出版時間:2011-1 出版社:電子工業(yè)出版社 作者:黃智偉 編著
前言
嵌入式系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)?套用一句廣告詞“Analog is everywhere(模擬無處不在)”,模擬電路也是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。模擬電路在嵌入式系統(tǒng)中起著重要的作用,一些難以解決的問題,如ADC產(chǎn)生的混疊現(xiàn)象,采用數(shù)字濾波和軟件處理很難或者不能夠解決,然而采用一個運算放大器、幾個電阻和電容就能夠好的解決該問題。例如在一個12位ADC采樣系統(tǒng)中,如不采用抗混疊濾波器電路,測試采樣1024個代碼,噪聲代碼寬度為44個代碼,LSB為1.22mV,則44個代碼的噪聲為53.68 mV,而增加一個抗混疊濾波器電路后,噪聲代碼寬度僅為1個代碼,噪聲為1.22mV。要設(shè)計一個能夠滿足要求的嵌入式系統(tǒng),不僅僅需要考慮嵌入式處理器的電路設(shè)計和軟件編程,也需要考慮與其相關(guān)的模擬電路的設(shè)計。本書是為從事嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的電子工程技術(shù)人員編寫的一本介紹嵌入式系統(tǒng)中的模擬電路設(shè)計基本知識、設(shè)計要求與方法的參考書。本書沒有大量的理論介紹和公式推導,而是從工程設(shè)計要求出發(fā),通過介紹大量的模擬電路設(shè)計實例,圖文并茂的來說明模擬電路設(shè)計中的一些技巧與方法、以及應(yīng)該注意的問題,具有很好的工程性和實用性。本書也可以作為本科院校和高職高專電子信息工程、通信工程、自動化、電氣、計算機應(yīng)用等專業(yè)學習嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教材,以及作為全國大學生電子設(shè)計競賽的培訓教材。本書共分5章。第1章模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的驅(qū)動電路設(shè)計,介紹了影響ADC精度的一些技術(shù)指標,如何為ADC選擇合適的驅(qū)動緩沖器,放大器電路設(shè)計中應(yīng)注意避免的一些問題,單電源運算放大器電路設(shè)計應(yīng)考慮的問題,基于運算放大器的ADC驅(qū)動電路,基于儀表放大器的ADC驅(qū)動電路,高速差分ADC驅(qū)動器和基于差分放大器的ADC驅(qū)動電路,以及ADC輸入采樣保持電路。第2章數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出電路設(shè)計,介紹了影響DAC精度的一些技術(shù)指標,DAC的輸出電路。第3章抗混疊濾波器電路設(shè)計,介紹了抗混疊濾波器基本特性,OP構(gòu)成的抗混疊濾波器電路,集成的抗混疊濾波器電路。第4章電壓基準電路設(shè)計,介紹了電壓基準的選擇,單片電壓基準電路,輸出電壓可調(diào)的電壓基準電路,擴展輸入電壓的電壓基準電路,擴展輸出電流的電壓基準電路,負電壓基準電路,正負電壓基準電路,調(diào)節(jié)外部基準電壓改變Σ-Δ ADC的增益,通過調(diào)節(jié)電壓基準來增加ADC的精度和分辨率,以及多ADC系統(tǒng)的基準電壓設(shè)計。第5章模數(shù)混合系統(tǒng)的PCB設(shè)計,介紹了模數(shù)混合電路PCB的分區(qū),模數(shù)混合電路的接地和電源去耦合,運算放大器的PCB設(shè)計,12位稱重系統(tǒng)的PCB設(shè)計,24位Δ -Σ ADC 的PCB設(shè)計,模數(shù)混合系統(tǒng)PICtailTM演示板的PCB設(shè)計,多通道同時采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的PCB設(shè)計,以及16位DAC的PCB設(shè)計。
內(nèi)容概要
