硬件三人行信号链第1部低速模数电路设计学习笔记

1、：硬件三人行 交流讨论加李：、ADC 信号链第 1 部，低速模数混合电路设计实战入门学习笔记作者：钟笑瑛目录第 1 讲：从称重传感器引入惠斯通电桥2第 2 讲：关于惠斯通电桥的详细讲解、拓展及其4第 3 讲：稳定的激励电压获取方案一：远端补偿6第 4 讲：远端补偿详细讲解及方案二：8第 5 讲：对微小电压的放大9第 6 讲：差分放大电路对微小电压的放大11第 7 讲：ADC模数转换13第 8 讲：元器件信号的查找选择14第 9 讲：运放的择优选型15的介绍16第 10 讲：关于第 11 讲：ADC 关于运放的单电源供电19第 12 讲：ADC 的原理与类型的介绍讲解21第 13 讲：ADC 的

2、选型与误差参数22的择优选型24第 14 讲：ADC手册的介绍25第 15 讲：关于 ADC第 16 讲：关于 ADC 手册应用计算的27第 17 讲：简单接口协议的硬件调试及30第 18 讲：ADC 输入电路的设计32第 19 讲：信号链及其图简介以及33：硬件三人行制作所有1：硬件三人行 交流讨论加李：、第 1 讲：从称重传感器引入惠斯通电桥在模数混合电路设计中，根据原始信号的频率的不同分为低速模数混合电路设计和高速混合电路设计。其中低速信号指的是“K”级的信号，高速信号最低为“兆”级。低速模数混合电路设计“小米”手环大家都很熟悉。它可以通过内部的陀螺仪进行计步。二代“小米”手环还可以用来

3、测心跳。那么，这种功能是如何实现的呢？我们来简单的剖析一下：首先，手环内有一个用来测心跳的传感器。传感器检测心跳的原理类似于“光电对管”。所谓“光电对管”就是两个灯，一个发射光线，如果照到“白线”上，光线会被反射，接收灯就会接收到光线。这时输出一个“1”。如果照到“黑线”上，则光线被反射，接收灯自然接收不到光线。这时输出一个“0”。通过这种“0、1”的输出我们可以在黑线上还是白线上。光电对管是压“小米”手环的传感器其实也是类似的原来，心脏在动作的时候，伴随着的收缩和舒张。根据检测这种的收缩和舒张来得到高高低低的模拟信智能家居是近几年来比较火热的一个研究方向。在智能家居的电路设计中，如家中灯泡的

4、开关、智能温度系统等。其电路的设计也都涉及到了低速模数混合电路。信号及处理的一般过程：硬件三人行制作所有2：硬件三人行 交流讨论加李：、传感器负责感知外界待测参数的变化并输出模拟量来反映这种待测参数的变化。这种模拟信号通常是微弱并伴有噪声信号的，因此要对这个模拟信号进行如放大、滤波等的信号调理以便进行后续的处理。经过信号调理的信号仍然为模拟信号，再通过模数转换（A/D）环节变成数字量，这种数字量输入到数字处理环节（MCU 等）进行分析处理并最终通过显示和传输等环节直观的让我们观察到。以上就是一个信号处理系统的一般过程。本课程将以一个称重秤为背景讲解低速模数混合电路的设计。称重传感器：称重传感器

5、实际上是一个惠斯通电桥。与惠斯通电桥这个名词相比，“应变片”和“称重传感器”是我们更经常接触的名称。应变片可以应用到测量如、扭矩、位移、度和温度的系统中。典型的称重传感器工作原理模型如右图所示，当上面的应变片受到时，应变片受力拉伸。下面的应变片则受力压缩。根据物理知识：F=G=mg，当称重传感器放重物时， 传感器受力即为 F（G），F 通过电阻 R1、R2、R3、R4 的变化是可以得到的，g 为常数，通过公式即可求得 m。如左图，称重传感器使用的是直流电桥。其分析计算过程如下：IABC=V/（R1+R2）IADC=V/（R3+R4）UDB=UDA+UAB=-R3*IADC+R1*IABC：硬件

6、三人行制作电桥平衡点（UDB=0）：R1*R4=R2*R3：硬件三人行 交流讨论加李：、提问：若 R1、R2、R3、R4 的值相等，电桥自然处在平衡点。那么什么情况下会发生电桥平衡点不成立的情况呢？又该如何计算呢？：硬件三人行制作所有4：硬件三人行 交流讨论加李：、第 2 讲：关于惠斯通电桥的详细讲解、拓展及其本次课介绍几种典型的电桥：四分之一桥如左图，电桥中有三个臂的电阻是固定不变的，只有一个臂的电阻是变化的。由上次课介绍的惠斯通电桥计算公式：由于讨论的为四分之一电桥，如左图只有R1 是变化的，所以可以将上式中的 R1 全部替换成 R1+R1 得到如下公式：那么我们继续思考，如果在 R1=R

