第二章 模擬電路子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

第二章模擬電路子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1模擬電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)2.2模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介2.3模擬電路設(shè)計(jì)的一般原則和步驟2.4常用單元電路2.5模擬電路設(shè)計(jì)舉例1精選ppt模擬系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)是將各類(lèi)待處理物理量通過(guò)各種傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使電信號(hào)的電壓、電流、相位、頻率等參數(shù)與某物理量具有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

此對(duì)應(yīng)關(guān)系是對(duì)原始物理量的模擬。如：測(cè)量溫度的儀表將溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后經(jīng)處理再轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)，通過(guò)指針表示溫度值。 優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)處理過(guò)程中，電信號(hào)的相關(guān)參數(shù)始終與原始物理量有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即模擬關(guān)系。

2精選ppt數(shù)字系統(tǒng)

數(shù)字系統(tǒng)是將被處理的物理量首先轉(zhuǎn)換成模擬的電信號(hào)，在對(duì)電信號(hào)處理之前先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

狀態(tài)只有“0”和“1”。數(shù)字信號(hào)可以根據(jù)需要再經(jīng)D/A變換成模擬電信號(hào)，再由電信號(hào)轉(zhuǎn)換成物理量。

數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾強(qiáng)、便于處理、可采用高度集成的數(shù)字器件，便于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)等。但不論模擬系統(tǒng)還是數(shù)字系統(tǒng)都要用模擬電子電路。3精選ppt模擬電路設(shè)計(jì)方法

模擬電路設(shè)計(jì)方法：

(1)人工設(shè)計(jì)：電路結(jié)構(gòu)的確定、元器件參數(shù)的選取、電路的各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算等各個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)均由設(shè)計(jì)人員完成。

(2)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）：電路的各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成。4精選ppt2.1模擬電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn) （1）器件模型的精度有限。（2）計(jì)算方法簡(jiǎn)化。（3）模擬電路的種類(lèi)較多。（4）電路的技術(shù)指標(biāo)眾多。（5）模擬器件種類(lèi)繁多。（6）分布參數(shù)和干擾對(duì)模擬電路的影響較大。（7）要求設(shè)計(jì)者具有較高的綜合素質(zhì)。5精選ppt模擬電路設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)（1）注意技術(shù)指標(biāo)的精度及穩(wěn)定性，考慮元器件的溫度特性，電源電壓波動(dòng)，負(fù)載變化及干擾因素的影響。（2）重視級(jí)間阻抗匹配問(wèn)題。（反射）（3）元器件的選擇應(yīng)注意參數(shù)的分散性及溫度的影響。（發(fā)散與收斂、溫漂）（4）調(diào)試中應(yīng)遵循先單元后系統(tǒng)，先靜態(tài)后動(dòng)態(tài)，先粗調(diào)后細(xì)調(diào)。（調(diào)零、溫度補(bǔ)償?shù)龋?精選ppt2.2模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介將需要處理的物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以電信號(hào)的電壓、電流、頻率、相位等參數(shù)模擬被處理的物理量，用電子技術(shù)對(duì)電信號(hào)的處理，達(dá)到對(duì)物理量的處理，這種處理方式叫模擬方式。 以模擬處理方式為主，應(yīng)用電子技術(shù)完成信號(hào)處理的系統(tǒng)稱(chēng)為模擬電子系統(tǒng)。定義：7精選ppt模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段

1.系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

任務(wù)：將系統(tǒng)的總要求分解為不同的子功能，再根據(jù)不同的子功能確定出可完成各個(gè)子功能的模塊（即單元電路），并為各個(gè)模塊確定具體的技術(shù)指標(biāo)。

設(shè)計(jì)步驟：1）系統(tǒng)指標(biāo)可行性分析：包括指標(biāo)合理性、難易程度、先進(jìn)性、主客觀條件、元器件的貨源情況、可否按時(shí)完成、成本和市場(chǎng)前景。

2）信號(hào)處理的流程分析。

3）擬定信號(hào)處理流程中所設(shè)定的處理環(huán)節(jié)和處理要求，設(shè)置可完成各種相對(duì)獨(dú)立的功能模塊，用框圖完成8精選ppt模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段（續(xù)）

