硬件三人行，ADC信号链第2部《高速模数电路设计》学习笔记.pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书资料大小：10.61M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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第1讲高速模数混合电路应用

第2讲高速信号特征分析以及案例需求分析

2.1 高速信号特征

第3讲信号输入接口电路设计

3.1 信号链

3.2 浪涌标准

第4讲增益控制讲解

4.1 增益控制的目的

4.2 增益控制的实现方式

第5讲滤波电路理论分析

5.1 滤波电路类型：

5.2 滤波电路-MFB

第6讲滤波软件使用讲解

6.1 滤波器设计

6.2 滤波器仿真

第7讲高频信号调理电路案例解析

7.1 高频信号调理

第8讲 ADS1278 ADC芯片解读

第9讲前端模拟电路计算以及原理图设计

9.1 输入电路

9.2 ADC电路

9.3 隔离电路

第10讲数字输入电路计算以及原理图设计

10.1 数字输入

10.2 数字隔离

10.3 DIO同步

第11讲高速数字电路处理器架构简介

11.1 CPU数字架构方案比较

第12讲ZYNQ电路最小系统原理图设计

12.1 FPGA

12.2 ARM

12.3 JTAG

12.4 电源滤波电路

第13讲DDR原理以及原理图分析

13.1 DDR原理

13.2 DDR选型

第14讲高速存储介质介绍以及应用

14.1 存储介质比较

14.2 数据手册查询

第15讲高速通信接口介绍以及应用

15.1 高速通信接口

15.2 CAN和Uart

15.3 推荐资料网站

第16讲模拟电路电源分配网络设计

第17讲高速数字电路电源分配网络设计

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 2 部《高速模数混合电路设计入门视频》学习笔记目录第 1 讲高速模数混合电路应用............................................................................................................. 3 第 2 讲高速信号特征分析以及案例需求分析..................................................................................... 5 2.1 高速信号特征...........................................................................................................................5 第 3 讲信号输入接口电路设计............................................................................................................. 8 3.1 信号链.......................................................................................................................................8 3.2 浪涌标准.................................................................................................................................11 第 4 讲增益控制讲解........................................................................................................................... 13 4.1 增益控制的目的.....................................................................................................................13 4.2 增益控制的实现方式.............................................................................................................14 第 5 讲滤波电路理论分析................................................................................................................... 20 5.1 滤波电路类型：.....................................................................................................................20 5.2 滤波电路-MFB....................................................................................................................... 22 第 6 讲滤波软件使用讲解................................................................................................................... 22 6.1 滤波器设计.............................................................................................................................22 6.2 滤波器仿真.............................................................................................................................25 第 7 讲高频信号调理电路案例解析................................................................................................... 26 7.1 高频信号调理.........................................................................................................................26 第 8 讲 ADS1278 ADC 芯片解读............................................................................................................ 31 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 9 讲前端模拟电路计算以及原理图设计....................................................................................... 36 9.1 输入电路.................................................................................................................................37 9.2 ADC 电路.................................................................................................................................38 9.3 隔离电路.................................................................................................................................39 第 10 讲数字输入电路计算以及原理图设计..................................................................................... 40 10.1 数字输入...............................................................................................................................40 10.2 数字隔离...............................................................................................................................43 10.3 DIO 同步................................................................................................................................44 第 11 讲高速数字电路处理器架构简介............................................................................................. 45 11.1 CPU 数字架构方案比较....................................................................................................... 45 第 12 讲 ZYNQ 电路最小系统原理图设计............................................................................................ 46 12.1 FPGA......................................................................................................................................47 12.2 ARM.......................................................................................................................................47 12.3 JTAG...................................................................................................................................... 48 12.4 电源滤波电路.......................................................................................................................48 第 13 讲 DDR 原理以及原理图分析...................................................................................................... 49 13.1 DDR 原理...............................................................................................................................49 13.2 DDR 选型...............................................................................................................................53 第 14 讲高速存储介质介绍以及应用................................................................................................. 54 14.1 存储介质比较.......................................................................................................................54 14.2 数据手册查询.......................................................................................................................54 第 15 讲高速通信接口介绍以及应用................................................................................................. 60 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 15.1 高速通信接口.......................................................................................................................60 15.2 CAN 和 Uart.......................................................................................................................... 63 15.3 推荐资料网站.......................................................................................................................64 第 16 讲模拟电路电源分配网络设计................................................................................................. 66 第 17 讲高速数字电路电源分配网络设计......................................................................................... 67 1.8V 供电，使能信号为 1V，因此需先保证 1V 正常供电...................................................... 69 1.5V 供电，使能信号为 1.8V，因此需先保证 1.8V 正常供电................................................ 69 第 1 讲高速模数混合电路应用生活中处处可以找到高速模数混合电路的应用，如手机、平板电脑、手环、车载娱乐系统、电视机、以及工控机、工业板卡等。对于不同的平台，虽然表现形式多种多样，但内部设计都是相同的，简单的就是一个高性能的 CPU，复杂的是 CPU+FPGA。再针对不同的应用场景，根据具体需求对于芯片、无源器件、接插件、显示屏等进行选型。 CPU+display+camera+touch+audio+key+DDR+FLASH+power 对于具体应用场景，从框架上对其进行了解。例如对于一个手机来说，包括看得见的如摄像头、指纹识别、麦克风、按键、显示屏、音频输出等；以及看不见的如闪存（DDR 等）、存储器（NANC、EMMC 等）、通信模块（4G/WIFI/BT)、 GPS 等。将框架图绘制如下。公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 3