7、2，R3=R4 的情况下，上面的式子会被化简为：那么如果在设计电桥时我们使R1 远远小于 R1，那么上式的分母中 2R1 项相对于 4R1 项是可以忽略不计的，由此我们的到如下的简便公式：半桥半桥又称为开尔文电桥，如左一图与四分之一桥相比只需将 R2 改写成R2 带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 交流讨论加李：、综合分析左一和左二图可知，R1 和 R2 在臂梁受到力时分别受到拉伸和压缩，电阻的变化是相反的。这种方式在左一图中被称为R1 和R2 处于“邻臂”方向。若利用左一图的 R1 和 R4 组成半桥，则他们的变化趋势是相同的，这种状态被称为“对臂”方向。在“邻臂”时

8、有R1=-R2，而在“对臂”时，R1=R2。再令 R1=R2，R3=R4 则得到：那么为什么要令 R1=R2 ，R3=R4 呢？ 我们回忆第一次课的电桥平衡条件：R1*R4=R2*R3。如果我们想在不受力的情况下输出 0，那么我们就要保证 R1=R2，R3=R4。全桥和四分之一桥和半桥的分析方法类似，我们得到全桥的输出电压计算公式：令 R1=R2=R3=R4，且R 远小于 R，则可以得到：若R1=-R2=R4=-R3，则可得到化简公式：灵敏度电桥灵敏度定义：应变所产生的输出电压。故而，计算公式如下：通过如上的分析，我们可以得到两个结论：硬件三人行制作所有6：硬件三人行 交流讨论加李：、（1）电

9、桥电压输出由驱动电源电压和臂电阻的相对变化量决定的。（2）提高电桥的灵敏度，可提高驱动电压或者增加变化的桥臂。Multisim 电路利用 Multisim 可对电桥电路进行。如上图对四分之一桥进行，其中取R1=1，根据四份之一输出电压计算公式：U=5V*1/4*1000=1.25mV。但是，结果显示U=1.251mV。这是因为我们在进行公示化简时，令R 远小于 R 造成的。Multisim 路设计中非常常用的软件，各位可以利用 Multisim 进行电路察到自己设计的电路产生的现象。软件是电以更直观的观总结通过本节课的学习，我们来讨论一个问题。如何才能保证测量得到的电压准确呢？根据输出电压的公

10、式可以知道，如果保证激励电压的稳定能在一定程度上提升测量的准确性。同时，激励电压需要提供足够的驱动电流。否则将拉低输出电压，造成测量的确。同时，传感器输出的电压如果非常小，那么需要对小信号进行放大。信号的调理是系统设计中非常重要的环节，在后续的课程中会详细介绍。：硬件三人行制作所有7：硬件三人行 交流讨论加李：、第 3 讲：稳定的激励电压获取方案一：远端补偿上次课最后我们提到，如果想测量到准确的输出电压，则需要有稳定的激励电压。这节课我们来具体分析这个问题。那如何才能得到稳定的激励电压呢？我们可以想到：使用参考电压。在使用ADC 的时候都要选择一个参考电压，那是否可以使用参考电压作为激励源呢？

11、答案是肯定的。如果我们需要激励电压可调以适配不同阻值应变片的需求，那么我们需要这个参考电压源是可变的。想要测量得到准确的输出电压，我们还要保证激励电压提供足够的驱动电流，但是参考电压的驱动电流都是有限的，一般为十几个毫安。所以最好在后面添加一个输出电流大一点的运放组成的跟随器，来提高驱动电流。添加跟随器的好处还在于它可以减小参考电压的输出阻抗。方案一：如上图框，是一个同相比例运算放大电路。其放大倍数是 2.5，其输出的2.5V 电压为框的输入电压。框是一个反相比例运放放大电路，其输出为-2.5V。那么框和框的输出之间的压差就为 2.5-（-2.5）=5V。框和框是电压跟随器。至此，我们得到了

12、5V 的电压。对于框中的电容 C22 来说，他的作用是当输入端输入为高频交流信号时，C22 通交流，R25 相当于被短路了。C22 起到了滤波电容的作用。电阻 R20 的作用是用来平衡偏置电流的，因为我们：硬件三人行制作所有8：硬件三人行 交流讨论加李：、在分析运放时运用了“虚短”“虚断”，但是实际的元器件总会有些差异，所以需要一个电阻来平衡偏置电流，它的阻值为 R21/R25。但是，如果端距离我们的供电段很远，在图中标记 EXC 处的导线是有电阻的，此时导线上分压将导致输出电压减小。如果端传感器较近，是没有影响的。只需在电路上进行小的改造，无论出电压。改造方法如下：端多远，我们都可以得到准确

