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1、Huazhong Univ. of Sci. and Tech.Wuhan Polytechnic University单片机原理与应用*第5部分 单片机和嵌入式系统编程 3l 学习内容和目标 数字采集中应该建立的思想和需要注意的一些问题 ADC和DAC 高速数字信号处理 MCU和ADC的连接l 注意： 思维一定要开阔一些，多问为什么。 允许不用举手，并随时打断，向我提任何和课程相关的问 题。*2本节学习目标1.1 精度和分辨率 l很多人对于精度和分辨率的概念不清楚。 l精度( Accuracy )观测结果、计算值或估计值与真值（或被认为是真值 ）之间的接近程度。 l简单做个比喻：有这么一把常
2、见的塑料尺，它的量程是10厘米，上面 有100个刻度，最小能读出1毫米的有效值。那么我们就说这把尺子的 分辨率是1毫米，或者量程的1%。而它的实际精度就不得而知了。当 用火来烤一下它，并且把它拉长一段，然后再考察一下它。不难发现 ，它还有有100个刻度，它的“分辨率”还是1毫米，跟原来一样！然而 ，您还会认为它的精度还是原来的0.1毫米么？ l简单点说，“精度”是用来描述物理量的准确程度的，而“分辨率”是用 来描述刻度划分的。l选择ADC或者DAC时必须首先确定量程，然后确定测量精度，然后 选择位数。位数的确定就确定了分辨率。*31 数字采集引论l一般在仪器中给出的“相对误差”往往实际是“引用
3、误差极限”l线性度：虽然在传感器等地方用的较多，但是由于ADC和DAC采用 的模拟器件，所以在高精度宽范围中测量时，往往会讨论这个指标。l过采样：使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。 改变噪声的分布，减少噪声在有用信号的带宽内，然后在通过低通滤 波器滤除掉噪声，达到较好的信噪比，一般用在sigma-delta DAC 或 者ADC里面。l一般来说，过采样会牺牲速率。事实上，数字信号采集往往就是以时 间换取精度的。*41.2 相对误差和过采样lLSB、MSB：最低有效位，最高有效位。若MSB=1，则表示数据为负 值，若MSB=0，则表示数据为正。在ADC和DAC中，常用这个单位
4、表示某些误差影响。l举例：对于12位转换器来说，LSB的值相当于模拟信号满量程输入范 围除以212 或 4,096的商。如果用真实的数字来表示的话，对于满量 程输入范围为4.096V的情况，一个12位转换器对应的LSB大小为1mV 。如果说某种误差是3LSB，那么这个情况下等同于3mV。l请注意：LSB务必与、输入范围、分辨率联合使用。l事实上，虽然量化误差由分辨率决定，但是由于ADC的特性，往往达 不到量化误差的指标，而是略差。这些受到其他误差影响的因素，往 往使用LSB为单位。*51.3 LSB和MSBl指用信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。 l由于电路不可避免的振荡，谐
5、波与实际输入信号叠加。在输出端输出 的信号就包括了谐波成分的信号，这些多余出来的谐波成分与实际输 入信号的对比，用百分比来表示就称为总谐波失真。 l这个数值越小，表明产品的品质越高。*61.4总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD )lADC和DAC的种类众多：逐次逼近型、积分型ADC、并行比较A/D转 换器、压频变换型ADC、-型ADC、流水线型ADC。请务必自己查 阅资料，了解几种类型之间的区别。 l事实上，除了前面提到的诸如精度、分辨率、噪声等， ADC和DAC 在应用中还需要注意很多的内容。当然最终的目的是为了满足精度、 噪声和可靠性的要求。 电源：目前