4）擬訂框圖中模塊的指標(biāo)。

5）確定單元電路的技術(shù)指標(biāo)。

6）系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。2.電路級(jí)設(shè)計(jì)

任務(wù)：根據(jù)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)所制定的各個(gè)子模塊的指標(biāo)，選定合理的電路結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)和器件，使之達(dá)到指標(biāo)的要求，實(shí)現(xiàn)各個(gè)子模塊的功能。9精選ppt舉例：交流電壓表的設(shè)計(jì)具體指標(biāo)： （1）電壓測(cè)量范圍：50uV-30V

（2）電壓量程：1mV，3mV，10mV，100mV，1V，3V，30V，300V。（3）被測(cè)信號(hào)頻率范圍：2Hz-500Hz。（4）頻率響應(yīng)：以1KHz的不均勻性為基準(zhǔn)，分別為2Hz-200KHz＜±3%；2Hz-500KHz＜±5%。（5）輸入阻抗：在1KHz下，輸入阻抗不低于2M，輸入電容小于60PF。 （6）測(cè)量誤差：＜±2.5%。（7）用磁電式表頭指示測(cè)量結(jié)果。10精選ppt系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）可行性分析該儀表被測(cè)量電壓范圍、輸入阻抗和誤差要求均屬于常規(guī)性指標(biāo)，易達(dá)到。電壓表應(yīng)用放大和整流技術(shù)，所用器件可選范圍很寬，因此設(shè)計(jì)可行。

2）信號(hào)處理流程分析

衰減（使輸入較大電壓值的被測(cè)信號(hào)具有合適幅度）→放大（使被測(cè)信號(hào)的幅度滿足后續(xù)整流電路的要求）→整流（將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)支流以驅(qū)動(dòng)表頭）→由表頭指示測(cè)量結(jié)果11精選ppt系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）

電壓表須有衰減、放大、整流和表頭驅(qū)動(dòng)電路3）擬定框圖12精選ppt系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）T1衰減器用于調(diào)節(jié)輸入檔，T2公共衰減器衰減

T1

阻抗

變換

整流

放大

A2

阻抗

變換

衰減

T2

放大

A1

量程和開(kāi)關(guān)

電

源

被測(cè)信號(hào)

表

頭

13精選ppt系統(tǒng)設(shè)計(jì)（續(xù)）（4）擬訂模塊指標(biāo)需要反復(fù)比較核算，合理分配衰減值、放大倍數(shù)和頻率特性指標(biāo)，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)提出阻抗匹配要求，考慮整流線性度的保證措施，系統(tǒng)誤差的分配等。14精選ppt2.3模擬電路設(shè)計(jì)的原則和步驟1.分析技術(shù)指標(biāo)的可行性2.確定指標(biāo)中的關(guān)鍵指標(biāo)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)3.分析各個(gè)指標(biāo)間的相互關(guān)系4.選擇合適的器件5.在設(shè)計(jì)時(shí)留有適當(dāng)?shù)挠嗔浚ń殿~設(shè)計(jì)）6.反復(fù)湊試、反復(fù)核算、反復(fù)修改（仿真驗(yàn)證）7.反復(fù)實(shí)驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整15精選ppt2.4常用單元電路

單元電路是組成模擬電子系統(tǒng)的“細(xì)胞”

常用的單元電路包括:

（1）集成運(yùn)算放大器 （2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （3）數(shù)模轉(zhuǎn)換器16精選ppt2.4.1運(yùn)算放大器及其應(yīng)用

運(yùn)算放大器是一種能模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算的放大器。要準(zhǔn)確模擬數(shù)學(xué)運(yùn)算，需具備“理想”特性。

理想放大器具有以下特性：

（1）輸入端“零子”，輸出端“任意子” （2）只放大差模信號(hào)，無(wú)限大的共模抑制（CMRR） （3）沒(méi)有溫漂、時(shí)漂，能處理任何微弱信號(hào) 按電路形式分反相，同相和差動(dòng)放大電路。按數(shù)學(xué)運(yùn)算分加法/減法器，微分器和積分器。按輸入信號(hào)的性質(zhì)可分為直流放大器和交流放大器。17精選ppt運(yùn)算放大器3種放大器原理圖和參數(shù)關(guān)系18精選ppt集成運(yùn)放的性能參數(shù)增益帶寬積：CBW=為中頻開(kāi)環(huán)差模增益；

