信號特征提取電路設(shè)計(jì)

1、匯:Allen Li時(shí)間：2017-12-29信號特征提取電路設(shè)計(jì)ADC信號鏈第3部信號特征提取電路設(shè)計(jì)1.大家試想一下，假如脈搏信號可見，變成數(shù)字信號，從而轉(zhuǎn)換為次數(shù)，衡量。那么怎么樣才能將其心跳指標(biāo)？都知道蝙蝠是用波來判斷前方是否有物，用此來改變飛行道路。2.工作的原理大概就是先發(fā)出一段超聲波，波碰到物體會進(jìn)行反射，然后蝙蝠就能接收到超聲波。利用來回的時(shí)間差基本衡量出當(dāng)前距離物的距離。汽車的就是利用這個(gè)原理。3.對于圖示的波形，假如都不重要。是否有比ADC只對其最大值感更好的方案來實(shí)現(xiàn)？，其波形的形狀、頻率上述即是利用信號特征提取電路來完成設(shè)計(jì)的如果你知道，那么恭喜你入了電路設(shè)計(jì)的坑，如果

2、不知道，學(xué)完課程，你將堂堂正正的入坑信號特征提取電路設(shè)計(jì)所謂信號特征提取，即是對信號本體先做特征分析，將需要的特征值提取出來。這就類似化學(xué)學(xué)科里面的成分分解，要得到氧氣，就將水進(jìn)行分解，從中提取出氧氣。通常對一個(gè)電信號進(jìn)行時(shí)域、頻域分解。其包含的基本參數(shù)有幅值（萬用表測量電壓、測量電流）、頻率（萬用表或者示波器測量頻率）、上升沿、下降沿。幅值一般衡量信號的強(qiáng)度，范圍。頻率衡量其工作的狀態(tài)，通常也包含各種諧波 分量。上升、下降沿的快慢也是衡量其高次諧波的重要參數(shù)。當(dāng)然信號經(jīng)過電路處理或者發(fā)射后，會跟原始信號產(chǎn)生相位差，利用這個(gè)相位差可以衍生出很多應(yīng)用。就是其中一個(gè)。當(dāng)然信號也可表征功率密度，噪聲

3、分布等等。右圖是脈搏的特征。脈搏的方式其實(shí)類似紅外對管的方式！血液在發(fā)生心臟跳動(dòng)時(shí)，會呈現(xiàn)暗色和透明。脈搏測試方案如果單純測量脈搏次數(shù)，辦法？如下是在市場上買到的一款脈搏測試的傳感器，的波形如右圖所示?；诓ㄐ翁卣?，大家想到怎么樣才能獲取脈搏次數(shù)？1、ADC，通過算法實(shí)現(xiàn)閾值判斷2、利用基本的比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)3、利用遲滯型比較器進(jìn)行設(shè)計(jì)，提供系統(tǒng)的魯棒性4、利用集成完成信號特征提取脈搏-ADC信號采樣率確定：根據(jù)之前的波形分析，因?yàn)槊}搏信號的頻率在(60-80)/min左右，但是如果為了更加深入的了解脈搏狀態(tài)還需要對小的尖峰進(jìn)行采樣，那么分析其頻率在120-160次/min左右。那么頻率最大在3

4、HZ左右，根據(jù)之前講的5倍原則，ADC的采樣率在20-100HZ左右既可以滿足的要求。分辨率確定：根據(jù)圖示，傳感器輸出的信號最大值4.5V，最小值1.5V，第二個(gè)尖峰在2.5V左右，所以從這里看，其精度在min（2.5-1.5,4.5-2.5）/10=100mV左右既可以滿足要求。成本考慮：獨(dú)立的ADC，精度、溫飄較好，但是占用PCB面積，價(jià)格較貴。集成在MCU中的ADC雖然整理的性能不如獨(dú)立的ADC，但是在成本和PCB面積上是占用很大的優(yōu)勢的。如果評估可以，建議使用集成MCU的ADC模塊。1、ADC的選擇（獨(dú)立的ADC，還是單片機(jī)的ADC）2、電路的設(shè)計(jì)3、精度計(jì)算4、器件選型5、其他脈搏-