13、的输如图中红色椭圆框中所示，我们引出两条导线。无论导线多长，+RS 端的电压总等于运放反相端电压，根据“虚短”“虚断”即是 2.5V，那么当 EXC 处由于导线过长产生压降时。由于+RS 的反馈，运放内部将作出调整，使输出电压稍微增大，以补偿导线过长所产生的压降。-RS 端的分析方法类似，不在赘述。：硬件三人行制作所有9：硬件三人行 交流讨论加李：、电路可以通过 Multisim 软件对电路进行，改变其中 R10,R11 的阻值，模拟改变导线长度的效果来观察现象。也可以把 R16 和 R17 两端连线断开，模拟不存在反馈的情况来直观的观察这种变化。：硬件三人行制作所有10：硬件三人行 交流讨论

14、加李：、第 4 讲：远端补偿详细讲解及方案二：通过数据方式上次课讲到的“远端补偿”的方案是广泛存在于开关电源设计和中的方式。有的 USB方式，但是由于线长的问题也会有远端补偿。的电路也是非常经典的是理想条件下的与实际运用是有区别的。在实际应用过程中，比如元器件差异、PCB 布线等就会出现问题。在实际应用中在选择电阻电容值时应该灵活运用。有时会出现运放输出电压无法驱动电桥的情况，以为就是运放提供的电流无法达到要求，这时会把电压拉低。这时可以采用运放输出端接三级管的方式进行扩流。方案二如上图是我们接下来要分析的方案二的示意图。红色线和黑色线分别接到ADC 的参考电压两端，例如红色线为 5V，黑色线

15、接 GND。首先，介绍一个有关 ADC式中 D 表示 MCU 读到的数值，N 为 ADC 的位数，Vref 为参考电压的值。那么电桥的输出电压如何计算呢？前面我们介绍过全桥输出电压公式如下：硬件三人行制作所有11：硬件三人行 交流讨论加李：、式中R/R 记为，由于 R 为定值，所以可以用来表示电阻的变化。由上图又可得到：将以上的式子进行化简推导，得到下式：这样，我们就可以用单片机接收到的值来表示电阻的变化量。实际生活中的电子秤的原理大多采用方案二的方法，因为电子秤的端和设备距离很近，完全没必要用复杂的电路进行远端补偿。同样，方案二的这是方式也能起到远端补偿的作用，因为在公式推导的过程中我们约去

16、了Vref。很多人会觉得方案二不仅结构简单，而且也能实现远端补偿，那还要设计方案一中那么复杂的电路干什么呢？但是，我们应该注意到方案二的方法中与 D 成正比。在公式一中可知 D 与 Vref 是有关系的，如果 Vref 太小会导致 D 很小，系统的分辨率就会降低。这节课和上节课我们给出了两种不同的方案，下面我们对比一下这两种方案的优缺点。方案一：优点：适用于传感器端与端具有较长距离的电路设计。缺点：电路较为复杂，成本高。电路输出受参考电源的影响。方案二：优点：成本低、电路简单。缺点：电路灵敏度低，能力弱。综上，我们来选择方案二作次课程所运用的方案。：硬件三人行制作所有12：硬件三人行 交流讨论

17、加李：、第 5 讲：对微小电压的放大之前的课程中我们提到过要做好微小电压放大的问题。因为我们到的电电压是压通常是非常小的。而 ADC020mV。这明显和 ADC 的范围一般是 02.5V 左右，试想如果范围是不匹配的，因此要对微小电压进行放大。这一讲，我们主要讲解微小电压的放大问题。方案一：普通放大电路普通放大电路通过两个电阻的关系来确定放大倍数。这种电路的优点是：电路简单，成本低、引入共模干扰。但是这种电路对运放要求高，因为运放的参数如偏置电压、偏置电流等参数对电压的准确性和稳定性有很大影响。方案二：差分放大电路上图是差分放大电路的拓扑结构，也是我们这节课重点讲解的放大电路类型。我们可以看到

18、图中有三个运放，但是这三个运放是被集成在一片中的。这种三运放结构的放大器又称为仪表放大电路。差分放大电路的特点是：电路复杂，成本相对高、抑制共模干扰和零漂，放大差模信号，但对运放要求较低。上面我们提到，普通放大电路引入共模干扰，差分放大电路抑制共模干扰方法差模信号。那么，什么是共模信号，什么是差模信号呢？：硬件三人行制作所有13：硬件三人行 交流讨论加李：、差模：指的是两根线之间的信号差值。如图中，差模信号指的是器件 1 和器件 2 两根线之间的信号差值。共模：共模噪声又称对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声。如图中，共模信号指的是器件 1 和器件 2 分别对地的信号。方案一中的输入显然是对地

