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模糊电路设计（九）微分、积分电路
发表于 2008-9-18 22:31:42

52RD.com　2007年9月29日　宇量　

积分电路

积分电路属于应用非常广泛的电路，而且积分电路几乎都是使用类比电路。积分的运作可以使信号的变动平均化，同时降低杂信的影响。由于最近几乎不再使用OP增幅器单体的积分演算电路，因此接着要讨论的对象是以可将波形作A-D转换，同时还可将数位资料作积分的电路为主。

?积分电路的概念

图1(a)是积分电路的基本概念，该电路的输出入特性可用下式表示:


　

通常Vout(0) 的初期值会被视为0，不过实际动作时却往往无法忽略，这种情况必需使后述的积分电容短路，同时尽量使0 reset。若使用式(1)的符号重新整理，则输出入传达关数G(jω)可用下示表示:

以上式子若作成图示就变成图1(b)的频率特性图，图中的积分电路的gain会与频率成反比，并以-6dB/oct速度变化，而位相则延迟900。

　

图1 积分电路的概念图与频率特性

?利用CR的积分电路

图2(a)是CR积分电路，假设图2(b)输入信号VST(step关数)时，输出Vout就可用下示表示:


CR为具备时间次元的时定数(T)。图2(c)是时间与输出电压的反应特性，如果超过5T以上等待时间，输出电压几乎可说是与输入电压相同，本电路的输出入传达关数G(jω)如下所示:

　

图3的点线表示频率特性并非真实的积分电路，若要获得近似性积分动作，必需是在ω>1/CR 的前提下才能达成，具体方法是使ω>10/CR 。

　

图2 CR积分电路与反应时间

图3 CR积分电路的频率特性

?简易的Bode线图描绘方法

Bode线图经常被写成Board线图，事实上Bode并不是动词而是建立负归返增幅器设计理论Bode氏的名字。将传达关数的gain与位相的频率，描绘成图3的graphic就称为Bode线图。

图4是详细的频率特性图，由图可知即使简化误差，gain仍低于3dB，位相则低于5.70，虽然该图主要目的在后述的负归返稳定度检讨时会被忽略，不过基本上频率特性图却是设计负归返稳定度时不可或缺的重要资料。

◆计算方法与描绘方法

首先将式(7)当作传达关数，接着求取cut off频率fc，fc是可使分母变成0的频率绝对值。


　


图4 CR积分电路的频率特性详图

如图3所示将fc描绘成graphic，同时在频率低于fc前提下使gain变成1倍(0dB)一定值，如此一来比fc更高的频率，它的当gain会以-6dB/oct速度呈直线下降。有关位相特性因为在fc是-450，低于fc/10时是00，超过10fc时就变成-900接近直线状，由此可知gain特性的折点会变成 一点，位相特性的折点则会变成fc/10与10fc两点。(52RD.com)

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关于ADC前端滤波器的选择
发表于 2008-9-17 21:45:47
模拟信号在输入ADC之前都需要信号调理电路，根据所输入信号的不同和要测试的量的不同，所使用的信号调理电路也不相同，在这里我只说一下自己对不同类型ADC的前端滤波电路设计的要点的一个认识，现在常用的ADC有Sigma-Delta和SAR，这两种ADC采用不同的转换方式，其中Sigma-Delta使用过采样技术，过采样倍数一般为64~256倍，有的甚至更高，然后通过数字滤波抽取方式提高分辨率，SAR是逐次逼近式ADC，在功耗和采样速度方面有很强的优势。对于需要使用什么样的滤波电路对ADC的输入信号进行滤波，可以根据ADC的类型进行设计，1）对Sigma-Delta ADC可以使用最简单的RC滤波电路，滤波频率可以高于要分析的信号频率的3~4倍，以使信号在通带内是平坦的，这种滤波器的优点是简单、相位特性好；2）对于SAR ADC需要使用高阶滤波器，使用有源还是无源的要根据前端条例电路的输出阻抗和ADC的输入阻抗来定，使用高阶滤波器的目的是防止采样信号发生混叠，当然这是这种滤波器的优点，缺点是复杂、相位特性较差。
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关于ADC的动态范围
发表于 2008-9-13 22:00:00
对于ADC的信噪比有一个公式是：SNR = SNOB * 6.02 + 1.76
其中SNOB是ADC的有效位。
这个公式表示在ADC的带宽范围内的信号的信噪比，而与ADC的动态范围的概念有一点差别，我的理解是ADC的动态范围是要在带宽范围内和范围外都要达到的一个信噪比，带宽范围内和信噪比同一个概念，而在带宽范围外指的是对于信号的衰减，比如某ADC的动态范围是120dB，带宽为1kHz，表示信号在小于1kHz时ADC的有效位是（120-1.76）/6.02=19.6位，而在大于1kHz时ADC对信号的衰减是120dB。
如果不考虑信号带宽内的信噪比，只考虑带宽外的信号衰减谈动态范围是错误的，比如使用数字信号处理技术可以设计出衰减大于120dB的数字滤波器，这样就不能说信号的动态范围达到了120dB，这要和ADC的信噪比联系起来说才有意义，如果使用的ADC是16位的，不做过采样增加信噪比的情况下该ADC的信噪比不会大于98.8dB，这样的话即使所作的数字滤波器的衰减大于120dB也不能说该采集系统的动态范围达到了120dB，而只能说是80多或者90多dB。
以上是我个人对于信噪比和动态范围的一个认识，有错误或不足之处请指出探讨。
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数字万用表的精度
发表于 2008-9-12 12:58:26
数字万用表基本指标
http://www.oitek.com.cn/ 北京海洋兴业科技有限公司


