1、QUiNET山東電子設計競賽培訓NET22021/8/6。聯系方式姓名：閆紹敏電話Q：99947046Email：NET32021/8/6。Agenda案例設計分析軟件系統設計硬件系統設計信號分析與信號處理系統設計概述NET42021/8/6。系統設計概述EleSys 人NET52021/8/6。系統設計概述NET62021/8/6。系統設計概述輸入通道預處理電 量非電量傳感器預處理存儲器供電電路人機交互輸出通道輸出信號數據傳輸總線遠程通訊CPUNET72021/8/6。系統設計概述序號內容名稱主要內容1CPU技術單片機、FPGA、DSP、ARM等CPU。2輸入技術儀

2、用放大器、變送器與濾波器、A/D轉換器、V/F變換器、光電隔離技術等，3輸出技術D/A轉換器、功率放大器、繼電器驅動、步進電機驅動等4人機界面技術鍵盤輸入、撥碼盤、LED顯示、LCD顯示、觸摸屏等5總線技術RS232、RS422、RS485、I2C、SPI、USB等總線技術6傳感技術編碼器、霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等7線路設計、安裝和調試方法原理圖、印制板圖的設計，線路板的安裝和調試，機殼加工和改造，產品外形設計等。NET82021/8/6。系統設計概述NET92021/8/6。系統設計概述NET102021/8/6。信號分析與處理NET112021/8/6。信號的種類NET1220

3、21/8/6。信號的理論分析v 目的： 分析輸入信號，構建信號調理電路 電源信號的濾波處理 分析輸出信號，構建信號濾波電路NET132021/8/6。信號的理論分析富氏級數表示法 非正弦周期量可表示為一系列不同頻率的正弦量之和。電力電子技術中遇到的非正弦周期量通常都滿足富氏級數展開的條件。 NET142021/8/6。信號的理論分析NET152021/8/6。信號的理論分析22 1T 1T)(tfE0tNET162021/8/6。信號的理論分析NET172021/8/6。信號的理論分析 周期半波余弦信號)(tft04TTENET182021/8/6。信號的理論分析11112144( )cos(

4、)cos(2)cos(4).231521cos() cos()(1)2nEEf ttttEEnntnNET192021/8/6。信號的理論分析)(tft02TTE| )cos(|)(0tEtfNET202021/8/6。信號的理論分析11110212444( )cos()cos(2)cos(3).31535241( 1)cos(2)(41)nnEEEEf ttttEEntnNET212021/8/6。信號的采集選擇原則：根據系統設計要求、環境、造價等三方面NET222021/8/6。霍爾傳感器n 測試對象：需要隔離處理的大電流、高電壓的交、直流信號。n 設計注意：大多霍爾傳感器需要雙電源供電，

5、需提供兩路電源，常用正負12V，正負9V，正負5Vn 舉例n CSM025AY型霍爾電流傳感器 nCS040GT型霍爾電流傳感器nCS600B型霍爾電流傳感器nVSM025A型霍爾電壓傳感器n 參考設計NET232021/8/6。互感器n 測試對象：需要隔離處理的大電流、高電壓的交流信號。n 舉例：nZMPT101型電壓互感器nZMPT111型電流互感器n 參考設計NET242021/8/6。采樣電阻v 電阻分壓應用場合：小電壓、非隔離、小成本的應用場合v 設計注意： 1）小電容濾波處理 2）精度1%的精密采樣電阻 3）精密電阻的功率v 參考設計NET252021/8/6。采樣電阻v 電阻串聯

6、應用場合：小電流、非隔離、小成本的應用場合v 設計注意： 1）高壓側電流采樣 2）低壓側電流采樣（普通運放、差分放大電路） 3）精度1%的精密采樣電阻 4）精密電阻的功率v 參考設計NET262021/8/6。采樣電阻NET272021/8/6。環境測量傳感器v 測量溫度 環境溫度 熱水溫度 傳感器有：Pt100、DS18B20、熱電偶等v 測量濕度v 測量濃度v 測量光照NET282021/8/6。電機測轉速、測角度、測距、測位置n 旋轉編碼器n 光電碼盤n 需注意測量場合、測量精度NET292021/8/6。特殊功能傳感器NET302021/8/6。信號的調理設計原則：根據AD特性、電源的

7、供給、性能價格等三方面NET312021/8/6。交流、直流信號的濾波調理基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 濾波器：一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無用頻率信號的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構成的濾波器。濾波電路傳遞函數定義時，有時，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中)j ( A)( 模，幅頻響應 相位角，相頻響應群時延響應d ( )( )( )ds NET322021/8/6。交流、直流信號的濾波調理低通（LPF）高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BEF）全通（APF）分類分類NET332021/8/6。交流、直流信號的濾波調理 二階有源低通