19、的，这样就引入了共模干扰。而方案二的差模放大电路有两个输入，这两个输入是分别对地的，但是两个信号相减，即可减掉对地的两个噪声。为什么要减掉这种共模噪声呢，因为如果小信号中掺有噪声，在放大的同时这种噪声也会被放大。这样我们就不能有效的识别有用信号，因此我们要利用差分的方式来抑制这种共模干扰。差模和共模的概念不仅仅用在运放的分析中，在电源中应用的也非常广。如上图是一个±5V 数字电源转换成±5V 模拟电源的电路图，±5V 的数字电源经过滤波电容后又经过共模电感 L1 将共模干扰滤除，以保证对模拟电路的电源的纯净。当模拟和数字信号混合出现在一个电路中时，模拟信号是非常经

20、受不住这种干扰的，所以这种设计是非常有用的。：硬件三人行制作所有14：硬件三人行 交流讨论加李：、第 6 讲：差分放大电路对微小电压的放大紧接着上次课，我们先来具体分析一下差分放大电路。如上图差分放大电路，我们先来分析框中的部分。根据运放分析中“虚短”、“虚断”的理论，我们可以得到如下的公式推导过程：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）下面继续分析后半部分电路：版15：硬件三人行 交流讨论

21、加李：、后半部分的电路我们可以用“虚短”、“虚断”的理论进行分析，但是计算和推导起来十分复杂，在这里我们采用将运算放大器同相端和反相端分别接地的方式来分析这个电路。这种方式在电路中被称为叠加定理。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，我们完成了差分放大电路两级的分析和计算。在后续的课程中我们也是利用差分放大电路对微小电压进行放大。电路前面我们对差分放大电路进行了理论推导，下面我们进行，来看看理论推导和之间存在着哪些偏差。如上图的电路与我们

22、在进行理论分析时的电路图相比缺少滤波电容。因为在中我们发现，当运放带有容性负载时信号会产生畸变，导致电路的性能下降。这就是实际应用中我们需要注意的地方。查阅我们可以发现运放是带有偏置指标的，当在放大小信号时这种偏置对性能的影响是巨大的。所以我们应该结合实际情况对理论分析的电路进行修改，以得到最佳的方案。：硬件三人行制作所有16：硬件三人行 交流讨论加李：、第 7 讲：ADC模数转换前面的课程中，我们对传感器的原理进行了介绍。信号调理部分我们分析了远端补偿等问题。本次可来说一下模数转换。在模数转换中有两个十分重要的概念：精度和分辨率。精度我们用 ADC 最后所得结果的一个“分度”来诠释，但这并不

23、是一个概念。系统的很多因素都会影响 ADC 的精度，如器件所处的环境温度等都要折算到精度的计算中，所以实际的精度算下来可能要是分度的很多倍。而分辨率通常体现为你的 AD 转换是多少位的，在查是 XXBit。时也就是说你的 AD下面我们来介绍数字处理电路部分：数字处理中首先包括电源系统、晶振及复位等还包括 IO 口的配置电路。还有一些外设与模数转换的接口电路。其中，晶振电路是系统的心脏，保证系统正常的运行。本次课只是简单的对模数转换进行非常简单的介绍，后续的课程中别对其中的内容进行详细的分析，敬请期待。分：硬件三人行制作所有17显 示数模信传：硬件三人行 交流讨论加李：、第 8 讲：元器件信号的

24、查找选择在设计好电路之后，我们想要实现这个电路要对电路设计中使用的元器件进行选型操作。我们使用什么样的电阻、电容和电感？精度要选择多少？运放我们选择哪种？中如此多的参数什么是我们需要关注的？电源系统如何选择？这次课我们进行详细的介绍。下图给出了很多知名的数字、模拟器件生产厂家的图片。大家可以对这些厂家有一个简单的了解，以便自己进行电路的选型。里面有很多我们熟悉的公司，如德州仪器，ST 公司等等。他们各自有各自的优点，有的价格亲民，有的性能极好。除了这些厂家，还有许多生产元器件的厂家。在我们查找元件性能或者典型设计时，我们可以到各个公司的上进行查进找。如 TI 的行查阅和买厂家的就对自己的。甚至

25、还会提供介绍的非常详细，还可以对器件的的电路设计给设计者作为参考。即便你不去购，中也有很多参考设计也是大家可以进行学习的，上面有海量的资料。如原理图、和 PCB Layout 等等。还集成了，可以与网友进行讨论等。我们应该经常阅览各大厂家的，来浏览这些典型电路，在我们设计电路时给我们一些思路。正所谓，熟读唐诗三百首作诗也能吟。在我们前面讨论的差分放大电路中，对运放的需求是要有好的温度特性。因为输入信号是非常小的，所以还需要噪声低。至于通道数量，选择两个两通道和一个三通道都是可以的。由于是设计，所以还需要成本低廉。此外，还需要具有低带宽增益积。因为电子秤在感受力的作用时并不需要很大的带宽频率。所

