硬件三人行，ADC信号链第1部《低速模数电路设计》学习笔记.pdf-资料库

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公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 ADC 信号链第 1 部，《低速模数混合电路设计实战入门视频》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、拓展及其仿真............................................ 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：元器件信号资源的查找选择...................................................................... 14 第 9 讲：运放的择优选型.......................................................................................... 15 第 10 讲：关于芯片数据手册的介绍........................................................................ 16 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 的选型与误差参数............................................................................. 22 第 14 讲：ADC 芯片的择优选型................................................................................. 24 第 15 讲：关于 ADC 芯片手册的介绍........................................................................ 25 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：信号链及其仿真图简介以及.................................................................... 33 公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 1

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 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，则光线不会被反射，接收灯自然接收不到光线。这时输出一个“0”。通过这种“0、1”的输出我们可以判断光电对管是压在黑线上还是白线上。 “小米”手环的传感器其实也是类似的原来，人体心脏在动作的时候，伴随着血管的收缩和舒张。根据检测这种血管的收缩和舒张来得到高高低低的模拟信号，模拟信号通过后续的调理变为数字信号后传入 MCU 进行处理，从而可以来反映心跳。智能家居是近几年来比较火热的一个研究方向。在智能家居控制的电路设计中，如家中灯泡的开关、智能温度控制系统等。其控制电路的设计也都涉及到了低速模数混合电路。信号采集及处理的一般过程：公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 2

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 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。以上就是一个信号采集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压力、扭矩、位移、加速度和温度的系统中。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压力时，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 公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究电桥平衡点（UDB=0）：R1*R4=R2*R3 3

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 第 2 讲：关于惠斯通电桥的详细讲解、拓展及其仿真本次课介绍几种典型的电桥： ①四分之一桥如左图，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+ΔR1 得到如下公式：那么我们继续思考，如果在 R1=R2，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ΔR1 远远小于 R1，那么上式的分母中 2ΔR1 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： ②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ΔR2 带入到原始式子中即可得到：公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 5

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 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”时有ΔR1=-ΔR2，而在“对臂”时，ΔR1=ΔR2。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。 ③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ΔR 远小于 R，则可以得到：若ΔR1=-ΔR2=ΔR4=-ΔR3，则可得到化简公式：灵敏度电桥灵敏度定义：单位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：公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 6

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 （1）电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 电路仿真利用 Multisim 可对电桥电路进行仿真。如上图对四分之一桥进行仿真，其中取ΔR1=1Ω，根据四份之一输出电压计算公式：ΔU=5V*1Ω/4*1000Ω=1.25mV。但是，仿真结果显示ΔU=1.251mV。这是因为我们在进行公示化简时，令ΔR 远小于 R 造成的。Multisim 仿真软件是电路设计中非常常用的软件，各位可以利用 Multisim 进行电路仿真以更直观的观察到自己设计的电路产生的现象。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，造成测量的不准确。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。公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 7

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 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？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： ① ③ ② 5 ④ V 如上图框①，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③的输入电压。框③是一个反相比例运放放大电路，其输出为 -2.5V。那么框①和框③的输出之间的压差就为 2.5-（-2.5）=5V。框②和框④ 是电压跟随器。至此，我们得到了 5V 的电压。对于框③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，因为我们公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 8

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