模擬電路是嵌入式系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。本書著重介紹了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的驅(qū)動電路設(shè)計、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出電路設(shè)計、抗混疊濾波器電路設(shè)計、電壓基準電路設(shè)計,以及模數(shù)混合系統(tǒng)的PCB設(shè)計。本書從工程設(shè)計出發(fā),通過大量的設(shè)計實例說明嵌入式系統(tǒng)中的模擬電路設(shè)計技巧與方法,工程性好,實用性強?! ”緯梢宰鳛殡娮庸こ碳夹g(shù)人員的參考書,也可以作為高等院校電子信息工程、通信工程、自動化、電氣、計算機應(yīng)用等專業(yè)學習嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教材,以及作為全國大學生電子設(shè)計競賽的培訓教材。圖書目錄
書籍目錄
第1章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的驅(qū)動電路設(shè)計 1.1 影響ADC精度的一些技術(shù)指標 1.1.1 ADC的選擇時需要考慮的一些因素 1.1.2 ADC的轉(zhuǎn)換函數(shù) 1.1.3 ADC的偏置誤差 1.1.4 ADC的增益誤差 1.1.5 ADC的微分非線性誤差 1.1.6 ADC的積分非線性誤差 1.1.7 ADC的絕對精度誤差 1.1.8 ADC的孔徑誤差 1.1.9 ADC的量化誤差 1.1.10 ADC的動態(tài)指標 1.1.11 系統(tǒng)精度和分辨率 1.2 為ADC選擇合適的驅(qū)動緩沖器 1.2.1 噪聲對ADC性能的影響 1.2.2 總諧波失真加噪聲(THD+N) 1.2.3 帶寬 1.2.4 壓擺率和建立時間 1.2.5 緩沖器性能與ADC的輸入結(jié)構(gòu) 1.3 放大器電路設(shè)計中應(yīng)注意避免的一些問題 1.3.1 正確的為AC耦合提供DC偏置電流回路 1.3.2 正確的為放大器和ADC提供參考電壓 1.3.3 注意片上輸入保護二極管帶來的問題 1.3.4 運算放大器的接地點選擇 1.3.5 運算放大器的屏蔽 1.4 單電源運算放大器電路設(shè)計應(yīng)考慮的問題 1.4.1 輸入和輸出級 1.4.2 失調(diào)電壓和輸入偏置電流 1.4.3 增益與負載的關(guān)系 1.4.4 擺率、開環(huán)增益與輸出擺幅 1.4.5 噪聲 1.4.6 失真 1.4.7 正確的為單電源運算放大器電路提供退耦 1.4.8 為單電源運算放大器電路提供負電源 1. 5 基于運算放大器的ADC驅(qū)動電路 1.5.1 轉(zhuǎn)換ADC的輸入電壓范圍 1.5.2 雙極性SAR ADC的低失真直流耦合驅(qū)動 1.5.3 16位ADC單端輸入驅(qū)動電路 1.5.4 12位ADC單端輸入驅(qū)動電路 1.5.5 單端輸入差分輸出的ADC驅(qū)動電路 1.5.6 差分輸入差分輸出的ADC驅(qū)動電路 1.5.7 多通道16位逐次逼近型ADC的驅(qū)動電路 1.5.8 增益可編程的ADC驅(qū)動電路 1.6 基于儀表放大器的ADC驅(qū)動電路 1.6.1 儀表放大器電路與ADC的匹配 1.6.2 帶寬為3.4 MHz的高速ADC驅(qū)動電路 1.6.3 16 Bit 3 MSPS PulSAR? ADC驅(qū)動電路 1.6.4 微控制器內(nèi)部ADC的驅(qū)動電路 1.6.5 改進儀表放大器的差分輸出 1.7 高速差分ADC驅(qū)動器 1.7.1 差分信號的特點 1.7.2 全差分電壓反饋ADC驅(qū)動器電路 1.7.3 差分放大器電路的增益 1.7.4 差分輸入的匹配電阻 1.7.5 單端輸入的匹配電阻 1.7.6 輸入耦合 1.7.7 輸出耦合 1.7.8 差分ADC驅(qū)動器的噪聲 1.7.9 電源電壓選擇與處理 