1、：硬件三人行 交流討論加李：、ADC 信號鏈第 1 部，低速模數混合電路設計實戰入門學習筆記作者：鐘笑瑛目錄第 1 講：從稱重傳感器引入惠斯通電橋2第 2 講：關于惠斯通電橋的詳細講解、拓展及其4第 3 講：穩定的激勵電壓獲取方案一：遠端補償6第 4 講：遠端補償詳細講解及方案二：8第 5 講：對微小電壓的放大9第 6 講：差分放大電路對微小電壓的放大11第 7 講：ADC模數轉換13第 8 講：元器件信號的查找選擇14第 9 講：運放的擇優選型15的介紹16第 10 講：關于第 11 講：ADC 關于運放的單電源供電19第 12 講：ADC 的原理與類型的介紹講解21第 13 講：ADC 的

2、選型與誤差參數22的擇優選型24第 14 講：ADC手冊的介紹25第 15 講：關于 ADC第 16 講：關于 ADC 手冊應用計算的27第 17 講：簡單接口協議的硬件調試及30第 18 講：ADC 輸入電路的設計32第 19 講：信號鏈及其圖簡介以及33：硬件三人行制作所有1：硬件三人行 交流討論加李：、第 1 講：從稱重傳感器引入惠斯通電橋在模數混合電路設計中，根據原始信號的頻率的不同分為低速模數混合電路設計和高速混合電路設計。其中低速信號指的是“K”級的信號，高速信號最低為“兆”級。低速模數混合電路設計“小米”手環大家都很熟悉。它可以通過內部的陀螺儀進行計步。二代“小米”手環還可以用來

3、測心跳。那么，這種功能是如何實現的呢？我們來簡單的剖析一下：首先，手環內有一個用來測心跳的傳感器。傳感器檢測心跳的原理類似于“光電對管”。所謂“光電對管”就是兩個燈，一個發射光線，如果照到“白線”上，光線會被反射，接收燈就會接收到光線。這時輸出一個“1”。如果照到“黑線”上，則光線被反射，接收燈自然接收不到光線。這時輸出一個“0”。通過這種“0、1”的輸出我們可以在黑線上還是白線上。光電對管是壓“小米”手環的傳感器其實也是類似的原來，心臟在動作的時候，伴隨著的收縮和舒張。根據檢測這種的收縮和舒張來得到高高低低的模擬信智能家居是近幾年來比較火熱的一個研究方向。在智能家居的電路設計中，如家中燈泡的

4、開關、智能溫度系統等。其電路的設計也都涉及到了低速模數混合電路。信號及處理的一般過程：硬件三人行制作所有2：硬件三人行 交流討論加李：、傳感器負責感知外界待測參數的變化并輸出模擬量來反映這種待測參數的變化。這種模擬信號通常是微弱并伴有噪聲信號的，因此要對這個模擬信號進行如放大、濾波等的信號調理以便進行后續的處理。經過信號調理的信號仍然為模擬信號，再通過模數轉換（A/D）環節變成數字量，這種數字量輸入到數字處理環節（MCU 等）進行分析處理并最終通過顯示和傳輸等環節直觀的讓我們觀察到。以上就是一個信號處理系統的一般過程。本課程將以一個稱重秤為背景講解低速模數混合電路的設計。稱重傳感器：稱重傳感器

5、實際上是一個惠斯通電橋。與惠斯通電橋這個名詞相比，“應變片”和“稱重傳感器”是我們更經常接觸的名稱。應變片可以應用到測量如、扭矩、位移、度和溫度的系統中。典型的稱重傳感器工作原理模型如右圖所示，當上面的應變片受到時，應變片受力拉伸。下面的應變片則受力壓縮。根據物理知識：F=G=mg，當稱重傳感器放重物時， 傳感器受力即為 F（G），F 通過電阻 R1、R2、R3、R4 的變化是可以得到的，g 為常數，通過公式即可求得 m。如左圖，稱重傳感器使用的是直流電橋。其分析計算過程如下：IABC=V/（R1+R2）IADC=V/（R3+R4）UDB=UDA+UAB=-R3*IADC+R1*IABC：硬件

6、三人行制作電橋平衡點（UDB=0）：R1*R4=R2*R3：硬件三人行 交流討論加李：、提問：若 R1、R2、R3、R4 的值相等，電橋自然處在平衡點。那么什么情況下會發生電橋平衡點不成立的情況呢？又該如何計算呢？：硬件三人行制作所有4：硬件三人行 交流討論加李：、第 2 講：關于惠斯通電橋的詳細講解、拓展及其本次課介紹幾種典型的電橋：四分之一橋如左圖，電橋中有三個臂的電阻是固定不變的，只有一個臂的電阻是變化的。由上次課介紹的惠斯通電橋計算公式：由于討論的為四分之一電橋，如左圖只有R1 是變化的，所以可以將上式中的 R1 全部替換成 R1+R1 得到如下公式：那么我們繼續思考，如果在 R1=R