8、濾波電路二階有源低通濾波電路傳遞函數傳遞函數1fF1RRAV )()(PoFsVsVAV )(/1/1)(APsVsCRsCsV 對于濾波電路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得濾波電路傳遞函數)()()(iosVsVsA 2FF)()(31sCRsCRAAVV - -（同相比例）NET342021/8/6。交流、直流信號的濾波調理傳遞函數F0VAA RC1c 令稱為通帶增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 稱為特征角頻率稱為等效品質因數則2cn22c0)( sQsAsA濾波電路才能穩定工作。

9、時時，即即當當 3 03 FF VVAA注意：NET352021/8/6。交流、直流信號的濾波調理用 代入，可得傳遞函數的頻率響應： j s2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 歸一化的幅頻響應相頻響應2cc)(1arctan)(Q NET362021/8/6。交流、直流信號的濾波調理幅頻響應2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 歸一化的幅頻響應曲線NET372021/8/6。交流信號負值的調理NET382021/8/6。交流信號負值的調理NET392021/8/6。交流信號負值的調理NET402021/8/6。交流信號負值的調理NET412021/8/6。

10、交流信號負值的調理NET422021/8/6。交流信號負值的調理NET432021/8/6。交流信號負值的調理NET442021/8/6。交流信號負值的調理NET452021/8/6。交流信號負值的調理NET462021/8/6。交流信號負值的調理NET472021/8/6。交流信號負值的調理NET482021/8/6。交流信號負值的調理NET492021/8/6。交流信號變直流信號的調理NET502021/8/6。交流信號頻率調理NET512021/8/6。信號的放大與縮小n 放大的比例與范圍n 縮小后信號的驅動能力NET522021/8/6。信號的輸出NET532021/8/6。弱電信號的

11、輸出n 模擬信號輸出，DA轉換器n 數字信號輸出n隔離信號n非隔離信號n弱信號輸出驅動LEDn強信號輸出驅動繼電器NET542021/8/6。強電信號的輸出+k)角頻率(n1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0單相橋式PWM逆變電路 所包含的諧波角頻率為 crnk式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, n=2,4,6,時，k=1,3,5, 其PWM波中不含有低次諧波，只含有角頻率為c及其附近的諧波，以及2c、3c等及其附近的諧波。幅值最高影響最大的是角頻率為c的諧波分量。 單相PW

12、M橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖 NET552021/8/6。強電信號的輸出100 2+-1234+-0 2+-4+-0 1+-3+-5+-0.81.01.2kna = 1.0a = 0.8a = 0.5a = 0角頻率(nc+kr)諧波振幅三相橋式三相橋式PWM逆變電路逆變電路分析應用較多的公用載波信號時的情況，在其輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為rckn式中，n=1,3,5,時，k=3(2m-1)1m=1,2,；n=2,4,6,時，。, 2 , 116, 1 , 016mmmmk不含低次諧波。 載波角頻率c整數倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是c2r和2cr。 三相橋式PW

13、M逆變電路輸出線電壓頻譜圖 NET562021/8/6。強電信號的輸出諧波分析小結 在實際電路中，由于采樣時刻的誤差以及為避免同一相上下橋臂直通而設置的死區的影響，諧波的分布情況將更為復雜，諧波含量比理想條件下要多一些，甚至還會出現少量的低次諧波。 SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為c、2c及其附近的諧波，一般情況下cr，是很容易濾除的。 當調制信號波不是正弦波，而是其它波形時，其諧波由兩部分組成，一部分是對信號波本身進行諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生的諧波。 NET572021/8/6。仿真工具的使用NET582021/8/6。硬件系統設計NET592021/

14、8/6。硬件系統設計NET602021/8/6。電源系統設計電源系統設計的必要性電源系統設計的宗旨電源系統設計要求電源系統設計工具電源系統設計舉例NET612021/8/6。電源系統設計的必要性NET622021/8/6。電源系統設計的宗旨強電、弱電供電隔離模擬、數字供電隔離NET632021/8/6。電源系統設計的要求n 繼電器、電機驅動等強干擾信號的5V、15V、12V、24V，需要與數字、模擬供電系統隔離。n 部分傳感器15V、12V供電系統，需要與模擬數字供電系統隔離。n 運算放大器、傳感器等的+5V、-5V、+12V、-12V、+15V、-15V模擬供電系統需要與數字電源系統通過單點

15、、0歐姆電阻、磁珠。n 數字系統的5V、12V、3.3V、1.8V等供電系統。NET642021/8/6。電源系統設計的工具NET652021/8/6。電源系統設計的工具NET662021/8/6。電源系統設計的工具NET672021/8/6。電源系統設計的工具NET682021/8/6。電源系統設計的工具NET692021/8/6。電源系統設計的工具NET702021/8/6。電源系統設計舉例NET712021/8/6。電源系統設計舉例n LM2940-5/3.3/1.8n ASM1117-5/3.3/1.8n LM1117-5/3.3/1.8n LM7812NET722021/8/6。電源