1.7.10 注意差分ADC驅(qū)動器數(shù)據(jù)手冊中的一些參數(shù) 1.8 基于差分放大器的ADC驅(qū)動電路 1.8.1 單端到差分的12位40 MSPS ADC驅(qū)動電路 1.8.2 3V單電源單端輸入差分輸出ADC驅(qū)動電路 1.8.3 單端輸入差分輸出的ADC驅(qū)動電路 1.8.4 單端至差分雙通道12位3 MSPS SAR ADC 驅(qū)動電路 1.8.5 單端至差分的軌到軌輸出的ADC驅(qū)動電路 1.8.6 單端輸入差分輸出的14位ADC驅(qū)動電路 1.8.7 單端輸入差分輸出的16 位ADC驅(qū)動電路 1.8.8 單端輸入差分輸出105MSPS ADC驅(qū)動電路 1.8.9 DC耦合單端到差分ADC驅(qū)動電路 1.8.10 單端輸入差分輸出增益可選的差分ADC驅(qū)動電路 1.8.11單端輸入差分輸出交流耦合IF ADC驅(qū)動電路 1.8.12單端輸入差分輸出交流耦合寬帶IF ADC驅(qū)動電路 1.8.13 RF/IF前端差分ADC驅(qū)動電路 1.8.14 雙通道IF采樣接收機的ADC驅(qū)動電路 1.8.15 16Bit 140MHz ADC驅(qū)動電路 1.8.16 差分輸入差分輸出200MHz IF ADC驅(qū)動電路 1.8.17 差分輸入差分輸出75~250MHz IF ADC驅(qū)動電路 1.8.18 用200MHz變壓器來實現(xiàn)單端至差分轉(zhuǎn)換 1.8.19 用800MHz變壓器來實現(xiàn)單端至差分轉(zhuǎn)換 1.8.20 ADC驅(qū)動變壓器二次側(cè)的阻抗匹配 1.8.21 單端輸入差分輸出750MHz ADC驅(qū)動電路 1.8.22 采用集成寬帶有源濾波器的ADC驅(qū)動電路 1.9 ADC輸入采樣/保持電路 1.9.1 影響采樣/保持電路的技術(shù)參數(shù) 1.9.2 采樣時間為700ns的ADC輸入采樣/保持電路 1.9.3 采樣時間為250nsADC輸入采樣/保持電路 1.9.4 隔離的多通道ADC前端電路第2章 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的輸出電路設(shè)計 2.1 影響DAC精度的一些技術(shù)指標 2.1.1 DAC的轉(zhuǎn)換函數(shù) 2.1.2 DAC的偏置誤差 2.1.3 DAC的增益誤差 2.1.4 DAC的微分非線性誤差 2.1.5 DAC的積分非線性誤差 2.1.6 DAC的絕對精度誤差 2.2 DAC的輸出電路 2.2.1轉(zhuǎn)換DAC電流輸出為電壓輸出的電路 2.2.2 DAC的雙極性電壓輸出電路 2.2.3 單極性DAC的輸出電路 2.2.4 電壓輸出DAC的輸出電路 2.2.5 電流輸出DAC的輸出電路 2.2.6 視頻DAC輸出電路 2.2.7 視頻DAC輸出緩沖電路 2.2.8 具有采樣保持電路的4通道DAC輸出電路 2.2.9 具有采樣保持電路的8通道DAC輸出電路 2.2.10 隔離的DAC輸出電路第3章 抗混疊濾波器電路設(shè)計 3.1 抗混疊濾波器 3.1.1 混疊現(xiàn)象產(chǎn)生 3.1.2 低通濾波器的頻域特性 3.1.3 混疊頻率計算 3.1.4 低通濾波器的設(shè)計工具 3.2 OP構(gòu)成的抗混疊濾波器電路 3.2.1 1 Hz 4階低通濾波器電路 3.2.2 5階1kHz低通Bessel 濾波器電路 3.2.3 Butterworth 低通濾波器電路 3.2.4 5階100kHz Chebyschev低通濾波器電路 3.2.5 RTD溫度傳感器的低通濾波電路 3.2.6 多路輸入的低通濾波電路 3.3 集成的抗混疊濾波器電路 3.3.1 四階巴特沃斯濾波器 3.3.2 數(shù)字可編程雙路二階連續(xù)時間方式低通濾波器 3.3.3 5階低通開關(guān)電容濾波器 3.3.4 8階低通開關(guān)電容濾波器 3.3.5 8階低通Elliptic開關(guān)電容濾波器 3.3.6 可配置的濾波器和ADC驅(qū)動電路 3.3.7 UHF RFID 