7、2，R3=R4 的情況下，上面的式子會被化簡為：那么如果在設計電橋時我們使R1 遠遠小于 R1，那么上式的分母中 2R1 項相對于 4R1 項是可以忽略不計的，由此我們的到如下的簡便公式：半橋半橋又稱為開爾文電橋，如左一圖與四分之一橋相比只需將 R2 改寫成R2 帶入到原始式子中即可得到：硬件三人行制作所有5：硬件三人行 交流討論加李：、綜合分析左一和左二圖可知，R1 和 R2 在臂梁受到力時分別受到拉伸和壓縮，電阻的變化是相反的。這種方式在左一圖中被稱為R1 和R2 處于“鄰臂”方向。若利用左一圖的 R1 和 R4 組成半橋，則他們的變化趨勢是相同的，這種狀態被稱為“對臂”方向。在“鄰臂”時

8、有R1=-R2，而在“對臂”時，R1=R2。再令 R1=R2，R3=R4 則得到：那么為什么要令 R1=R2 ，R3=R4 呢？ 我們回憶第一次課的電橋平衡條件：R1*R4=R2*R3。如果我們想在不受力的情況下輸出 0，那么我們就要保證 R1=R2，R3=R4。全橋和四分之一橋和半橋的分析方法類似，我們得到全橋的輸出電壓計算公式：令 R1=R2=R3=R4，且R 遠小于 R，則可以得到：若R1=-R2=R4=-R3，則可得到化簡公式：靈敏度電橋靈敏度定義：應變所產生的輸出電壓。故而，計算公式如下：通過如上的分析，我們可以得到兩個結論：硬件三人行制作所有6：硬件三人行 交流討論加李：、（1）電

9、橋電壓輸出由驅動電源電壓和臂電阻的相對變化量決定的。（2）提高電橋的靈敏度，可提高驅動電壓或者增加變化的橋臂。Multisim 電路利用 Multisim 可對電橋電路進行。如上圖對四分之一橋進行，其中取R1=1，根據四份之一輸出電壓計算公式：U=5V*1/4*1000=1.25mV。但是，結果顯示U=1.251mV。這是因為我們在進行公示化簡時，令R 遠小于 R 造成的。Multisim 路設計中非常常用的軟件，各位可以利用 Multisim 進行電路察到自己設計的電路產生的現象。軟件是電以更直觀的觀總結通過本節課的學習，我們來討論一個問題。如何才能保證測量得到的電壓準確呢？根據輸出電壓的公

10、式可以知道，如果保證激勵電壓的穩定能在一定程度上提升測量的準確性。同時，激勵電壓需要提供足夠的驅動電流。否則將拉低輸出電壓，造成測量的確。同時，傳感器輸出的電壓如果非常小，那么需要對小信號進行放大。信號的調理是系統設計中非常重要的環節，在后續的課程中會詳細介紹。：硬件三人行制作所有7：硬件三人行 交流討論加李：、第 3 講：穩定的激勵電壓獲取方案一：遠端補償上次課最后我們提到，如果想測量到準確的輸出電壓，則需要有穩定的激勵電壓。這節課我們來具體分析這個問題。那如何才能得到穩定的激勵電壓呢？我們可以想到：使用參考電壓。在使用ADC 的時候都要選擇一個參考電壓，那是否可以使用參考電壓作為激勵源呢？

11、答案是肯定的。如果我們需要激勵電壓可調以適配不同阻值應變片的需求，那么我們需要這個參考電壓源是可變的。想要測量得到準確的輸出電壓，我們還要保證激勵電壓提供足夠的驅動電流，但是參考電壓的驅動電流都是有限的，一般為十幾個毫安。所以最好在后面添加一個輸出電流大一點的運放組成的跟隨器，來提高驅動電流。添加跟隨器的好處還在于它可以減小參考電壓的輸出阻抗。方案一：如上圖框，是一個同相比例運算放大電路。其放大倍數是 2.5，其輸出的2.5V 電壓為框的輸入電壓。框是一個反相比例運放放大電路，其輸出為-2.5V。那么框和框的輸出之間的壓差就為 2.5-（-2.5）=5V。框和框是電壓跟隨器。至此，我們得到了

12、5V 的電壓。對于框中的電容 C22 來說，他的作用是當輸入端輸入為高頻交流信號時，C22 通交流，R25 相當于被短路了。C22 起到了濾波電容的作用。電阻 R20 的作用是用來平衡偏置電流的，因為我們：硬件三人行制作所有8：硬件三人行 交流討論加李：、在分析運放時運用了“虛短”“虛斷”，但是實際的元器件總會有些差異，所以需要一個電阻來平衡偏置電流，它的阻值為 R21/R25。但是，如果端距離我們的供電段很遠，在圖中標記 EXC 處的導線是有電阻的，此時導線上分壓將導致輸出電壓減小。如果端傳感器較近，是沒有影響的。只需在電路上進行小的改造，無論出電壓。改造方法如下：端多遠，我們都可以得到準確