6、常采用电源芯片为ADC提供电源，但是你是否考虑过，电 源上的噪声对信号的影响？ 基准：我们常采用稳压基准电源为ADC提供基准，你是否考虑过基准 的驱动能力、噪声、可靠性？ 输入信号：如果输入信号的范围与ADC不匹配（超过或较小），你是 否考虑过带来的精度问题？是否考虑过大信号带来的影响？ 前端滤波：虽说在ADC之前添加一个LPF，但是是否考虑过为什么添 加、如何添加？ 当然，如何选择ADC，如何考虑电路的设计要点都是必须面对的问题 ADC或DAC都是面对信号处理的，那么信号处理中需要注意什么问 题？*71.5 后继需要考虑的问题l历史： l分解信号的方法是无穷的，但分解信号的目的是为了更加简单
7、地处理 原来的信号。用正余弦来表示原信号会更加简单，因为正余弦拥有原 信号所不具有的性质：正弦曲线保真度。一个正弦曲线信号输入后， 输出的仍是正弦曲线，只有幅度和相位可能发生变化，但是频率和波 的形状仍是一样的。且只有正弦曲线才拥有这样的性质，正因如此我 们才不用方波或三角波来表示。 l我们使用示波器观察信号波形，是否想过这种评判方法合适？l请看以下的实例：*82 信号处理中的傅里叶变换(引论)l实例： 在前端信号输出正弦波，然后经过功放，再经过隔离变压器。其中左 图为所谓的正弦波信号，右图为隔离变压器输出。 从理论上讲，隔离变压器输出应该依旧是正弦波，但为什么不对呢？通过matlab仿真分析
8、，若前端正弦波存在饱和失真，输出则会如右图 所示。 显然，通过这种观察波形的方式，在有些时候并不能满足要求。*92 信号处理中的傅里叶变换(引论) (续1)l当我们使用ADC采集信号后，是否考虑过：采集过程带来的噪声影响 ？或者考虑过以下的情况：调理电路输出是满足要求的，但是ADC电 路有可能引入噪声，从而使得最终的采样带来问题。 l调理电路的输出可以使用频谱分析仪来观察噪声状态，数字信号采集 后的结果怎么判断。*102 信号处理中的傅里叶变换(引论) (续2)3.1 引言 l在大多数电子系统中，降噪是一个重要设计问题。与功耗限制、环境 温度变化、尺寸限制以及速度和精度要求一样，必须处理好无所
9、不在 的噪声因素，才能使最终设计获得成功。 l相比“外部噪声”，防止“内部噪声”（电路或系统内部产生或耦合的噪 声）扰乱信号则是设计工程师的直接责任。如果不在早期设计过程中 予以充分考虑，噪声源可能会对最终性能产生不利影响，阻碍系统高 分辨率优势的实现；其后果至少是需要重新设计和返工，耗费大量资 金。 l我们将讨论系统“接地”的原理图、拓扑结构和最终布局在降低内部噪 声耦合方面的重要作用。 l为了充分考虑噪声问题，我们需要从多个方面入手：器件的实际内部 引脚连接与概念连接；推荐的对地参考信号原理图；以及布局对噪声 产生和拾取的影响。 l根据噪声现象的带宽不同，这些主题可以在两种有重叠的频域下加
10、以 考虑；低频时的地噪声源、问题和解决方案与高频时不同。不过幸运 的是，良好的接地做法一般适用于所用频带。*113 低频和高频电路接地l降低负电源轨与接地总线之间的干扰。 l负载电流中的高频成分被限制在一个不含接地路径的路径中。在图4 所示的更复杂例子中，放大器驱动的是流向虚地（第二放大器的输 入端）的负载，实际负载电流不返回接地。相反，实际负载必须由 第二放大器通过其正电源供电。将第一放大器的负电源去耦至第二 放大器的正电源，将会闭合高速信号电流环路，而不影响接地路径 或信号路径。*123.2 基本运算放大器互连l在真实系统中，问题更加复杂。输入信号源（图 1 中显示为浮点） 也可能产生必须
11、回到电源的电流。当电源回路位于 B 点时，Ri 之外 的其它负载中流动的任何电流都可能干扰此放大器的运行。当放大 器级联时，图 2 显示了仍能驱动辅助负载而无需公共阻抗反馈耦合 的方法。输出电流流经辅助负载，并通过电源公共地流回电源。旁 路连接如前图所示，以便电源经由放大器提供输入和反馈电阻中的 电流。流入信号公共地的只有放大器输入电流，其影响一般非常小 ，可以忽略不计。 l优化电路的关键是在接地等信号路径旁路这些电流。两点之间的电 压（更准确地说是电位差）定义电流流向。*133.2基本运算放大器互连(续1)l一般提倡电源和信号电流最好通过“接地层”返回，而且该层还可为 转换器、基准电压源和其
