由“单片机AD分辨率扩展方法”的文章想到的

单片机扩展如AD功能，才能使其仍具有极大的生命力。以前用过自带16位AD的单片机，也开发过DSP的项目，外部扩展一片16位AD。都是考虑在选用器件上提高AD精度，从没想过扩展微处理器精度的方法。看了《提高PIC16C711单片机片内A/D分辨率的方法》这篇文章http://article.ednchina.com/CPUDSP/20070825090146.htm，觉得豁然开朗。

如文中提到的方法，用8个电阻组成分压电路和模拟开关配合的方式，扩展AD分辨率为11位。这样推下去的话，理想的情况下16个电阻配合合适的模拟开关就可以得到12位精度。的确是个好方法，在条件有限或是单片机定型后扩展上时候派上用场。

这篇文章给我最大的启示，不仅仅在于一个扩展AD精度的方法，更多的是一种思路。一味寻找高精度高性能器件，其实也许会因为价格、等级的问题不能选到合适器件，是否可以找到某种替代方法来解决问题呢？我正在做的一个项目中，需要对若干开关状态的判断，原先采用控制功能切换器件组成不同的通路，进行判断，但由于核心器件更换，控制芯片功能减少，必须考虑其他方法。于是只能考虑了改用电阻与器件的并联，开关闭合相当于短路了相应电阻。将各开关配以不同阻值的电阻，通过对电源分压值的检测就可以判断电路中开关的状态。这种方法在成本上大大减小，测试方法也更灵活，消耗资源也少了很多。

其实很多时候，我们都需要考虑这种不得已的方法，但正是这些不得已，才更能体现出设计的巧妙。就像是小学生解除了数学题的开心，hoho

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从运算速度角度选择DSP型号

DSP广泛应用于通信、语音、雷达、仪器仪表等领域。针对不同应用，市场上有许多型号的DSP产品。以TI的产品为例，从用途上分，有Ｃ2000系列定点DSP，因为集成了大量外设资源，更多地用于控制领域；Ｃ5000系列定点低功耗DSP，主要用于消费产品和通信领域；还有Ｃ6000高速高性能DSP，主要用于网络和图像处理。

面对众多型号，拿到一个项目时要选择何种DSP呢？运算速度、功耗、结构、价格等都是需要考虑的地方，但运算速度无疑是首要考虑的，只有满足运算速度的前提下，选择能够适应其他要求的产品才是最合理的。下面就以实例讨论一下如何计算运算速度。

DSP处理的是数字信号，往往来源于前端模拟信号采样。如果信号为50Hz的正弦信号，每周期要采80个点才能满足后续算法精度要求，那么采样频率为4000Hz，采样点的时间间隔为250μs。即所有相关运算必须在250μs的时间内完成。假设采样点需要进行FFT这样的乘加运算，假定DSP执行一次乘加运算的时间只有１个指令周期，那么在两个采样点之间需要完成4096个乘加运算时，指令周期则必须小于250μs／4096=61.2ns，否则不能实现实时处理（在这里还没有考虑获取采样点的时间）。

有些DSP具有DMA模块，可以在没有CPU的参与下完成采集。例如语音编码算法，一桢信号为30ms，而一桢信号处理算法程序必须要在30ms内完成。若DSP的指令周期为20ns，则一桢时间内DSP能够提供的最大运算量为150万条指令。因此，一桢信号对应的算法程序不能超过150万条指令，否则就要更换速度更快的DSP了。

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基于Labview的幅值和相位差测量

比较两个正弦信号的幅值和相位差广泛应用于对比测试中，如与标准信号进行标定、滤波前后信号的比对、互感器的输出等方面。时域波形可以依靠示波器观察，幅值和相位信息需要频谱分析仪测定，但其仅能对一路信号进行测试。而对于相位差的测试，一般使用动态分析仪这样的高精度仪器进行分析。频谱分析仪和动态分析仪的价位较高，因此有必要使用基于采集卡的Labview开发这方面的测试功能。

Labview中有现成的信号处理的vi（图1），可以直接分析出信号的幅值和相位信息。对两个信号可以分别得到相关信息，然后做差。

频谱测试vi

由FFT的原理可以知道，经过FFT运算，采集获得的序列变成复数，有实部和虚部。而实部和虚部的平方再开方对应的是幅值，虚部除以实部在取反正切对应的就是相位。这样的幅值和相位有若干个点，是和采样点频率有关系的，但是每个点上的幅值和相位信息是相对应的。

对于单一正弦信号，如y=Asin(ωt+φ)，检测幅值最大点对应的相位即可。其中用到了图2的vi，从相位值矩阵中找到最大值的维数。然后从相位矩阵中找到该维数的相位值。同理找出第2路信号的幅值和相位值。