13、的輸如圖中紅色橢圓框中所示，我們引出兩條導線。無論導線多長，+RS 端的電壓總等于運放反相端電壓，根據“虛短”“虛斷”即是 2.5V，那么當 EXC 處由于導線過長產生壓降時。由于+RS 的反饋，運放內部將作出調整，使輸出電壓稍微增大，以補償導線過長所產生的壓降。-RS 端的分析方法類似，不在贅述。：硬件三人行制作所有9：硬件三人行 交流討論加李：、電路可以通過 Multisim 軟件對電路進行，改變其中 R10,R11 的阻值，模擬改變導線長度的效果來觀察現象。也可以把 R16 和 R17 兩端連線斷開，模擬不存在反饋的情況來直觀的觀察這種變化。：硬件三人行制作所有10：硬件三人行 交流討論

14、加李：、第 4 講：遠端補償詳細講解及方案二：通過數據方式上次課講到的“遠端補償”的方案是廣泛存在于開關電源設計和中的方式。有的 USB方式，但是由于線長的問題也會有遠端補償。的電路也是非常經典的是理想條件下的與實際運用是有區別的。在實際應用過程中，比如元器件差異、PCB 布線等就會出現問題。在實際應用中在選擇電阻電容值時應該靈活運用。有時會出現運放輸出電壓無法驅動電橋的情況，以為就是運放提供的電流無法達到要求，這時會把電壓拉低。這時可以采用運放輸出端接三級管的方式進行擴流。方案二如上圖是我們接下來要分析的方案二的示意圖。紅色線和黑色線分別接到ADC 的參考電壓兩端，例如紅色線為 5V，黑色線

15、接 GND。首先，介紹一個有關 ADC式中 D 表示 MCU 讀到的數值，N 為 ADC 的位數，Vref 為參考電壓的值。那么電橋的輸出電壓如何計算呢？前面我們介紹過全橋輸出電壓公式如下：硬件三人行制作所有11：硬件三人行 交流討論加李：、式中R/R 記為，由于 R 為定值，所以可以用來表示電阻的變化。由上圖又可得到：將以上的式子進行化簡推導，得到下式：這樣，我們就可以用單片機接收到的值來表示電阻的變化量。實際生活中的電子秤的原理大多采用方案二的方法，因為電子秤的端和設備距離很近，完全沒必要用復雜的電路進行遠端補償。同樣，方案二的這是方式也能起到遠端補償的作用，因為在公式推導的過程中我們約去

16、了Vref。很多人會覺得方案二不僅結構簡單，而且也能實現遠端補償，那還要設計方案一中那么復雜的電路干什么呢？但是，我們應該注意到方案二的方法中與 D 成正比。在公式一中可知 D 與 Vref 是有關系的，如果 Vref 太小會導致 D 很小，系統的分辨率就會降低。這節課和上節課我們給出了兩種不同的方案，下面我們對比一下這兩種方案的優缺點。方案一：優點：適用于傳感器端與端具有較長距離的電路設計。缺點：電路較為復雜，成本高。電路輸出受參考電源的影響。方案二：優點：成本低、電路簡單。缺點：電路靈敏度低，能力弱。綜上，我們來選擇方案二作次課程所運用的方案。：硬件三人行制作所有12：硬件三人行 交流討論

17、加李：、第 5 講：對微小電壓的放大之前的課程中我們提到過要做好微小電壓放大的問題。因為我們到的電電壓是壓通常是非常小的。而 ADC020mV。這明顯和 ADC 的范圍一般是 02.5V 左右，試想如果范圍是不匹配的，因此要對微小電壓進行放大。這一講，我們主要講解微小電壓的放大問題。方案一：普通放大電路普通放大電路通過兩個電阻的關系來確定放大倍數。這種電路的優點是：電路簡單，成本低、引入共模干擾。但是這種電路對運放要求高，因為運放的參數如偏置電壓、偏置電流等參數對電壓的準確性和穩定性有很大影響。方案二：差分放大電路上圖是差分放大電路的拓撲結構，也是我們這節課重點講解的放大電路類型。我們可以看到

18、圖中有三個運放，但是這三個運放是被集成在一片中的。這種三運放結構的放大器又稱為儀表放大電路。差分放大電路的特點是：電路復雜，成本相對高、抑制共模干擾和零漂，放大差模信號，但對運放要求較低。上面我們提到，普通放大電路引入共模干擾，差分放大電路抑制共模干擾方法差模信號。那么，什么是共模信號，什么是差模信號呢？：硬件三人行制作所有13：硬件三人行 交流討論加李：、差模：指的是兩根線之間的信號差值。如圖中，差模信號指的是器件 1 和器件 2 兩根線之間的信號差值。共模：共模噪聲又稱對地噪聲，指的是兩根線分別對地的噪聲。如圖中，共模信號指的是器件 1 和器件 2 分別對地的信號。方案一中的輸入顯然是對地