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 由框架图就能大概知道厂家在宣传时哪些点是需要关注的。此外，对于一个手机来说，并不是不同模组的简单集成，还必须考虑模组集成时存在的各种硬件问题：手机摄像头：需要计算摄像头与 CPU 之间的数据带宽：因为同样像素的摄像头选择不同的 CPU，带来的影响是不一样的。我们需要根据摄像头的像素计算数据带宽，需要判断 CPU 能不能一次性接收计算得到的数据量，需要多大的 DDR 等。触屏：要求响应速度越快越好。对于 MIC 来说，需要考虑如何消除环境噪声。显示屏：需要考虑数据带宽和显示屏分辨率的匹配。 DDR：需要考虑数据带宽和传输速度。 NAND/EMMC：考虑功耗和速率的平衡无限模组：EMC 问题视频中归纳如下：触摸摄像头与 CPU 的数据带宽：在选择数字信号的 SI 问题（PCB） MIC 去噪问题显示屏的数据带宽功放的调理 DDR 数据带宽、数率等无线模组的 EMC 问题 GPS 信号、电源从模块的角度看，每个模块功能实现面对的问题是有相似性的，所以在设计公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 4

公众号：硬件三人行交流讨论加李老师微信：15316026925、15317500706 时，常将一个系统分包开，派给不同人去做。对于新手来说，需要先精通某一个点，对器件选型、结构、干扰、元器件、接插件等进行把控。当对某一块技术非常熟练时，就容易很快吃透其他技术。高速模数混合电路相比低速模数电路，需要考虑的因素更多，特别是 SI （PCB）问题，如果仅从系统框架的角度考虑，两者的设计思路是一样的。甚至有时低速模数电路的设计更复杂，需要考虑更多的逻辑问题。第 2 讲高速信号特征分析以及案例需求分析本节首先通过细分的方式讲一些概念性的问题，后面将通过项目来分析透彻原理图，包括对芯片选型的考虑，以及芯片手册需要关注哪些参数等。 2.1 高速信号特征信号角度从信号角度看，低速信号的频率为几十到几百兆，高速信号频率为几百兆到几个吉。高速信号从频域上看，其高频分量丰富；从时域上看，信号上升、下降时间更小、边沿更加陡峭；高速信号不一定是高频信号，高频信号一定是高速信号阻抗角度从阻抗角度看，阻抗越大，就会导致边沿越不陡峭，与高频信号相悖，所以在高频电路中，阻抗要小，这也就是低频不考虑阻抗的一个原因。同时为保证信号传输，阻抗也不可过小，50Ω为一个折中值。所谓高频信号完整性，很大部分就是匹配的问题。下图是对阻抗问题的解释：图示是一个简单的 RC 滤波电路，C1 是一个 10pF 的电容，在低频里对信号的影响可以忽略不计，但在高频电路是其影响不可忽略。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 首先给信号发生器 XFG1 设置一个较低的频率 0.1MHz，从示波器 XSC1 可以看出信号基本没发生变化。将电阻 R1 从 10Ω改为 10KΩ，如下图所示，波形开始变得陡峭。再将频率改为一个较大的值 100MHz，如下图所示，发现电容 C1 的充放电时间远大于信号上升时间，导致信号失真。因此在高频电路中，阻抗匹配越小越好，然而阻抗匹配也不可太小，太小会造成信号幅值过小，直接短到地了，也会导致输出电流降低，驱动能力下降。 PCB 角度：从 PCB 角度看，走线、板层等之间存在寄生的电感、电容。信号频率过高，这些寄生的电感、电容会对信号产生极大的影响。应考虑走线、板层，参考地要怎么设计，走线要走微带线，等等器件角度公众号：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 从器件角度看，频域-高频分量丰富；时域-上升、下降时间更小，边沿更加陡峭；对于高频电路中使用的阻容感件，就不单单是阻容，更多的是考虑其实际的电路模型，比如电容，在高频电路中就需要考虑其 ESR、ESL 等；例如，在高速电路中，需要考虑电阻存在的一些寄生电感、电容，需要将电阻的等效电路模型代入电路进行分析。下图所示为一个晶振器件的参数手册截图，从图中可以看出，晶振电路中电容 CL 的延时时间，最坏情况为 11ns。如果要求有 100M 晶振输出，其周期为 10ns，然而延时时间就大于 10ns，导致信号延迟，因此晶振输出显然不能够达到 100M。下面根据具体案例来介绍高速电路的应用案例 A：设计一个数据采集卡，需求如下：计算数据带宽：3B*144000*/1000*16≈7MB 以下需求需要考虑高频的影响：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 下面将从传感器设计、信号调理、模数转换、数字处理和显示或传输五个方面进行考虑。下节将具体介绍传感器到信号调理的电路设计。第 3 讲信号输入接口电路设计上节介绍了数采卡案例的需求，下面将具体讲述信号链。 3.1 信号链传感器：需要关注 EMC 防护、阻抗匹配、器件选型等因素。 EMC 防护：需要预防静电对电容等器件造成损害；本案例需求的采样频率并不高，因此不需要做阻抗匹配，但本节还是会讲一下阻抗匹配大致的原理；本节还将介绍 EMC 法、以及器件选型的一些标准。信号调理：需要采集±10V 的信号并转换，因此需要提高动态范围；对于信号存在的噪声，可以选择一些低噪声的运放、低噪声 ADC 进行处理；提高采样精度。模数转换：需要考虑对数据量的采集方式，包括对采样率、分辨率的选择；精度计算；误差等。数字处理：根据 MCU 的性能去考虑接口、数据存储和交互策略等；显示或传输：需要考虑接口、带宽等。公众号：硬件三人行制作版权所有翻版必究 8

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