12、它子电路提供参考节点。但是，即便广泛 使用接地层也不能保证交流电路具有高质量接地参考。 l简单电路采用两层印刷电路板制造，顶层上有一个交直流电流源， 其一端连到过孔 1，另一端通过一条 U 形铜走线连到过孔 2。两个过 孔均穿过电路板并连到接地层。理想情况下，阻抗为 0，电流源上的 电压为 0 V。*143.3 针对高频工作的接地l选取电阻最小的路径从过孔 1 流到过孔 2。虽然会发生一些电流扩散 ，但基本上不会有电流实质性偏离这条路径。相比之下，交流电流 则不是选取电阻最小的路径，而是选取阻抗最小的路径，后者又取 决于电感。 l电感与电流环路的面积成比例，二者之间的关系可以用右手法则和 磁场
13、来说明。环路之内，沿着环路所有部分流动的电流所产生的磁 场相互增强。环路之外，不同部分所产生的磁场相互削弱。因此， 磁场原则上被限制在环路以内。环路越大则电感越大，这意味着： 对于给定的电流水平，它储存的磁能 (Li2) 更多，阻抗更高（因为 XL = jwL），因而将在给定频率产生更大电压。 l接地层中不含有电阻和含有电阻的示意图*153.3 针对高频工作的接地(续1)l例如路径 A 被认定是关键路径，应当保持最短，远离数字线路，并 且不得有过孔。路径 B不那么重要，但需要穿过路径 A。通常是切 开路径 A 下面的接地层，然后经过两个过孔并在路径 A 下方布设路 径 B。但结果令人遗憾，两个
14、信号的接地回路中均引入了电感，因 为中断的接地层使两条环路的面积均变得更大。路径 A 传导高频信 号，因此接地层的开口上将出现感应压降。对于典型的 ECL或TTL 信号，此压降可能大于数百毫伏，足以严重影响 12 位、10MHz 转换 器或 8 位、20-MHz 转换器的性能。*163.3 针对高频工作的接地(续2)l简单的补救方法是在接 地层的切口上添加一根 导线，使环路面积保持 较小。l该路径由数字信号和模拟信号共享，位于转换器和模拟系统的公用 连接之间。假设最低有效位LSB相当于2.5mV，并且约为100mA的变 化数字开关电流流过一个0.1 OHM电阻的引脚，如果所产生的不确定 性为4
15、-LSB(不包括尖峰和毛刺)，则意味着:由于存在布线限制，10位 分辨率转换器将是最佳选择，使用12位转换器将是不太明智的浪费 之举。 l共用路径产生干扰和误差*173.4 接地示例l理论上，模拟子系统可以在本地互连，然后单线连接到数字公共地 。该信号连接仅携带转换器数字接口所需的数字电流。此外，并不 强制模拟信号共用一条导线，即使带有这些电流。模拟子系统应采 用具有本地公共返回路径的电源供电，该路径可以连接到数字公共 地，但不共享任何携带电流的导线。理想情况下，除了转换器内部 的电流外，不应有“外来电流”在模拟系统与数字系统之间流动。如 果这两个系统仅在转换器上交会，则外来电流将共用最短路径
16、，其 影响也将极小。 l这种连接使模拟与数字之间的公共阴抗最小 (包括转换器数字电流)*183.4 接地示例(续1)l在实际系统中，多条外来电流路径常常是难以避免的。例如，在包 含多个数模和模数转换器的系统中，每个转换器都是数字电流的一 条路径，而且它还必须接人模拟信号公共地。这种系统的接地问题 常常可以这样解决:让一个模拟公共地仅处理模拟信号返回路径，对 所有数字或高电平信号则使用单独的返回系统。有时候可能还会使 用一个第三模拟电源公共地系统，以发挥最大优势。模拟公共地必 须单点接数字公共地，应对模块化系统添加保护二极管。 l模拟公共地和数字公共地必须在转换器或模拟系统交会。如呆此连 接损坏，二极管可提供故保护。*193.4 接地示例(续2)l当公共地不能实现时：在大型系统中，所有模拟信号都接入单一公 共点是不现实的。这时，需要利用某种形式的差分(甚至隔离)放大器 在地系统之间转换信号。老练的设计人员可能会想到使用简单的减 法器或“动态电桥”电路。这些电路可以将以某一个地系统为基准的 信号，转换为以另一个地系统为基准的相似信