19、的，這樣就引入了共模干擾。而方案二的差模放大電路有兩個輸入，這兩個輸入是分別對地的，但是兩個信號相減，即可減掉對地的兩個噪聲。為什么要減掉這種共模噪聲呢，因為如果小信號中摻有噪聲，在放大的同時這種噪聲也會被放大。這樣我們就不能有效的識別有用信號，因此我們要利用差分的方式來抑制這種共模干擾。差模和共模的概念不僅僅用在運放的分析中，在電源中應用的也非常廣。如上圖是一個±5V 數字電源轉換成±5V 模擬電源的電路圖，±5V 的數字電源經過濾波電容后又經過共模電感 L1 將共模干擾濾除，以保證對模擬電路的電源的純凈。當模擬和數字信號混合出現在一個電路中時，模擬信號是非常經

20、受不住這種干擾的，所以這種設計是非常有用的。：硬件三人行制作所有14：硬件三人行 交流討論加李：、第 6 講：差分放大電路對微小電壓的放大緊接著上次課，我們先來具體分析一下差分放大電路。如上圖差分放大電路，我們先來分析框中的部分。根據運放分析中“虛短”、“虛斷”的理論，我們可以得到如下的公式推導過程：I=（V2-V3）/RgI=（VA1-VA2）/（R1+R2+Rg）（V2-V3）/Rg=（VA1-VA2）/（R1+R2+Rg）令 R1=R2=RVOUT=VA1-VA2=（V2-V3）（2R+Rg）/Rg=（1+2R/Rg）*（V2-V3）下面繼續分析后半部分電路：版15：硬件三人行 交流討論

21、加李：、后半部分的電路我們可以用“虛短”、“虛斷”的理論進行分析，但是計算和推導起來十分復雜，在這里我們采用將運算放大器同相端和反相端分別接地的方式來分析這個電路。這種方式在電路中被稱為疊加定理。可以得到如下的公式：V2 接地：VOUT=-R2/R1*V1V1 接地：VOUT=（1+R2/R1）（R4/（R3+R4）*V2令 R1=R3，R2=R4VOUT=R2/R1*（V2-V1）至此，我們完成了差分放大電路兩級的分析和計算。在后續的課程中我們也是利用差分放大電路對微小電壓進行放大。電路前面我們對差分放大電路進行了理論推導，下面我們進行，來看看理論推導和之間存在著哪些偏差。如上圖的電路與我們

22、在進行理論分析時的電路圖相比缺少濾波電容。因為在中我們發現，當運放帶有容性負載時信號會產生畸變，導致電路的性能下降。這就是實際應用中我們需要注意的地方。查閱我們可以發現運放是帶有偏置指標的，當在放大小信號時這種偏置對性能的影響是巨大的。所以我們應該結合實際情況對理論分析的電路進行修改，以得到最佳的方案。：硬件三人行制作所有16：硬件三人行 交流討論加李：、第 7 講：ADC模數轉換前面的課程中，我們對傳感器的原理進行了介紹。信號調理部分我們分析了遠端補償等問題。本次可來說一下模數轉換。在模數轉換中有兩個十分重要的概念：精度和分辨率。精度我們用 ADC 最后所得結果的一個“分度”來詮釋，但這并不

23、是一個概念。系統的很多因素都會影響 ADC 的精度，如器件所處的環境溫度等都要折算到精度的計算中，所以實際的精度算下來可能要是分度的很多倍。而分辨率通常體現為你的 AD 轉換是多少位的，在查是 XXBit。時也就是說你的 AD下面我們來介紹數字處理電路部分：數字處理中首先包括電源系統、晶振及復位等還包括 IO 口的配置電路。還有一些外設與模數轉換的接口電路。其中，晶振電路是系統的心臟，保證系統正常的運行。本次課只是簡單的對模數轉換進行非常簡單的介紹，后續的課程中別對其中的內容進行詳細的分析，敬請期待。分：硬件三人行制作所有17顯 示數模信傳：硬件三人行 交流討論加李：、第 8 講：元器件信號的

24、查找選擇在設計好電路之后，我們想要實現這個電路要對電路設計中使用的元器件進行選型操作。我們使用什么樣的電阻、電容和電感？精度要選擇多少？運放我們選擇哪種？中如此多的參數什么是我們需要關注的？電源系統如何選擇？這次課我們進行詳細的介紹。下圖給出了很多知名的數字、模擬器件生產廠家的圖片。大家可以對這些廠家有一個簡單的了解，以便自己進行電路的選型。里面有很多我們熟悉的公司，如德州儀器，ST 公司等等。他們各自有各自的優點，有的價格親民，有的性能極好。除了這些廠家，還有許多生產元器件的廠家。在我們查找元件性能或者典型設計時，我們可以到各個公司的上進行查進找。如 TI 的行查閱和買廠家的就對自己的。甚至