26、以降低带宽增益积也是对成本的一种节省。此外我们还要考虑供电电压，电源的：硬件三人行制作所有18：硬件三人行 交流讨论加李：、设计要考虑具体运放需要单电源供电还是需要双电源供电。关于这两种使用方法在后续课程中会具体介绍。化的电路设计对体积是有要求的，要根据实际情况选择不同封装的元器件使设计的电路更加符合实际应用。在进行元件选型时一定要把自己的需求写下来，综合考量。：硬件三人行制作所有19：硬件三人行 交流讨论加李：、第 9 讲：运放的择优选型上次课我们讲解了我们在运放选型中需要考量的指标。前面介绍过模拟器件的生产厂家主要是 TI 和 ADI 两家。由于 ADI 的比较贵，所以我们选择 TI的。登

27、录 TI 的，以此选择【】【放大器】，【放大器】选项卡下对不同运放进行了分类，权衡下来我们需要放大非常微小的电压信号，所以选择【精密运放放大器】。接下来我们选择【】选项，之后来对通道数进行选择，以便更快速的从海量的中找到适合我们设计的运算放大器。接着我们还可以继续输入供电电压来缩小我们的选择范围。但是电压选项在运放的选择上往往是放在后面考虑的。紧接着我们可以继续综合考虑我们的关注点来不断缩小选择范围。对于一些要求不敏感的参数我们可以忽略，当我们关注的指标定下来之后仍然有一些选择时，价格可能会成为最后的决定因素。但是，也要看一看市面上哪种用的多。因为还涉及后续器件供货等问题。在选择时一定要把考虑

28、到实际的使用环境中。不同的行业对的需求是非常不一样的。例如汽车行业，一定要要求安全性。还有就是高温的环境对性能到底有没有影响很大。至于市场流通性，我们可以去互联网查看的销量等等。最终，我们选择 TI 公司生产的 OPA2188 运放。据手册的介绍：硬件三人行制作所有20：硬件三人行 交流讨论加李：、器件的OPA2188 的可以在手册。或通过其他途径自己。我们来一起看一看在手册的最开始，我们可以看到 TI 给出了一些参数，通过对这些参数的阅读我们可以看到这些性能参数与我们的要求是十分吻合的。接着我们逐一来看芯片手册给出的特性。由手册可以看到这款具有低偏移电压：25V（最大），在实际应用中，我们采

29、用差分的结构，这种小的偏移电压是可以被抵消掉的。下一个参数是漂移：0.03V/，这是非常小的。这个参数同样可以被差分结构所抵消。接下来是噪声参数：8.8nV/ Hz ，运放工作在不同频率时运放引起的噪声也是不同的。手册同样给出了 0.1Hz 至 10Hz 的典型噪声。直流精度中给出电源抑制比参数：142dB 电源抑制比指的是电源的波动对输出的纹波的影响。公式为： PSRR=20log（rp/rout）=142dB（式中 rp 为电源纹波，rout 为运放输出信号的纹波）。可以看到，PSRR 越高，电源对输出信号的影响就越小。共模抑制比参数在前面有所介绍，这也是一个非常重要的参数。接下来给出了开

30、环增益，即不接反馈时的放大倍数。接下来还给出了一些参数。从这些参数我们可以看出这款运放基本可以满足我们的需求。：硬件三人行制作所有21：硬件三人行 交流讨论加李：、接下来手册还给出了这款运放的应用范围和封装信息。接下来还给出了偏移电压与温度的关系。本次设计的电子秤一般应用在室温中，这个参数主要用作后期的校准工作。这个表对我们有一定的指导意义。接下来给出了运放详细的引脚信息。接下来给出了一些参数，因为我们的如果正式使用是要通过 ESD 测试的，所以也很重要。上次课我们提到，运放的输出不要接打电容，在手册中也给出了输出电容的指标。手册还给出了TI 公司对在不同使用情况下的测试过程中的参数，如果在设

31、计的过程中遇：硬件三人行制作所有22：硬件三人行 交流讨论加李：、到了问题，可以查看手册进行参考。手册中还给出应用该参考。的典型电路设计，在进行电路设计的时候可以进行手册中还给出了 Layout 的直到方式和注意事项，在制板的过程中要注意这部分内容要注意的是的名字一定要注意，OPA2188 是分为好几个型号的。如OPA2188AID 等，如果出现错误在采购和 PCB 绘制的时候会出现很多麻烦。：硬件三人行制作所有23：硬件三人行 交流讨论加李：、：硬件三人行制作所有24：硬件三人行 交流讨论加李：、第 11 讲：ADC 关于运放的单电源供电设计分析前面的课程中我们提到过运放的单电源供电问题。如