数组最值vi

这种算法，如果测试有偏置的信号就无能为力了。比如信号的幅值为2V，而直流偏置为2.5V，那么检测到的幅值最大点永远是第一个直流点。观察到直流的维数为0，所以需要在应用算法之前，将直流成分去掉。需要注意的是，去掉直流对应的数据，相当于在矩阵中少了一维，在应用后续vi找最大值的维数后需要加1，再到相位矩阵中找到该维数的相位值。这样就实现了对有直流偏置的测量。

数组索引vi             数组删除vi

如果是多个信号混合的测量，此算法将只能获得最大幅值对应的相位信息，其他信号的信息用类似的方法测试，这个还没有试过。但估计在实现知道信号成分的前提下好解决，如果是未知信号，因为去掉对应的数据后不能确定信号维数的处理方式而存在麻烦。建议使用检查到最大幅值然后在相应维数中加零的方式来解决。这个有兴趣的可以试一下。当然也可能会有其他vi或是方式来解决。

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静电放电的影响和预防

芯片在正常使用时，有时会莫名其妙的坏掉，分析其原因很大程度上是由于人为造成的静电放电损害了芯片。在冬天尤其明显，建议触摸芯片前先摸摸铁放下电，其实有时我的鼠标都会死掉。：）为减少这种情况，焊接印制板、调试电路、使用时要穿防静电鞋。不过这个一般时候是不这么做的，所以在设计上就非常有必要考虑这一点，提高产品抗静电的能力。

静电其实可以看作是电荷的重新分配，带电荷碰芯片自然会释放电荷。如果有接地，电荷会形成瞬间的电流；即使不接地，外来电荷会造成电荷重排，同样会形成内部电流。电流总是选择低阻抗的通路，当电路中地线等线路与静电放点的电路相连时，就出现了潜通路。阻抗会决定电流的最终走向，这种情况会影响电路的实现，甚至造成破坏。这种瞬间的电流可能不到1ns，信号频谱很宽，脉冲上升时间快，电压高，电流小。若静电直接作用在芯片上，放电回路的电阻又很小，还是会出现瞬间放电电流，会导致局部发热或内部晶体管损伤。接口电路和电源部分比较容易受损，如RS232接口的接受端和发送端会由于静电放电而形成通路，出现数据混乱的情况。所以一般会加上保护结构。还可以使用压敏电阻，当电压高过某个值时，电阻值降低，能量可以泻放掉。使用瞬态抑制二极管，当电压高过某个值时，其间迅速导通，将电压限定在一定范围内。峰值电流较小，适合静电放电。在电路上设计上需要考虑增加瞬态抑制二极管有效增强抗静电能力。由于静电的频谱较宽，利用滤波器可以有效较少干扰的能量，减小干扰幅度。为检验是否抗静电，一般要做几十次静电冲击试验。

还有的静电虽然不接触芯片或产品的，但是它有可能将电荷聚集在铁磁物质上，产生磁场。当这个磁场在产品周围时，也会产生影响。同样需要抑制这种影响。

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电容在滤波中的应用

电容和电阻是电路中最常用的，实现滤波、LC振荡、积分、储能等功能的电路中都需要电容。实际的电容还会显示电感和电阻分量，市场有无阻电感和电容实际上就是电阻分量较少。电感分量的存在，使得实际电路中电容的成分更加复杂，可以用LC网络来等效。我现在用电容，更多的是用于滤波上。大致可以分成两种主要应用：一是干扰的滤波，特别对数字芯片而言；二是有源滤波器。

电容滤掉高频干扰很容易理解，电容的特性就是隔直通交流。电容隔直信号的频率可以算出来，比如印制板信号地和外壳地之间常使用穿心电容抑制干扰，一般穿心电容厂商会对应给出个电容的滤波特性让使用者选用。实际电容的角频率为时，会发生谐振。这时阻抗最小，滤波效果最好。若超过谐振点，阻抗特性呈现出感性，随频率增加而增加，效果会变差。为滤除高频率干扰，需要尽量提高电容谐振频率，尽量选择电感小的产品。

数字芯片滤干扰信号是为了防止引起误反转，需要在芯片供电的管脚，在电源与地之间连接上去耦和滤波电容，一般要求是尽量靠近电源，然后直接接地。电容量的大小和外界干扰信号有关，有的数字芯片手册会重点写出要求。一般是一个0.1u的电容，有时还需要并上一个10u的电容，也是针对不同频率信号的滤波吧。