引言：数字万用表是电气测量中常用到的电子仪器，它具有很多特殊功能，但主要功能是对电压、电阻和电流进行测量。一台真正的数字万用表(DMM)应该什么样？它能做什么？怎样用它测量？你需要它什么样的功能？怎样最安全有效的使用它？哪种万用表更适应环境要求？本文由北京海洋兴业科技有限公司（010-62178811）周家明先生整理，在万用表使用上给您一些建议。

一、数字万用表基本指标

使用数字万用表时不仅要看基本规格，还要看它的特点、功能和全部设计生产指标。以下是数字万用表需要考虑的基本指标和性能。
(一)可靠性：尤其是在恶劣条件下，可靠性比以往任何时候都重要。
(二)安全性：数字万用表设计中首要考虑的问题，尤其经过认证实验室的独立测试，并且印上了诸如UL、CSA、VDE等测试实验室的标志（见万用表的安全问题一文）。
(三)分辨率：分辨率也称灵敏度，指数字万用表测量结果的最小量化单位，即可以看到被测信号的微小变化。例如：如果数字多用表在4V范围内的分辨率是1mV，那么在测量1V的信号时，你就可以看到1mV的微小变化。数字万用表的分辨率一般用位数或字表示。
数字万用表分辨率是很重要的指标，就像你要测量小于1毫米的长度，你肯定不会用最小单位为厘米的尺子；或者温度为98.6°F，那么用只有整数标记的温度计测量是没用的，你需要一块分辨率为0.1°F的温度表。
一个3位半的表，后三位可以显示三个从0到9的全数字位,前一位只显示一个半位(显示1或没有显示)，即3位半的数字表可以达到1999字的分辨率；一块4位半的数字万用表可以达到19999字的分辨率。用字来描述数字表的分辨率比用位数描述要好。现在的3位半数字万用表的分辨率已经提高到3200或4000字。3200字的数字万用表为某些测量提供了更好的分辨率。例如，一个1999字的表，在测量大于200V的电压时，你不可能显示到0.1V。而3200字的数字万用表在测320伏特的电压时，仍可显示到0.1V。当被测电压高于320V，而又要达到0.1V的分辨率时,就要用价格贵一些的20000字的数字万用表。
(四)精度：指在特定的使用环境下，出现的最大允许误差。换句话说，精度就是用来表明数字多用表的测量值与被测信号的实际值的接近程度。对于数字万用表来说，精度通常使用读数的百分数表示。例如，1%的读数精度的含义是数字万用表显示100.0V时，实际的电压可能会在99.0V到101.0V之间。在详细说明书中可能会有特定数值加到基本精度中，它的含义就是，对显示的最右端进行变换要加的字数。在前面的例子中，精度可能会标为±（1%+2）。因此，如果万用表的读数是100.0V，实际的电压会在98.8V到101.2V之间。模拟表（或指针万用表）的精度是按全量程的误差来计算的，而不是按显示的读数来计算。指针万用表的典型精度是全量程的±2%或±3%。数字万用表的典型基本精度在读数的±（0.7%+1）和±（0.1%+1）之间，甚至更高。
(五)欧姆定律：欧姆定律揭示了电压、电流、电阻之间的关系。应用欧姆定律，任何电路电压、电流、电阻可以计算：电压=电流×电阻。因此只要知道公式中的任意两个值就可以计算出第三个值。数字万用表就是应用欧姆定律来测量并显示电阻、电流或电压。
(六)数字和模拟指针显示：在精度和分辨率方面，数字显示有很好的优势，测量值可以用三位或更多位来显示。模拟指针在精度和分辨率方面略逊一筹，我们一般靠估计指针的位置来读数。数字万用表具有的条棒图象模拟指针一样显示信号的变化和趋势，但它更耐用并且减少了损坏。

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