5、ADC精度計(jì)算MCU ADCADC輸入電路設(shè)計(jì)1、EMC問題，這里不做講述，因?yàn)镋MC問題主要通過前端增加電容或者 TVS實(shí)現(xiàn)，與電路功能相關(guān)性不大2、過流、過壓保護(hù)問題3、前端匹配、濾波設(shè)計(jì)4、精度計(jì)算AINREFSTM32 模擬輸入口傳感器輸入ADC前端驅(qū)動(dòng)電路1問題：一般ADC的輸入阻抗都不高，所以會有較嚴(yán)重的加載效應(yīng)1、利用運(yùn)放輸入阻抗大，從而減少對源端的影響加載效應(yīng)2、運(yùn)放低輸出阻抗，高擺速等滿足ADC采樣電路3、在運(yùn)算放大器輸出與ADC輸入之間接串聯(lián)電阻對大多數(shù)應(yīng)用都有好處。這個(gè)串聯(lián)電阻有助于限制運(yùn)算放大器的輸出電流。串聯(lián)電路的阻值選擇很重要，較大的阻值則將增加從運(yùn)算放大器端看過去

6、的負(fù)載阻抗，并改善運(yùn)算放大器的總諧波失真(THD)性能。不過，ADC最好由低阻抗源驅(qū)動(dòng)，因此，必須找出此串聯(lián)電阻的最佳阻值，以提供運(yùn)算放大器和ADC組合電路的最佳指標(biāo)，包括THD、信噪比(SNR)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。ADC精度-參考電壓通常在參考電壓源的輸入會做一個(gè)RC濾波，用來穩(wěn)定參考電壓，從而提高ADC采樣的魯棒性。但是，這帶來一個(gè)問題就是，這個(gè)電阻R對參考電壓是否有影響？參考電壓引起的誤差：V = X *Vref12NX*（Vref-V）V =22NX=V V =* VVerror122N11* V =V*I *R=220*10 / 4096=0.5uVerror _1LSBi

7、n2N212 V 2.2 mVVNerror _2 LSB從這里可以看出，R越大，參考電壓引起的誤差也越大，其值為R*Iin。因?yàn)殡娮枞≈涤邢?，對于電容來說，這里一般 RC的截止頻率在1K左右也是OK，但是通常考慮成本，電容不會取值過大。會選擇通用點(diǎn)的容值。當(dāng)然，在這里將電阻換成磁珠也是不錯(cuò)的選擇，成本會增加。ADC精度-輸入阻容1、需要了解傳感器輸出的阻抗是多少？并且結(jié)合手冊確定輸入電阻取值（根據(jù)spec，最大可以選擇到50K）2、過壓保護(hù)，如右邊公式所示。VDD 5 3.3 340 VovervoltageRminI5mAmax3、電阻對精度是否有影響？（62,page29） 1 1000

8、 Rs * Ilg 470 *1uA 0.47mVVres4、電容的濾波截止頻率以及精度影響（page76）2 RC111)*VDD 0mV/ (CfilterCfilterCsleADC精度12bit ADC： 2.2mV+0.47mV+5*3.3/4096=6.67mV1*3.3/4096=0.8mV脈搏-比較器1、短路保護(hù)，輸入電流不燒毀，輸入串聯(lián)電阻2、不可以輸入負(fù)電壓（是否加二極管？傳感器加了）3、輸入濾波4、輸出濾波5、電平匹配特點(diǎn)：電路簡單、成本較低、但是魯棒性差5V-100K*1uA1.8V脈搏-比較器設(shè)計(jì)參數(shù)：Vol=0V；Voh=5V；Vinl=1V；Vinh=3V計(jì)算：R

9、1 V) Vinh Vinl 2V ;H =(VOHOLR R12R1 2 / 5, R1 2K , R2 3K ,V 5 / 3 1.67V .refR R12脈搏-集成方案無源濾波IV轉(zhuǎn)換放大濾波比較顯示處理脈搏-集成方案電壓跟隨器反饋端并聯(lián)電阻和電容作用：1、電阻是為了消除偏置電壓，是運(yùn)放工作在對稱區(qū)域2、電容為了提高其頻率特性，使得電路工作更加穩(wěn)定 Q值補(bǔ)償講解:Q=f/BW R08107 R08C04 C05 o1 i06(s11s 2 () C04 R06R07R08R07 R08C04 C05脈搏-測試超聲波測距原理S v * tS1+S2=V聲*t S1-S2=V車*t2設(shè)想電