在有源滤波器上，电容不可或缺，开关电容滤波器里电容同样是不可缺少的。在这里会有一个问题就是电容的容值很难做到高精度，一般也就1%。有时设计正确的实现方案，用在滤波截至频率有严格要求的领域，是不可容忍的。只能采取调试的办法，选取不同容值的电容来试，确实不太经济，也给设计实现带来很大困难。

有一点需要提出来说，电容温度稳定性不好，工作电压也会影响电容器性能。选用时需要注意。

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关于噪声的特征、测量和处理

在电信号产生和传输过程中，容易受到寄生、杂散电容或电感产生的电磁干扰。这种对有用信号干扰的扰动信号就是噪声，常用信噪比（SNR）来表征。

测试噪声常用示波器观察，容易观察出时域的电压噪声。对产品而言，但输入为零时，输出也会存在噪声，这个指标一般都会检验，对微弱信号输出建议用低噪声电缆。但要注意示波器本身、接线电缆也会产生噪声。也可以用万用表测量，这个测得的就是有效值了，对各种类型的噪声的计算方法有所不同。这个方面的内容还是去查看相关书籍吧。

从设计上讲，当然是希望信噪比越高越好。但是噪声现象是普遍存在的，如电网中高次谐波的存在、为芯片供电的电源输出纹波影响输出质量和印制板走线的电磁干扰等。为此，滤波、去耦、静电等多种软硬件方法可以预防和减少干扰噪声。如上面提到的电网中高次谐波，用有源低通滤波结合软件算法可以有效抑制谐波分量；电源采用纹波较少的线性电源替代开关电源，为芯片供电时，数字芯片的电源均接入滤波和去耦电容改善数字信号的质量；印制板走线注意信号和电源线的关系，电路板要敷地，画PCB有很多讲究。

噪声在传感器测试方面的影响更为明显。传感器输出微弱信号，信噪比有限，后续的放大处理也将噪声信号放大。若涉及到AD转换，特别是16位AD这样的高精度器件，从电源供电、转换芯片模拟和数字地上都需要减小噪声干扰。比如说满量程10V的输入范围，16位AD转换的分辨率为10/217=0.00763mV。传感器输出100mV，那么仅1μV的噪声信号就会使AD转换的精度难以保证。因此必须找到信号和噪声的频率范围差异，常用滤波器分离出有用信号。

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变送器电路发展路在何方？

上一篇博文http://www.ednchina.com/blog/yangxixi/31939/message.aspx，谈到了什么是变换器、输出形式有哪些。但随着电子技术进步，特别是集成芯片的发展。现有变换器电路趋向于集成化、智能化发展。（请注意，我说的是变换器电路，利用嵌入式芯片实现的数字化形式在前文已经提过了。）

提起仪表放大器，比较熟悉的一下子会想到的3运放或者2运放的典型电路，简单的由两个电阻和运放实现放大。但这样的电路需要若干运放和电阻，设计电路不得不考虑多个电阻精度、功率、阻抗匹配等问题。但集成了这个电路的AD627芯片，用一个8脚的芯片即可实现这个功能，外围电路只需加一个电阻，利用公式就可以算出放大倍数。这样的电路简单、体积小、功耗低、精度也易于满足，显然比自己搭仪表放大器电路更有优势。这种就是我所谓的集成化变换器电路。

目前已经有许多这样的集成芯片完成信号调理工作，无论是电压还是电流输出的，器件的选择就需要按照各自的应用环境和用途来选择。比较复杂的集成化芯片需要对零点和满量程进行调节，线性进行校正，还可以补偿温度系数。其实这还是使用了数字化的方法，只不过这些软件的东西是集成在一个芯片中了，用到的时候，对芯片发送指令实现功能罢了。

同一传感器输出状态也会有所不同，调试传感器状态需要调试部分电阻。电位器固然可以实现调节，但并不可靠，精度也不高。所以有必要使用外加或已经集成进芯片的可编程增益方式实现如放大倍数、滤波频率、多量程切换的功能。

集成化和智能化以及数字化的目的都是标准化生产，提高生产效率；方便调试，提高调试效率。现有传感器企业针对某个产品就要设计一个图纸，某个状态就要调试，消耗了过多人力和物力，增加了成本，在市场上难有竞争力。

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配合传感器的变送器电路类型

避开传感器原理不谈，传感器这种将物理量的改变传为电信号的装置输出一般是微弱信号，需要调理电路变换，或者称为变送器，将信号变为0~5V或4~20mA的标准输出。这种信号有利于后续采集装置或是驱动电路的实现。

0~5V信号由微弱信号放大得来，使用一般的运算放大器即可。并可实现零点偏移调整，对原有位政府的信号变为0~5V输出，只需加入2.5V的直流电平抬高信号。而放大的精度由运放的电阻精度保证，和运放的输入输出阻抗有关。