閱讀器的雙基帶ADC濾波電路 3.3.8 雙二階10MHz 低通濾波器第4章 電壓基準電路設(shè)計 4.1電壓基準的選擇 4.1.1選擇電壓基準源的一些考慮 4.1.2 齊納基準源 4.1.3 帶隙基準源 4.1.4 XFET基準源 4.1.5 串聯(lián)型電壓基準 4.1.6 并聯(lián)型電壓基準 4.1.7串聯(lián)型或并聯(lián)型電壓基準的選擇 4.2 單片電壓基準電路 4.2.1 超低噪聲XFET基準電壓源 4.2.2 超低噪聲LDO XFET基準電壓源 4.2.3 2.5V電壓基準 4.2.4 1.25V/2.048V/2.5V/ 3V/3.3V/4.096V/ 5V電壓基準 4.2.5 5V電壓基準 4.2.6 高輸出電流的電壓基準 4.2.7 采用基準電壓源和運算放大器構(gòu)成的電壓基準 4.2.8 24 Bit ADC的基準電壓電路 4.2.9 電壓輸出DAC的電壓基準電路 4.2.10 精密DAC電壓基準 4.2.11 ADC和 DCA電壓基準電路 4.3 輸出電壓可調(diào)的電壓基準電路 4.3.1 可編程輸出電壓的電壓基準電路 4.3.2 可數(shù)字調(diào)節(jié)輸出電壓的電壓基準電路 4.3.3 輸出電壓1.5V~10V可調(diào)的電壓基準電路 4.3.4 可開關(guān)控制的電壓基準電路 4.4 擴展輸入電壓的電壓基準電路 4.4.1 3.6V~40V輸入電壓的電壓基準電路 4.4.2 4V~30V輸入電壓的電壓基準電路 4.4.3 6V~80V輸入電壓的電壓基準電路 4.4.4 6V~160V輸入電壓的電壓基準電路 4.5 擴展輸出電流的電壓基準電路 4.5.1 精密Boost輸出調(diào)節(jié)電路 4.5.2 擴展輸出電流的電壓基準電路 4.5.3 擴展輸出電流到100mA的電壓基準電路 4.5.4 擴展輸出電流到300mA的電壓基準電路 4.5.5 擴展輸出電流到50mA的負電壓基準電路 4.5.6 擴展輸出電流到100mA的負電壓基準電路 4.6 負電壓基準電路 4.6.1單片電壓基準器件構(gòu)成的負電壓基準電路 4.6.2 采用運算放大器的負電壓基準電路 4.6.3 采用開關(guān)電容電壓反相器的負電壓基準電路 4.7 正負電壓基準電路 4.7.1 ±2.5V基準電壓電路 4.7.2 ±5V基準電壓電路 4.8 調(diào)節(jié)外部基準電壓改變Σ-Δ ADC的增益 4.8.1 MAX149x系列Σ-Δ面板表ADC 4.8.2 電壓基準對ADC的影響 4.8.3 利用分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成可調(diào)基準 4.8.4 ADC使用外部基準時的一些考慮 4.9 通過調(diào)節(jié)電壓基準來增加ADC的精度和分辨率 4.9.1 采用多路開關(guān)調(diào)節(jié)電壓基準的測量電路 4.9.2 基準電壓對ADC精度和分辨率的影響 4.10 多ADC系統(tǒng)的基準電壓設(shè)計 4.10.1 多ADC系統(tǒng)的基準電壓 4.10.2 ADC的精度 4.10.3 采用單一外部電壓基準 4.10.4 采用一組外部電壓基準第5章 模數(shù)混合系統(tǒng)的PCB設(shè)計 5.1 模數(shù)混合電路PCB的分區(qū) 5.1.1 PCB按功能分區(qū) 5.1.2 分割的隔離與互連 5.2 模數(shù)混合系統(tǒng)的接地和電源去耦合 5.2.1參考面的作用 5.2.2 模擬地和數(shù)字地分割 5.2.3 按電路功能分割接地平面 5.2.4 采用 "統(tǒng)一地平面"形式 5.2.5 數(shù)字和模擬電源平面的分割 5.2.6 ADC接地對系統(tǒng)性能的影響 5.2.7 模數(shù)混合系統(tǒng)的電源和接地布局考慮 5.2.8去耦電容的安裝位置 5.2.9 最小化去耦電容器和IC之間的電流環(huán)路 5.2.10 去耦電容器與電源引腳端共用一個焊盤 5.2.11 采用一個小面積的電源平面來代替電源線條 5.2.12 在每一個電源引腳端都連接去耦電容器 5.2.13 