為上限截止頻率。

CBW對(duì)于單點(diǎn)放大電路是一個(gè)常數(shù)

擺率

=

若輸入正弦電壓=sint,則

===2若將Ua741接成電壓跟隨電路，并輸入=2V，f=100kHz的正弦信號(hào)，則輸出有明顯失真，為使輸出不失真，則最大輸入信號(hào)應(yīng)小于0.8V。

·uA741增益帶寬特性曲線輸出波形失真圖19精選ppt集成運(yùn)放的性能參數(shù)

共模抑制比CMRR：表示了集成運(yùn)放對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。CMRR=20㏒（dB)

一般針對(duì)微弱信號(hào)，如儀表放大器

最大差模輸入電壓和最大共模輸入電壓

在實(shí)際應(yīng)用中，最大差模輸入電壓受輸入級(jí)的發(fā)射結(jié)反向擊穿電壓限制，在任何情況下不能超過(guò)此值，否則會(huì)燒壞器件。最大共模電壓超過(guò)時(shí)，放大器不能正常工作。 簡(jiǎn)單的說(shuō)最大共模電壓即為運(yùn)放正端或負(fù)端的最大輸入電壓。20精選ppt常用運(yùn)算放大器

（1）通用型運(yùn)放

注意民用品、工業(yè)品、軍用品的命名。（2）高輸入阻抗運(yùn)放

大于1012Ω，工作速度較高

（3）低失調(diào)低漂移運(yùn)放

輸入失調(diào)電壓及其溫漂、輸入失調(diào)電流小，又稱(chēng)高精度運(yùn)放。 （4）斬波穩(wěn)零集成運(yùn)放21精選ppt注意事項(xiàng)（1）無(wú)特殊要求，應(yīng)盡量選用通用型運(yùn)放。（2）充分了解運(yùn)放性能指標(biāo)。（3）弱信號(hào)放大時(shí)，需要選用失調(diào)、噪聲系數(shù)小的（4）做直流放大時(shí)，要調(diào)零。

在規(guī)定消振引腳加電容消振，為消除電源內(nèi)阻引起的寄生振蕩，在電源端對(duì)地就近接去耦電容，考慮去耦電容的電感效應(yīng)，在兩端常接瓷片電容。22精選ppt調(diào)零電路運(yùn)放的調(diào)零電路23精選ppt運(yùn)放應(yīng)用電壓并聯(lián)負(fù)反饋24精選ppt運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）25精選ppt運(yùn)放應(yīng)用（續(xù)）電壓串聯(lián)負(fù)反饋26精選ppt通用運(yùn)算放大器

通用的集成運(yùn)放是那些兼顧各方面性能的放大器，在音頻處理領(lǐng)域使用較為廣泛。增益帶寬積<1MHz、輸入失調(diào)電壓在幾個(gè)mV、輸入失調(diào)電流在幾百nA左右、電壓擺率<10V/us的放大器都可歸為通用放大器。對(duì)所處理的信號(hào)沒(méi)有很高的要求時(shí)，只要通用運(yùn)放符合設(shè)計(jì)要求，就不應(yīng)該采用更高速或更精密的放大器，因?yàn)槟撤矫嫘阅艿奶岣弑厝粚?dǎo)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。27精選ppt寬帶運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)寬帶放大電路，要求帶寬>40MHz、輸出電壓范圍Vp-p>6V、輸出負(fù)載為600Ω、電壓增益為2。一般在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇電壓擺率是計(jì)算平均值的兩倍以上，才不會(huì)有明顯的失真，因此在本設(shè)計(jì)中選用AD811(電壓擺率為2500V/us、增益帶寬積130Mhz)，設(shè)計(jì)電路如圖所示。28精選ppt儀表放大器29精選ppt濾波電路30精選ppt2.4.2D/A轉(zhuǎn)換器31精選ppt基本原理電阻分壓器和跟隨器：

UO=A·Ui（0≤A≤1）DAC和運(yùn)算放大器：

UO=-Dn·Ui（0≤Dn≤1）32精選ppt基本原理（續(xù)）33精選pptD/A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DAC結(jié)構(gòu)框圖將n為二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出框圖如下：