32、下图所示：这个内部由两个运放组成，并且 4 号引脚和 8 号引脚分别是双电源的供电引脚。但是在实际的电路设计中，我们可能会遇到硬件电路无法提供正负双电源的情况，比如受到电路板空间的限制的问题。或者我们无需特别精确的得到信号的情形。也并不是所有的运放都需要双电源供电，具体的情况要查阅数据手册。如果没有指明可以单电源供电，不要铤而走险。接地上图是一个使用±15V 双电源供电的例子，其中±15V 是相对于参考点地来说的。我们假设把图中的电压改为红色字的情形。将-15V 改为接地，那么按照刚才的参考点，同相端电位即变成 15V，原来的+15V 变为 30V。这样就变成了如下图的单电

33、源供电方法。：硬件三人行制作所有25：硬件三人行 交流讨论加李：、再来看下面一个例子，是与上面所谈到的方法同理的，不做具体分析。下面看一下单电源供电的减法电路。仪表放大电路的单双电源供电。：硬件三人行制作所有26：硬件三人行 交流讨论加李：、单电源供电使电路不对称，通过“虚短”、“虚断”来计算的结果将不再那么准确。看了以上单电源供电的例子，我们来讨论一个问题：VCC/2 从哪里来？ 是不是来自用电阻将 VCC 分压呢？这种方式是不可行的！既然支持单双电源供电，那么就是说这两种供电方式对电路的效果是基本一致的。那么从地看向系统的阻抗要和从 VCC/2 看进去阻抗是一致的。实际中如果只加分压电阻后

34、直接接入电路，这个分压电阻会对电路产生很大的影响的。好的方式是我们用电阻将 VCC分压，然后再通过一个跟随器，将跟随器输出接到 VCC/2。单电源供电的优缺点如下：缺点：1、影响输入输出电压范围，限制了电路的动态范围。：因为单电源供电没有负电源，那么负电压是测不到的。而双电源供电只要在范围内无论正负都可以侧得到。2、受电源波动影响3、放大直流小信号比较。：就算你的 VCC/2 设计的再好，噪声性能也是没有“地”好的。所以在直流小信号受到很大影响。所以放大交直流小信号时尽量选择双电源供电。优点：1、电源设计简单，成本低。2、对精度要求一般的设计适用。：硬件三人行制作所有27：硬件三人行 交流讨论

35、加李：、由于本次设计需要对微小电压进行放大，所以在选择运算放大器时要选择双电源供电方式。对于电路选择单电源供电还是双电源供电要综合考虑各方面因素来决定。：硬件三人行制作所有28：硬件三人行 交流讨论加李：、第 12 讲：ADC 的原理与类型的介绍讲解前面的课程当中我们详细分析了与运放相关的知识，本次课开始介绍 ADC。首先讲一下 ADC 的原理。由于 ADC 输入模拟信号，输出数字信号，所以需要对模拟信号进行采样，保持，然后量化编码输出数字信号。取样：对连续变化的模拟信号定时测量（采样定理：fs>2f），采样定理的理论推导只是数学上的结果，在实际应用过程中，我们一般选择信号最高变化频率的

36、 5 到 10 倍去进行采样。这是比较保险的方式。如果采样的时间间隔足够小，那么很好的还原被采样的信号。保持：对取样的信号进行保持，便于。由于后续的量化过程需要一定的时间，所以对采样信号进行保持是十分必要的。量化：将电压转化为最小的电压的整数倍。最小电压电压/2n，其中 n 为 ADC 的位数。即精度：参考ADC 的分类：并行比较 ADC：采样率高、G 左右、分辨率做不高、功耗大。型：电压转化为频率，转化率低、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取样保持量化编码：硬件三人行 交流讨论加李：、SAR（逐次逼近）型 ADC：需要逐步比较，所以采样率做不上去，但精度可以相

37、对较高。Sigma-Delta 型 ADC：过采样，提高精度、高速、更好的噪声性能。Pipelined ADC：流水线高速 ADC。：硬件三人行制作所有30：硬件三人行 交流讨论加李：、第 13 讲：ADC 的选型与误差参数ADC 选型：1、分辨率-8/12/16/24/32bit：在 ADC 选型时第一个指标是分辨率，分辨率与电压的最小课提到的量化过程相关。有关。与上次2、采样率：采样率应该遵循 Nyquist 采样定理。3、精度值>REF/2n（分辨率）：精度和分辨率是两个不同的概念，在计算精度时是把分辨率包含在其中的。精度的计算还包括了如温度等因素对系统的影响。4、接口：接口与软件

