui（0≤Dn≤1）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（0≤A＜1）OVRV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，R6MOVX@DPTR,ADJNZR6,DA2AJMPDA1D/A转换常用电路正向锯齿波程序清单：MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6CJNER6，#0FFH，DA2AJMPDA1D/A转换常用电路双向锯齿波程序清单：MOVDPRT，#0DFFFHMOVR6，#00HDA1：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6AJMPDA1D/A转换常用电路（2）单路正弦波电压输出MOVR5，#00HSIN：MOVA，R5MOVDPTR，#TABMOVCA，@A+DPTRMOVDPTR，#0DFFFHMOVX@DPTR，AINCR5AJMPSINTAB：DB80D/A转换常用电路（3）两路正弦移相信号输出相移量的数字偏移量=256/360=90，D12=40H程序清单如下：12DD/A转换常用电路MOVR5，#00HMOVR1，#40HSIN：MOVA，R5MOVDPTR，#TABMOVCA，@A+DPTRMOVDPTR,#0DFFFHMOVX@DPTR,AINCR5MOVA,R1MOVDPTR,#TABMOVA,@A+DPTRMOVDPTR,#0BFFFHMOVX@DPTR,AINCR1AJMPSIN16位D/A应用举例