4~20mA信号在传输时不容易受干扰，多用于驱动电路或微机系统采集。同样需要放大实现，或者特殊的调理电路。

理想的传感器加变换器是输入和输出成严格线性的，所以变换器设计上需要保证线性，且需要对传感器输出存在的非线性进行补偿。线性化需要根据非线性的大小和正负来设计的，可以在模拟信号上进行，这个有成熟的电路，但电路较复杂，实现起来有困难。也可以在传感器输出采集成数字信号以后，在数字部分用程序实现。

智能化是变换器发展的趋势，特别是自带AD转换功能的嵌入式芯片集成进变送器电路。可以很方便的实现滤波、放大、AD转换、线性化处理、温度补偿等功能。而且电路体积可以做得很小，输出直接转换成数字量，还可以通过各种通信形式向外传输，增加了信号获取部分的自由度或个性化。

数字化是发展趋势，但模拟和数字的变换器电路同样重要，应用不同而已。为设计变换器电路，可以使用统一的设计平台，基本是由信号源和各种测试仪表组成的测试系统。首先信号员要能够模仿出各种传感器输出信号的特征，当然是指电量，非电量的输出形式还是要转换成电量的电路形式。比如，压电原理的传感器输出实际上是一个电荷信号，但可以用电压源并上电容或电流源船上电流源的电路模拟。为验证某些特殊信号的输入产生的响应，信号源部分最好具有阶越、冲击、噪声信号输出的功能。信号源输出进入电路模块，输出由示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪采集信号。考虑到功能的扩展，最好采用虚拟仪器技术，自行扩展一些测试功能，得到自己关心的信号。

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浅谈电阻选型

电阻在电路应用中很常用，在分压、RC网络、滤波等电路中都有应用。在电路设计完成以后，就需要考虑用何种形式和厂商的电阻，一般在功率、尺寸、精度、温度系数等方面影响选型。

功率

最普通的电阻有1/4W，1/2W和1/8W，按照实际应用选型。有些特殊应用还需要选择大功率电阻或微小功率电阻。在大功率方面，水泥电阻功率较高。还用过一种可调的被漆磁管电阻，可以通过20A的大电流，最大功率几千瓦。当然体积很大，阻值不高。

尺寸

电阻有普通直插如AXIAL-0.2和贴片0805等尺寸，若有其他特殊要求时，就很有可能改变尺寸。一般需要先买好实物，再确定印制板上元件尺寸。避免因尺寸不合适出现焊接困难或废板。

精度

这个应该是实现功能时最需考虑的问题，当时是精度越高越好，但也要考虑性价比。对精密放大、RC选频、AD前端阻抗匹配等应用，需要保证精度。现在市场上很容易买到万分之一精度的电阻，价格自然比普通1%的电阻要高。有一点需要特别提出，电路设计中可能不会考虑电阻值的问题。但实际选型时，标准阻值的电阻更容易买到，即使订货也会缩短周期。有时需要改设计，所以建议从一开始设计时，在电阻值的选取上就考虑阻值问题。

温度系数

这个指标容易被忽略，但在实现高精度时还是要注意这一点的。因为环境温度对电阻值的影响容易引起设计超标，选择问题系数好的电阻可以保证设计的成功率。这个一般为几到几十ppm，同样需要价格因素和指标的综合考虑。

其他

除了上面提高的一些，电阻还有一些特殊应用，如压敏电阻实现能量泻放，热敏电阻可以补偿温度对电路的影响。

可以说，电阻最常用和简单，但是他也很复杂和多样。需要在设计中不断的体会和总结。

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温度对典型变电阻电路的影响

温度对电阻值有影响，温度越高，电阻越大。从微观的角度上讲，温度越高，分子不规则的热运动越剧烈，使其改变需要的能量就越大。

若电路如图所示。

受外界如压力作用，两电阻值将发生改变。输出变化与电阻值变化有关，为

设两电阻值变化均为ΔR，升温时ΔR始终为正，叠加上温度引起的电阻值变化，则

在正作用下，电阻值增加；在负作用下，电阻值减小。容易推出，加温后在正作用下，输出电压比常温时小；在负作用下，输出电压比常温时大。

对桥式电路，输出变化与电阻值变化有关的。

分析该类传感器输出，有

理想状态下，R1=R2且R3=R4，则有

叠加上温度引起电阻值变化ΔR，升温时ΔR为正。假设4个电阻变化相同，则

所以升温后输出电压应减小。R3和R1两个电阻实际上是抵消了温度带来的变化。

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