38、相关，大多的 ADC 的接口为 SPI 或者 I2C，这些接口操作简单。5、通道数：即 ADC 要几路信号，就选择几通道。6、电源电压：中低频中 3.3V 和 5V 都是可以的。7、信噪比：信噪比这个参数很重要，是信号与噪声的比值，信噪比越大越好。它的公式为 SNR = 6.02*N+1.76dB，其中 N 为分辨率。分辨率越高信噪比越大。8、INL、DNL：INL 和 DNL 被称为非线性误差和微分非线性误差。这两个参数不是我们选择 ADC 重要的考量指标，但是也要关注一下这个参数。9、ADC 类型：上次课已经提到。：硬件三人行制作所有31：硬件三人行 交流讨论加李：、10、输入范围：输入范

39、围应满足实际设计的需求。11、温度范围：根据自己的应用环境来选择温度范围。温度不一样，ADC 的性能是受到很大影响的。所以温度是选择 ADC 时候非常重要的参数。参数详解：1、DNL：差分非线性误差：相邻理想刻度与实际刻度的偏差值。2、INL：非线性误差：输出数值偏离线性最大的距离。3、QE：量化误差。4、THD：总谐波失真。5、SNR：信噪比= 6.02*N+1.76dB。6、RMS：均方根用来衡量噪声。7、偏移误差：最低有效位为 1 时，实际输入与理论输入误差。以上的参数会在后续课程中结合的进行详细讲解。第 14 讲：ADC的择优选型我们登录到 ADI 的（）来查看 ADI 公司在指导我们

40、进行：硬件三人行制作所有32：硬件三人行 交流讨论加李：、ADC选型时需要注意的参数。ADI 给出的首位参数是分辨率，这说明分辨率对 ADC 选型是非常重要的参数。我们的设计选择 24 位的 ADC。第二个参数给出的是采样率，本次设计的电路是处理低频电路的，所以选择低采样率的 ADC 即可。下一个参数是通道数的选择，本次设计至少要采用 2 通道。经过这几个参数的筛选，剩下的的种类就有限了。下一个选择参数是 ADC的架构，也就是 ADC属于哪种类型。接下来是 INL 特性。ADC 的输入范围也是一个重要的指标，但这可以通过前面的调理电路进行调节。下一个参数是功耗、温度、接口和价格等等。下面我们来

41、看 TI（）给我们提供的 ADC 选型指导方式。TI提供一种快速选择 ADC 的方式，关注的指标和 ADI 基本一致。需要的参数输入，然后一键筛选出满足条件的 ADC。然后再别的参数。下次课会详细的带领大家来阅读 ADC 的。：硬件三人行制作所有33：硬件三人行 交流讨论加李：、第 15 讲：关于ADC手册的介绍上一节课我们对 ADC 进行了选型，这次课带领大家来以 AD7799 为例读一读ADC 的。AD7799 的手册是英文的，要多多阅读英文的手册。通过不断查阅来慢慢掌握阅读英文手册的方法。首先可以看到这个是 3 通道、16-24位可选的低功耗低噪声-结构的。并且是带片上放大器的。如上图所

42、示，左一红框中为一个多路选择开关，几个通道的。左二红框内是片上增益可调的放大器，假设 ADC电压的范围是 10V，那么当增益为 1 时，Vin 的最大值可以为 10V，当增益为 10 时，Vin 的最大值为 1V。我们知道，当分辨率不变时，值越小，精度就越高。手册首先给出了RMS noise 参数。这种均方根的噪声的表征方式是比较好的。：硬件三人行制作所有34：硬件三人行 交流讨论加李：、通过观察可以看到，频率越高噪声越大。因为随着带宽的增加各种噪声也在不断的出来。但好在噪声都是 nV 级的，所以相对于信号的最小是很小的。接下来是有关功耗的参数，如果是便携设备是要注意这个参数的。接下来给出该是

43、低噪声并具有可编程增益的。可编程增益体现在片上的增益放大器。继续往下看发现求的。的 Update rate 最大 470Hz，是可以满足我们的需具有三个差分输入，差分输入是可以很好的抑制共模干扰的。如果对信的要求非常高，一定要选择差分结构。号接下来是时钟和频带制式。我国的交流电是 50Hz 的。接下来是供电和温度性能及封装等特性。对于，我们使用过后应该记住它的特性，以便在我们以后的电路设计中再次使用。使用以前用过的，好处在于你用起来会轻车熟路而且手里掌握的也相对多且得到过验证。：硬件三人行制作所有35：硬件三人行 交流讨论加李：、接下来，我们看到是 3 线的 SPI 接口。还给出了的应用领域：