25、還會提供介紹的非常詳細，還可以對器件的的電路設計給設計者作為參考。即便你不去購，中也有很多參考設計也是大家可以進行學習的，上面有海量的資料。如原理圖、和 PCB Layout 等等。還集成了，可以與網友進行討論等。我們應該經常閱覽各大廠家的，來瀏覽這些典型電路，在我們設計電路時給我們一些思路。正所謂，熟讀唐詩三百首作詩也能吟。在我們前面討論的差分放大電路中，對運放的需求是要有好的溫度特性。因為輸入信號是非常小的，所以還需要噪聲低。至于通道數量，選擇兩個兩通道和一個三通道都是可以的。由于是設計，所以還需要成本低廉。此外，還需要具有低帶寬增益積。因為電子秤在感受力的作用時并不需要很大的帶寬頻率。所

26、以降低帶寬增益積也是對成本的一種節省。此外我們還要考慮供電電壓，電源的：硬件三人行制作所有18：硬件三人行 交流討論加李：、設計要考慮具體運放需要單電源供電還是需要雙電源供電。關于這兩種使用方法在后續課程中會具體介紹。化的電路設計對體積是有要求的，要根據實際情況選擇不同封裝的元器件使設計的電路更加符合實際應用。在進行元件選型時一定要把自己的需求寫下來，綜合考量。：硬件三人行制作所有19：硬件三人行 交流討論加李：、第 9 講：運放的擇優選型上次課我們講解了我們在運放選型中需要考量的指標。前面介紹過模擬器件的生產廠家主要是 TI 和 ADI 兩家。由于 ADI 的比較貴，所以我們選擇 TI的。登

27、錄 TI 的，以此選擇【】【放大器】，【放大器】選項卡下對不同運放進行了分類，權衡下來我們需要放大非常微小的電壓信號，所以選擇【精密運放放大器】。接下來我們選擇【】選項，之后來對通道數進行選擇，以便更快速的從海量的中找到適合我們設計的運算放大器。接著我們還可以繼續輸入供電電壓來縮小我們的選擇范圍。但是電壓選項在運放的選擇上往往是放在后面考慮的。緊接著我們可以繼續綜合考慮我們的關注點來不斷縮小選擇范圍。對于一些要求不敏感的參數我們可以忽略，當我們關注的指標定下來之后仍然有一些選擇時，價格可能會成為最后的決定因素。但是，也要看一看市面上哪種用的多。因為還涉及后續器件供貨等問題。在選擇時一定要把考慮

28、到實際的使用環境中。不同的行業對的需求是非常不一樣的。例如汽車行業，一定要要求安全性。還有就是高溫的環境對性能到底有沒有影響很大。至于市場流通性，我們可以去互聯網查看的銷量等等。最終，我們選擇 TI 公司生產的 OPA2188 運放。據手冊的介紹：硬件三人行制作所有20：硬件三人行 交流討論加李：、器件的OPA2188 的可以在手冊。或通過其他途徑自己。我們來一起看一看在手冊的最開始，我們可以看到 TI 給出了一些參數，通過對這些參數的閱讀我們可以看到這些性能參數與我們的要求是十分吻合的。接著我們逐一來看芯片手冊給出的特性。由手冊可以看到這款具有低偏移電壓：25V（最大），在實際應用中，我們采

29、用差分的結構，這種小的偏移電壓是可以被抵消掉的。下一個參數是漂移：0.03V/，這是非常小的。這個參數同樣可以被差分結構所抵消。接下來是噪聲參數：8.8nV/ Hz ，運放工作在不同頻率時運放引起的噪聲也是不同的。手冊同樣給出了 0.1Hz 至 10Hz 的典型噪聲。直流精度中給出電源抑制比參數：142dB 電源抑制比指的是電源的波動對輸出的紋波的影響。公式為： PSRR=20log（rp/rout）=142dB（式中 rp 為電源紋波，rout 為運放輸出信號的紋波）。可以看到，PSRR 越高，電源對輸出信號的影響就越小。共模抑制比參數在前面有所介紹，這也是一個非常重要的參數。接下來給出了開

30、環增益，即不接反饋時的放大倍數。接下來還給出了一些參數。從這些參數我們可以看出這款運放基本可以滿足我們的需求。：硬件三人行制作所有21：硬件三人行 交流討論加李：、接下來手冊還給出了這款運放的應用范圍和封裝信息。接下來還給出了偏移電壓與溫度的關系。本次設計的電子秤一般應用在室溫中，這個參數主要用作后期的校準工作。這個表對我們有一定的指導意義。接下來給出了運放詳細的引腳信息。接下來給出了一些參數，因為我們的如果正式使用是要通過 ESD 測試的，所以也很重要。上次課我們提到，運放的輸出不要接打電容，在手冊中也給出了輸出電容的指標。手冊還給出了TI 公司對在不同使用情況下的測試過程中的參數，如果在設

31、計的過程中遇：硬件三人行制作所有22：硬件三人行 交流討論加李：、到了問題，可以查看手冊進行參考。手冊中還給出應用該參考。的典型電路設計，在進行電路設計的時候可以進行手冊中還給出了 Layout 的直到方式和注意事項，在制板的過程中要注意這部分內容要注意的是的名字一定要注意，OPA2188 是分為好幾個型號的。如OPA2188AID 等，如果出現錯誤在采購和 PCB 繪制的時候會出現很多麻煩。：硬件三人行制作所有23：硬件三人行 交流討論加李：、：硬件三人行制作所有24：硬件三人行 交流討論加李：、第 11 講：ADC 關于運放的單電源供電設計分析前面的課程中我們提到過運放的單電源供電問題。如