10、實(shí)現(xiàn)的方法：1、MCU控制接口輸出一段40KHZ的信號，通過超聲探頭發(fā)射，并且為t1；定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，此時(shí)刻2、40KHZ信號在遇到物的時(shí)候會產(chǎn)生反射，探頭接收到40KHZ信號，此時(shí)需要對40KHZ的頻率進(jìn)行識別，識別出信號時(shí)刻即為t2；3、根據(jù)t1、t2，就可以計(jì)算出距離。存在：1、超聲測距可以識別的范圍，與哪些有關(guān)？（發(fā)射信號的能量、接收的最小有效信號）2、測量的精度是多少，影響精度的有哪些？（電路處理速度、溫度、濕度、處理產(chǎn)生的誤差）3、超聲波的輻射范圍（評估電路或者傳感器選型對其影響程度）4、動(dòng)態(tài)范圍的識別（物體在運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)距離） C=C0+0.607T超聲波測距方案功率放大40

11、KHZ發(fā)生器MCU探頭放大電路有源濾波檢波、整形方案一：A后面主要正向的對方案一做設(shè)計(jì)。從這個(gè)簡單的系統(tǒng)來看，想要完成超聲波測距，第一要做的就是選擇超聲波探頭，并且知道其原理以及發(fā)射需要的功率、接收到的信號幅值大小等。原理：1、超聲波探頭利用壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能、聲能轉(zhuǎn)換的器件。所以需要系統(tǒng)發(fā)出40KHZ的信號與其產(chǎn)生，探頭就會產(chǎn)生超聲信號。2、輸出聲壓級。對于探頭這里表示利用10V的正弦波，在30cm處的聲壓為105dB（這里的dB跟平時(shí)說的分貝是同一個(gè)概念）3、接收靈敏度?？梢越邮盏降淖钚〉某曅盘?、-6dB的衰減角度。5、超聲工作的最大電壓。UL=L*di/dt方案一：B了解傳感器以后，

12、就是需要進(jìn)行需求分解。1、根據(jù)傳感器描述，需要對于輸出電壓進(jìn)行升壓。從而提高輸出分貝。2、輸入信號需要做好放大，從而可以識別到小信號，從而提高測量范圍。方案一：C簡化放大設(shè)計(jì)電路，在這里選擇了差分儀表放大器（如果有，大家可以自行利用三極管做放大）方案一：DC42C4201UF0R R61620R0U13B AD8056AR7R63R63620R5620R0.01UFR70620RR70GND620RGNDGND01UFR R61620RU13B AD8056AR70.R60C4460.R60C44650.01UF方案一：E方案一：F超聲波測距元件選型1電容選型1、容值2、精度3、耐壓4、封裝5

13、、溫度系數(shù)（C0G、X7R、Y5V.）6、高頻特性7、MLCC or 電解電容 or 鉭電容 or 混合電容8、超聲波-誤差硬件誤差：1、回波信號放大與整形-AGC或者誤差：2、計(jì)數(shù)頻率。在室溫下,空氣中的聲速是 345 m/ s ,考慮反射式測量有 2 倍路程,采用 1MHz 的計(jì)數(shù)頻率測時(shí),對應(yīng)最小分辨力為 0.172mm。這種分辨力可以滿足大多數(shù)工業(yè)測量場合；3、在超聲波發(fā)射之初需要一定的延時(shí)。為了降低輸出對采樣的影響；環(huán)境誤差：壓強(qiáng)、溫度、濕度超聲波1-流程圖定時(shí)器清零計(jì)數(shù)清零其他清零第作）計(jì)算距離修正參數(shù)融合計(jì)算聲速40KHZ發(fā)出時(shí)間為T1=0（timer開始工中斷計(jì)時(shí)回波清除定時(shí)等

14、待超時(shí)歸零控制IO輸出40KHZ 10個(gè)環(huán)境參數(shù) 顯示初始化 中斷初始化 定時(shí)器初始化定時(shí)器時(shí)刻T2等待中斷發(fā)射40KHZ，下當(dāng)前時(shí)刻T1進(jìn)入任務(wù)系統(tǒng)初始化超聲波測距設(shè)計(jì)errupt 0 / 外部中斷是0號O_()eH =TH1; eL =TL1;succeed_flag=1; EX0=0;/*/*/定時(shí)器1中斷,用做超聲波測距計(jì)時(shí) timer1()errupt 3 / 定時(shí)器0中斷是1號TH1=0; TL1=0;峰值檢波1峰值檢波器，它是一個(gè)能信號峰值的電路，其輸出電壓的大小，一直追隨輸入信號的峰值，而且保持在輸入信號的最大峰值。交流信號正半周時(shí)，信號通過二極管給C1充電，并且輸出給R1只要