44、称重、高精度测量、电桥等。：硬件三人行制作所有36：硬件三人行 交流讨论加李：、第 16 讲：关于ADC 手册应用计算的详述说明我们接着上节课来继续详细ADC的。手册还给我们提供了供电相关的信息。一定要按照手册给出的供电电压进行供电。接下来手册给出了误码率、线性误差、电源抑制比和温漂等参数。INL：非线性误差例如：12bit ADCVREF=4.096V）=4.096/212=0.001V 即 ADC 采的最小1LSB（最小为 0.001V。精度：1LSB=0.001V当精度为 1LSB 时，如果测量 1V 的信号，实际处理应该为 1±0.001V。如果精度为 5LSB，那么出来的范

45、围应该为 1±0.005V。注：ppm 表示百万分之一。接下来手册给出了模拟输入相关指标。差分输入电压范围输入极限值共模电压：硬件三人行制作所有37：硬件三人行 交流讨论加李：、模拟输入电流模拟输入电流温漂接下来是与参考电压相关的参数。外部参考电压输入为 2.5V，参考电压范围是 0.1VVDD。很多参考电压用的是 2.5 或 3.3，不过最好使用最小这样可以提高精度。是整数的参考电压，如 2.096、1.024 等，接下来还给出了晶振、接口和电源等的说明。接下来 ADC 给出了与时序相关的信息和时序图。：硬件三人行制作所有38：硬件三人行 交流讨论加李：时序图：下面给出了的引脚图和

46、详细的引脚信息。不仅给出模拟部分的参数信息，还给出与数字相关的参数。软件配置的相关信息也在后面给出了详细的说明。：硬件三人行制作所有39：硬件三人行 交流讨论加李：、最后还给出了 ADC 的参考电路如下：后面还给出了 Layout 相关信息，应用信息及封装信息等。在采购时一定要注意同系列不同型号的烦。，否则将会出现提高成本等麻：硬件三人行制作所有40：硬件三人行 交流讨论加李：、第 17 讲：简单接口协议的硬件调试及案例分析这次课我们讲解简单接口协议的硬件调试，并举出一个实例。之前我们选择了一款 SPI 协议的 ADC。SPI：SPI 有 4 个引脚：CS、SCK、MISO、MOS。CS 是是

47、否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位)，对此的操作才有效。这就在同一总线上连接多个 SPI 设备成为可能。这里先要知道 SPI 是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是 SCLK 时钟线存在的，由 SCLK 提供时钟脉冲，SDI，SDO 则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO 线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少 8 次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次)，就可以完成 8 位数据的传输。上图是手册给出的 SPI 的时序图。下面看一下示波器给出的时序图。：硬件三人行

48、制作所有41：硬件三人行 交流讨论加李：、如图我们可以看到当前处在主设备输出状态，输出为 0xfe。I2C：I2C 相对简单一些，因为只有两根线。下图为 I2C 的时序图。首先对地址进行操作，然后进行读写回应。然后进行数据操作，在有一个回应。在示波器中我们可以很直观的看到整个过程。案例分析：项目背景：利用 FPGA，发现几个问题。问题 1：FPGA到值，但是值变化。问题 2：值和实际值对应不上。例如：0 对应 0V1V 对应 1.2V2V 对应 3V：硬件三人行制作所有42：硬件三人行 交流讨论加李：、3V 对应 3V后来使用示波器来调节，如下图。排除软件，发现由于信号的没有做好匹配，时钟信号

49、噪声很大，如示波器线所示。综合分析，由于 8 个 ADC 共用一个 CLK，CLK 产生了相移。ADC下降沿变化数据，上升沿数据。如示波器，发现有时候是下降沿数当时通过将时钟延时来解决这个问题。：硬件三人行制作所有43：硬件三人行 交流讨论加李：、第 18 讲：ADC 输入电路的设计这次课主要讲解一些电路的具体设计。在设计 ADC 输入电路设计时，首先我们应该在 ADC 输入之前加一个限流电阻来防止 ADC的损坏。还要对输入信号进行滤波。最经典的就是 RC 电路。那么如何选择 RC 的值呢？电阻值选的不宜太小，太小起不到作用。也不宜太大，因为 ADC 输入有一个漏电流，漏电流流到电阻上会有压降。很多人都不知道 RC 的值如何去选。C 的值如果太大，会影响时间参数，外部信号来了之后会给电容一直充电。当外部信号降低时，由于电容会放电，所以这时 的值并不是外部真实的信号。1、R 的取值：限流：首先我们提出一个标准，例如 ADC 为 3.3V 供电，最大输入是 10V。翻看查看输入电流：10mA。R（10V-3.3V）/10mA=670。从限流的角度来看限流电阻应该大于 670。精度：如果电阻选的过大，由于输入的漏电流，在电阻上产生