并聯(lián)使用多個去耦電容器 5.2.14 降低去耦電容器的ESL 5.2.15 電源線和地線要布在一起 5.3運算放大器的PCB設(shè)計 5.3.1 放大器輸入端保護環(huán)設(shè)計 5.3.2 單端輸入差分輸出放大器PCB的對稱設(shè)計 5.3.3 高速差分ADC驅(qū)動器的PCB設(shè)計 5.3.4 差分ADC驅(qū)動器裸露焊盤的PCB設(shè)計 5.3.5低失真高速差分ADC驅(qū)動電路的PCB設(shè)計 5.4 12位稱重系統(tǒng)的PCB設(shè)計 5.4.1 12位稱重系統(tǒng)電路 5.4.2 沒有采用接地平面的PCB設(shè)計 5.4.3 采用接地平面的PCB設(shè)計 5.4.4 增加抗混疊濾波器 5.5 24位Δ -Σ ADC 的PCB設(shè)計 5.5.1 如何得到23bit rms有效分辨率 5.5.2 電源層和接地層的布局 5.5.3 選擇一個合適的外部時鐘源 5.5.4 推薦使用一個外部基準電壓源 5.5.5 縮短輸入引腳的連線并濾波 5.6 模數(shù)混合系統(tǒng)PICtailTM演示板的PCB設(shè)計 5.7多通道同時采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的PCB設(shè)計 5.7.1 多通道同時采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 5.7.2 DAS的主要噪聲和干擾源 5.7.3 輸入緩沖放大器的選擇 5.7.4 對輸入濾波電路的要求 5.7.5 ADC基準電壓選擇 5.7.6 采用低通濾波器抑制噪聲 5.7.7 DAS的PCB設(shè)計 5.8 16位DAC的PCB設(shè)計 5.8.1 16位DAC電路 5.8.2 有問題的PCB設(shè)計 5.8.3 改進的PCB設(shè)計 參考文獻
章節(jié)摘錄
插圖:1)分辨率分辨率是指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量,定義為滿刻度與2“的比值。分辨率又稱為精度,通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示。2)轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的A/D轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型ADC的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級,屬于低速ADC;逐次比較型ADC是微秒級,屬于中速ADC;全并行/串并行型ADC可達到納秒級。采樣時間則是另外一個概念,是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成,采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。轉(zhuǎn)換速率常用單位是ksps和Msps,表示每秒采樣千/百萬次(kil0/Million Samplespex Second)。3)量化誤差量化誤差是指由A/D的有限分辨率而引起的誤差,即有限分辨率A/D的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率A/D(理想A/D)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量,表示為1I.SB、1/2LSB.4)偏移誤差偏移誤差是指輸入信號為零時輸出信號不為零的值,可外接電位器調(diào)至最小。5)滿刻度誤差滿刻度誤差是指滿刻度輸出時對應(yīng)的輸人信號與理想輸入信號值之差。6)線性度線性度是指實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移,不包括以上三種誤差。
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