32、下圖所示：這個內部由兩個運放組成，并且 4 號引腳和 8 號引腳分別是雙電源的供電引腳。但是在實際的電路設計中，我們可能會遇到硬件電路無法提供正負雙電源的情況，比如受到電路板空間的限制的問題。或者我們無需特別精確的得到信號的情形。也并不是所有的運放都需要雙電源供電，具體的情況要查閱數據手冊。如果沒有指明可以單電源供電，不要鋌而走險。接地上圖是一個使用±15V 雙電源供電的例子，其中±15V 是相對于參考點地來說的。我們假設把圖中的電壓改為紅色字的情形。將-15V 改為接地，那么按照剛才的參考點，同相端電位即變成 15V，原來的+15V 變為 30V。這樣就變成了如下圖的單電

33、源供電方法。：硬件三人行制作所有25：硬件三人行 交流討論加李：、再來看下面一個例子，是與上面所談到的方法同理的，不做具體分析。下面看一下單電源供電的減法電路。儀表放大電路的單雙電源供電。：硬件三人行制作所有26：硬件三人行 交流討論加李：、單電源供電使電路不對稱，通過“虛短”、“虛斷”來計算的結果將不再那么準確。看了以上單電源供電的例子，我們來討論一個問題：VCC/2 從哪里來？ 是不是來自用電阻將 VCC 分壓呢？這種方式是不可行的！既然支持單雙電源供電，那么就是說這兩種供電方式對電路的效果是基本一致的。那么從地看向系統的阻抗要和從 VCC/2 看進去阻抗是一致的。實際中如果只加分壓電阻后

34、直接接入電路，這個分壓電阻會對電路產生很大的影響的。好的方式是我們用電阻將 VCC分壓，然后再通過一個跟隨器，將跟隨器輸出接到 VCC/2。單電源供電的優缺點如下：缺點：1、影響輸入輸出電壓范圍，限制了電路的動態范圍。：因為單電源供電沒有負電源，那么負電壓是測不到的。而雙電源供電只要在范圍內無論正負都可以側得到。2、受電源波動影響3、放大直流小信號比較。：就算你的 VCC/2 設計的再好，噪聲性能也是沒有“地”好的。所以在直流小信號受到很大影響。所以放大交直流小信號時盡量選擇雙電源供電。優點：1、電源設計簡單，成本低。2、對精度要求一般的設計適用。：硬件三人行制作所有27：硬件三人行 交流討論

35、加李：、由于本次設計需要對微小電壓進行放大，所以在選擇運算放大器時要選擇雙電源供電方式。對于電路選擇單電源供電還是雙電源供電要綜合考慮各方面因素來決定。：硬件三人行制作所有28：硬件三人行 交流討論加李：、第 12 講：ADC 的原理與類型的介紹講解前面的課程當中我們詳細分析了與運放相關的知識，本次課開始介紹 ADC。首先講一下 ADC 的原理。由于 ADC 輸入模擬信號，輸出數字信號，所以需要對模擬信號進行采樣，保持，然后量化編碼輸出數字信號。取樣：對連續變化的模擬信號定時測量（采樣定理：fs>2f），采樣定理的理論推導只是數學上的結果，在實際應用過程中，我們一般選擇信號最高變化頻率的

36、 5 到 10 倍去進行采樣。這是比較保險的方式。如果采樣的時間間隔足夠小，那么很好的還原被采樣的信號。保持：對取樣的信號進行保持，便于。由于后續的量化過程需要一定的時間，所以對采樣信號進行保持是十分必要的。量化：將電壓轉化為最小的電壓的整數倍。最小電壓電壓/2n，其中 n 為 ADC 的位數。即精度：參考ADC 的分類：并行比較 ADC：采樣率高、G 左右、分辨率做不高、功耗大。型：電壓轉化為頻率，轉化率低、分辨率高，功耗、成本低。（使用的非常少）：硬件三人行制作所有29取樣保持量化編碼：硬件三人行 交流討論加李：、SAR（逐次逼近）型 ADC：需要逐步比較，所以采樣率做不上去，但精度可以相

37、對較高。Sigma-Delta 型 ADC：過采樣，提高精度、高速、更好的噪聲性能。Pipelined ADC：流水線高速 ADC。：硬件三人行制作所有30：硬件三人行 交流討論加李：、第 13 講：ADC 的選型與誤差參數ADC 選型：1、分辨率-8/12/16/24/32bit：在 ADC 選型時第一個指標是分辨率，分辨率與電壓的最小課提到的量化過程相關。有關。與上次2、采樣率：采樣率應該遵循 Nyquist 采樣定理。3、精度值>REF/2n（分辨率）：精度和分辨率是兩個不同的概念，在計算精度時是把分辨率包含在其中的。精度的計算還包括了如溫度等因素對系統的影響。4、接口：接口與軟件