N位二進(jìn)制數(shù)

數(shù)碼寄存器

N位模擬開(kāi)關(guān)

求和放大器

模擬電壓輸出

電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)

基準(zhǔn)

電壓源

34精選pptD/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)靜態(tài)參數(shù)35精選ppt其它參數(shù)

精度：不考慮其他D/A轉(zhuǎn)換誤差時(shí)，分辨率即為轉(zhuǎn)換精度 劃分為：絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。

失調(diào)誤差：數(shù)字輸入全為0碼時(shí)，模擬輸出值與理論輸出值之偏差

增益誤差：實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理論增益之間的偏差值。

溫度系數(shù)：在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1度，增益、零點(diǎn)、精度等參數(shù)的變化量。

饋送誤差：雜散信號(hào)通過(guò)D/A耦合到輸出端造成的誤差。

線性誤差：模擬輸出偏離理想輸出的最大值。

36精選pptD/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差和增益誤差校正電路37精選ppt動(dòng)態(tài)參數(shù)建立時(shí)間：描述D/A轉(zhuǎn)換速率快慢的一個(gè)重要參數(shù)。 輸入數(shù)字量變化，到輸出穩(wěn)定的時(shí)間ts

滿量程變化時(shí)的建立時(shí)間D/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間38精選ppt動(dòng)態(tài)參數(shù)（續(xù)）尖峰：輸入數(shù)碼發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)誤差。消除尖峰電路工作原理39精選ppt舉例：40精選ppt內(nèi)部結(jié)構(gòu)41精選ppt轉(zhuǎn)換時(shí)序42精選ppt應(yīng)用43精選ppt接口設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇原則：考慮芯片的性能、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特性。在性能上必須滿足D/A轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求；在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特性上應(yīng)滿足接口方便、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等要求。

44精選ppt接口技術(shù)

1）D/A轉(zhuǎn)換芯片的性能指標(biāo)

靜態(tài)指標(biāo)； 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：建立時(shí)間、尖峰等 環(huán)境指標(biāo)：增益溫度參數(shù)

2）D/A轉(zhuǎn)換芯片的結(jié)構(gòu)特性（原理）

數(shù)字輸入：包括接受數(shù)碼制，數(shù)據(jù)格式以及邏輯電平等 數(shù)字輸出：例，電流輸出型、電壓輸出型等等 鎖存特性及轉(zhuǎn)換控制 參考源:參考源配制，輸入數(shù)字碼與模擬輸出電壓的極性45精選ppt參考源電路轉(zhuǎn)換接口中常用的幾種參考電源電路46精選ppt輸出設(shè)計(jì)目前大多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量均為電流量，需通過(guò)放大器才能轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。

=-A（0≤A＜1）47精選ppt常用D/A轉(zhuǎn)換芯片48精選ppt常用D/A轉(zhuǎn)換芯片49精選ppt常用D/A轉(zhuǎn)換芯片50精選ppt常用D/A轉(zhuǎn)換芯片51精選pptD/A轉(zhuǎn)換常用電路數(shù)控波形發(fā)生器（圖為兩路異步D/A轉(zhuǎn)換器上極性電壓發(fā)生器）52精選ppt典型輸出53精選pptD/A轉(zhuǎn)換常用電路（1）單路鋸齒波電壓輸出54精選pptD/A轉(zhuǎn)換常用電路反向鋸齒波程序清單：

MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,ADJNZR6,DA2AJMPDA1

55精選pptD/A轉(zhuǎn)換常用電路正向鋸齒波程序清單：

MOVDPRT，#0DFFFHDA1：MOVR6，#80HDA2：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6CJNER6，#0FFH，DA2AJMPDA1

56精選pptD/A轉(zhuǎn)換常用電路雙向鋸齒波程序清單：MOVDPRT，#0DFFFH

MOVR6，#00H

DA1：MOVA，R6MOVX@DPTR,AINCR6AJMPDA157精選pptD/A轉(zhuǎn)換常用電路（2）單路正弦波電壓輸出

MOVR5，#00HSIN：MOVA，R5MOVDPTR