15、C1足夠大。那么其輸出直流電壓數(shù)值就非常接近交流電壓的峰值。交流信號負(fù)半周時(shí)，C1、D1的漏電流以及R1左右電容上電荷的泄放路徑。會導(dǎo)致C1上的電壓下降，從而小于峰值電壓。（放電也是需要的?。﹩栴}1：負(fù)載電阻的影響問題2：因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降，所以對于交流小信號的峰值檢波，系統(tǒng)可能就要求峰值檢波2也可以按需要加一可調(diào)的泄放電阻。如果允許電路有很長的放電時(shí)間，也可以不用外加泄放電阻。這種電路可以有效地次級的影響，且跟隨器的輸出電壓（Vo）可視為與電容上的電壓相等。為了避免后級輸入電阻的影響，可在檢測器的輸出端加一級跟隨器（高輸入阻抗）作為。峰值檢波3加速充電！但是D2漏電流對檢波存在一定影響，特

16、別是頻率較高時(shí)的檢波峰值檢波4增加D1的作用：在Vout為正時(shí)，系統(tǒng)通過D1、D2對C2進(jìn)行充電在Vout為負(fù)時(shí)，D1兩端為負(fù)壓，此時(shí)D1的漏電流通過R1連接到輸出端，這樣使得D1的負(fù)端電壓接近于峰值電壓。這樣的話，D2兩端基本沒有反向電壓，也就沒有反向漏電流，從而使得C2兩端的電壓得以維持住。峰值檢波5峰值檢波6高速情況下，二極管以及電容就無法適應(yīng)了。所以一般會使用DAC+高速比較器+MCU實(shí)現(xiàn)的峰值檢測器。峰值檢波7輸入信號鎖存器DAC輸出1、比較器+DAC的架構(gòu)即是SAR ADC的拓?fù)洹?、為什么要鎖存器？比較器MCU峰值檢波8模擬電路供電1、LDO供電: LDO 是一種線性穩(wěn)壓器，使用

17、在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的晶體管或場效應(yīng)管（FET），從應(yīng)用的輸入電壓中減去超額的電壓，產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸出電壓;(用于低壓差，高精度系統(tǒng))2、開關(guān)電源:控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源;（用于高壓差，低精度）3、開關(guān)電源+LDO供電（用于高壓差、高精度系統(tǒng)）BUCK電路：Pmos=Psw+Pcon+PgatePdiode=PfwPl=Ploss+Pcon Pcap=IRMS2*ESRP=I*(VIN-VOUT)模擬電路供電1、單電源供電2、雙電源供電RMS值計(jì)算在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中，將所有值平方求和，求其均值，再開平方，就得到均方根值，常用均方根值來分析噪聲，也是定義AC波的有

18、效電壓或電流的一種最普遍的數(shù)學(xué)方法。對于交流信號在電阻上產(chǎn)生的功耗，利用RMS值進(jìn)行計(jì)算RMS值計(jì)算三角波的有效值怎么計(jì)算？RMS值計(jì)算設(shè)置紅線為Idc+ I設(shè)置藍(lán)線為Idc頻率特性提取常規(guī)的低壓頻率信號提取，比較器（遲滯比較）如果輸入頻率是高壓呢? 1、分壓2、分壓+電路設(shè)計(jì)電 源 模正常開機(jī)：開關(guān)按住2S，上電保持 正常關(guān)機(jī)：開關(guān)按住1S，數(shù)據(jù)保存后掉電強(qiáng)制關(guān)機(jī)：開關(guān)按住5S，系統(tǒng)強(qiáng)制關(guān)機(jī)R222DNP_0RPW_CONIRF9393PbF1287VBATS1D8VCCS2D73465TPS54334DRCRL14.7UHR356 10KS3 GD6R2470KU182 D5C2ENSW1 VIN9R17810KBOOTU29STM3.3VD167 6R357 0R13RM120LT3GCOMPVSENSE0.1UFSTM_PW103D1 MBRM1PGGNDC8 10UFC5 0.1UF54R1