38、相關，大多的 ADC 的接口為 SPI 或者 I2C，這些接口操作簡單。5、通道數：即 ADC 要幾路信號，就選擇幾通道。6、電源電壓：中低頻中 3.3V 和 5V 都是可以的。7、信噪比：信噪比這個參數很重要，是信號與噪聲的比值，信噪比越大越好。它的公式為 SNR = 6.02*N+1.76dB，其中 N 為分辨率。分辨率越高信噪比越大。8、INL、DNL：INL 和 DNL 被稱為非線性誤差和微分非線性誤差。這兩個參數不是我們選擇 ADC 重要的考量指標，但是也要關注一下這個參數。9、ADC 類型：上次課已經提到。：硬件三人行制作所有31：硬件三人行 交流討論加李：、10、輸入范圍：輸入范

39、圍應滿足實際設計的需求。11、溫度范圍：根據自己的應用環境來選擇溫度范圍。溫度不一樣，ADC 的性能是受到很大影響的。所以溫度是選擇 ADC 時候非常重要的參數。參數詳解：1、DNL：差分非線性誤差：相鄰理想刻度與實際刻度的偏差值。2、INL：非線性誤差：輸出數值偏離線性最大的距離。3、QE：量化誤差。4、THD：總諧波失真。5、SNR：信噪比= 6.02*N+1.76dB。6、RMS：均方根用來衡量噪聲。7、偏移誤差：最低有效位為 1 時，實際輸入與理論輸入誤差。以上的參數會在后續課程中結合的進行詳細講解。第 14 講：ADC的擇優選型我們登錄到 ADI 的（）來查看 ADI 公司在指導我們

40、進行：硬件三人行制作所有32：硬件三人行 交流討論加李：、ADC選型時需要注意的參數。ADI 給出的首位參數是分辨率，這說明分辨率對 ADC 選型是非常重要的參數。我們的設計選擇 24 位的 ADC。第二個參數給出的是采樣率，本次設計的電路是處理低頻電路的，所以選擇低采樣率的 ADC 即可。下一個參數是通道數的選擇，本次設計至少要采用 2 通道。經過這幾個參數的篩選，剩下的的種類就有限了。下一個選擇參數是 ADC的架構，也就是 ADC屬于哪種類型。接下來是 INL 特性。ADC 的輸入范圍也是一個重要的指標，但這可以通過前面的調理電路進行調節。下一個參數是功耗、溫度、接口和價格等等。下面我們來

41、看 TI（）給我們提供的 ADC 選型指導方式。TI提供一種快速選擇 ADC 的方式，關注的指標和 ADI 基本一致。需要的參數輸入，然后一鍵篩選出滿足條件的 ADC。然后再別的參數。下次課會詳細的帶領大家來閱讀 ADC 的。：硬件三人行制作所有33：硬件三人行 交流討論加李：、第 15 講：關于ADC手冊的介紹上一節課我們對 ADC 進行了選型，這次課帶領大家來以 AD7799 為例讀一讀ADC 的。AD7799 的手冊是英文的，要多多閱讀英文的手冊。通過不斷查閱來慢慢掌握閱讀英文手冊的方法。首先可以看到這個是 3 通道、16-24位可選的低功耗低噪聲-結構的。并且是帶片上放大器的。如上圖所

42、示，左一紅框中為一個多路選擇開關，幾個通道的。左二紅框內是片上增益可調的放大器，假設 ADC電壓的范圍是 10V，那么當增益為 1 時，Vin 的最大值可以為 10V，當增益為 10 時，Vin 的最大值為 1V。我們知道，當分辨率不變時，值越小，精度就越高。手冊首先給出了RMS noise 參數。這種均方根的噪聲的表征方式是比較好的。：硬件三人行制作所有34：硬件三人行 交流討論加李：、通過觀察可以看到，頻率越高噪聲越大。因為隨著帶寬的增加各種噪聲也在不斷的出來。但好在噪聲都是 nV 級的，所以相對于信號的最小是很小的。接下來是有關功耗的參數，如果是便攜設備是要注意這個參數的。接下來給出該是

43、低噪聲并具有可編程增益的。可編程增益體現在片上的增益放大器。繼續往下看發現求的。的 Update rate 最大 470Hz，是可以滿足我們的需具有三個差分輸入，差分輸入是可以很好的抑制共模干擾的。如果對信的要求非常高，一定要選擇差分結構。號接下來是時鐘和頻帶制式。我國的交流電是 50Hz 的。接下來是供電和溫度性能及封裝等特性。對于，我們使用過后應該記住它的特性，以便在我們以后的電路設計中再次使用。使用以前用過的，好處在于你用起來會輕車熟路而且手里掌握的也相對多且得到過驗證。：硬件三人行制作所有35：硬件三人行 交流討論加李：、接下來，我們看到是 3 線的 SPI 接口。還給出了的應用領域：

44、稱重、高精度測量、電橋等。：硬件三人行制作所有36：硬件三人行 交流討論加李：、第 16 講：關于ADC 手冊應用計算的詳述說明我們接著上節課來繼續詳細ADC的。手冊還給我們提供了供電相關的信息。一定要按照手冊給出的供電電壓進行供電。接下來手冊給出了誤碼率、線性誤差、電源抑制比和溫漂等參數。INL：非線性誤差例如：12bit ADCVREF=4.096V）=4.096/212=0.001V 即 ADC 采的最小1LSB（最小為 0.001V。精度：1LSB=0.001V當精度為 1LSB 時，如果測量 1V 的信號，實際處理應該為 1±0.001V。如果精度為 5LSB，那么出來的范

45、圍應該為 1±0.005V。注：ppm 表示百萬分之一。接下來手冊給出了模擬輸入相關指標。差分輸入電壓范圍輸入極限值共模電壓：硬件三人行制作所有37：硬件三人行 交流討論加李：、模擬輸入電流模擬輸入電流溫漂接下來是與參考電壓相關的參數。外部參考電壓輸入為 2.5V，參考電壓范圍是 0.1VVDD。很多參考電壓用的是 2.5 或 3.3，不過最好使用最小這樣可以提高精度。是整數的參考電壓，如 2.096、1.024 等，接下來還給出了晶振、接口和電源等的說明。接下來 ADC 給出了與時序相關的信息和時序圖。：硬件三人行制作所有38：硬件三人行 交流討論加李：時序圖：下面給出了的引腳圖和

46、詳細的引腳信息。不僅給出模擬部分的參數信息，還給出與數字相關的參數。軟件配置的相關信息也在后面給出了詳細的說明。：硬件三人行制作所有39：硬件三人行 交流討論加李：、最后還給出了 ADC 的參考電路如下：后面還給出了 Layout 相關信息，應用信息及封裝信息等。在采購時一定要注意同系列不同型號的煩。，否則將會出現提高成本等麻：硬件三人行制作所有40：硬件三人行 交流討論加李：、第 17 講：簡單接口協議的硬件調試及案例分析這次課我們講解簡單接口協議的硬件調試，并舉出一個實例。之前我們選擇了一款 SPI 協議的 ADC。SPI：SPI 有 4 個引腳：CS、SCK、MISO、MOS。CS 是是

47、否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規定的使能信號時(高電位或低電位)，對此的操作才有效。這就在同一總線上連接多個 SPI 設備成為可能。這里先要知道 SPI 是串行通訊協議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是 SCLK 時鐘線存在的，由 SCLK 提供時鐘脈沖，SDI，SDO 則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO 線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少 8 次時鐘信號的改變(上沿和下沿為一次)，就可以完成 8 位數據的傳輸。上圖是手冊給出的 SPI 的時序圖。下面看一下示波器給出的時序圖。：硬件三人行

48、制作所有41：硬件三人行 交流討論加李：、如圖我們可以看到當前處在主設備輸出狀態，輸出為 0xfe。I2C：I2C 相對簡單一些，因為只有兩根線。下圖為 I2C 的時序圖。首先對地址進行操作，然后進行讀寫回應。然后進行數據操作，在有一個回應。在示波器中我們可以很直觀的看到整個過程。案例分析：項目背景：利用 FPGA，發現幾個問題。問題 1：FPGA到值，但是值變化。問題 2：值和實際值對應不上。例如：0 對應 0V1V 對應 1.2V2V 對應 3V：硬件三人行制作所有42：硬件三人行 交流討論加李：、3V 對應 3V后來使用示波器來調節，如下圖。排除軟件，發現由于信號的沒有做好匹配，時鐘信號

49、噪聲很大，如示波器線所示。綜合分析，由于 8 個 ADC 共用一個 CLK，CLK 產生了相移。ADC下降沿變化數據，上升沿數據。如示波器，發現有時候是下降沿數當時通過將時鐘延時來解決這個問題。：硬件三人行制作所有43：硬件三人行 交流討論加李：、第 18 講：ADC 輸入電路的設計這次課主要講解一些電路的具體設計。在設計 ADC 輸入電路設計時，首先我們應該在 ADC 輸入之前加一個限流電阻來防止 ADC的損壞。還要對輸入信號進行濾波。最經典的就是 RC 電路。那么如何選擇 RC 的值呢？電阻值選的不宜太小，太小起不到作用。也不宜太大，因為 ADC 輸入有一個漏電流，漏電流流到電阻上會有壓降。很多人都不知道 RC 的值如何去選。C 的值如果太大，會影響時間參數，外部信號來了之后會給電容一直充電。當外部信號降低時，由于電容會放電，所以這時 的值并不是外部真實的信號。1、R 的取值：限流：首先我們提出一個標準，例如 ADC 為 3.3V 供電，最大輸入是 10V。翻看查看輸入電流：10mA。R（10V-3.3V）/10mA=670。從限流的角度來看限流電阻應該大于 670。精度：如果電阻選的過大，由于輸入的漏電流，在電阻上產生