16、系統設計舉例n公司產品NET732021/8/6。電源系統設計舉例n公司產品NET742021/8/6。電源系統設計舉例n公司產品NET752021/8/6。電源系統設計舉例n公司產品NET762021/8/6。輸入信號調理電路交流直流強電弱電工業標準非工業標準變化快變化慢NET772021/8/6。輸入信號調理電路NET782021/8/6。輸入信號調理電路數字信號調理電路模擬信號調理電路NET792021/8/6。數字信號調理電路隔離去噪聲NET802021/8/6。數字信號調理電路n 隔離，需考慮速度因素n 常用的光耦：TLP541、PC817、HCPL4504、TLP181、TLP25

17、0等。n 隔離電路設計時需要考慮雙電源完全隔離問題，否則變成了信號電流或者幅值的調整電路。n 光耦作用有三：模電、數電、非隔離NET812021/8/6。數字信號調理電路NET822021/8/6。數字信號調理電路TLP250NET832021/8/6。數字信號調理電路HCPL4504NET842021/8/6。數字信號調理電路磁隔離ADUM2400NET852021/8/6。數字信號調理電路磁隔離ADUM5402NET862021/8/6。數字信號調理電路Encoder input IO filteringNET872021/8/6。模擬信號調理電路交流直流隔離非隔離有源濾波變化快變化慢無源

18、濾波NET882021/8/6。模擬信號調理電路弱電流信號信號調理電路模擬量AD輸入口（單項、差分）數字量輸入IO口NET892021/8/6。模擬信號調理電路n若AD為單端輸入時，需要將交直流信號變為單端正信號輸入，需要用到的電路有二階有源濾波電路、有源全波整流電路、AD736芯片。n若AD芯片為差分輸入，信號源需為差分輸入，共模抑制性能好。NET902021/8/6。模擬信號調理電路NET912021/8/6。運放器什么是運算放大器？ 運算放大器是線性系統中最常見的器件 運放的高集成度允許你基于它們設計一些復雜的功能，而不需要知道運放的內部發生了什么 運算放大器的標識：簡單的外觀，眾多的指

19、標NET922021/8/6。運放器運算放大器在電子系統中的位置NET932021/8/6。運放器運放的功能運放+外部分立元件=放大器: 改變信號的幅度緩沖器: 隔離輸入和輸出，阻抗匹配（高輸入阻抗，低輸出阻抗）濾波器: 濾除不想要的頻率分量：噪聲和干擾各種運算功能: 積分，微分，乘法，對數，等等NET942021/8/6。運放器分 類基礎: 運算放大器Operational Amplifier (OPA)運算放大器的延伸： - 儀表放大器Instrumentation Amp (INA) - 程控放大器Programmable Gain Amp (PGA) - 對數放大器Log Amp -

20、積分放大器Integrator Amp - 采樣保持放大器Sample Hold Amp - 跨阻放大器Transimpedance Amp - 跨導放大器Transconductance Amp (OTA)NET952021/8/6。運放器運算放大器 OPAxxx：Operational Amplifiers 包括精密運放，高速運放； THSxxx： High-Speed Amplifiers 與OPA中的高速運放的差別：電壓范圍更寬 TLV/TLC/TLE：運放： TLV(2.7-16V, CMOS)，TLC(5-16V, CMOS)，TLE(寬電壓)；通用/高速比較器，以及ADC/DAC

21、 BUFxxx：緩沖器儀表放大器 INAxxx： Instrumentation, Difference, and Current Sensing Amplifiers增益可控放大器 PGAxxx：Digital Programmable Gain Amplifier, 10MHz以下 VCAxxx：Voltage Controlled Amplifier, IF 寬帶放大衰減音頻放大器 TPA/TASxxx： 音頻功放/處理，class AB & class D特殊功能放大器 XTRxxx： 4-20mA 發射器； RCVxx: 4-20mA 接收器 LOGxxx： 對數放大器 IV

22、Cxxx： 積分放大器 DRVxxx：驅動放大器（PWM，線路驅動等）NET962021/8/6。運放器理想的運算放大器NET972021/8/6。運放器實際的運算放大器NET982021/8/6。運放器直流指標，對運放直流精度的影響最為直觀 失調電壓因同相端和反相端失配而產生的輸入級固有電壓差，越小越好 偏置電流輸入級為了能正常工作而對輸入晶體管進行偏置所需要的基極電流（BJT）或柵極電流（JFET），可能流入（npn BJT或p溝道JFET）或流出（pnp BJT或n溝道JFET）運放的輸入引腳，越小越好NET992021/8/6。運放器在最大輸出幅度和供電電源軌間必須有一定的裕量或凈空，

23、保證輸出不被削頂/底。對輸入也是一樣。根據運放輸出結構不同，這個裕量從數mV到數V不等。NET1002021/8/6。運放器軌到軌輸入/輸出Rail-Rail Input/Output 窄供電電壓系統中非常有用,比如在電池供電系統中，如何從3.3V供電的運放里獲得3V的動態范圍？NET1012021/8/6。運放器軌到軌輸入和輸出運放 如OPA365，輸入和輸出擺幅都能非常接近供電電源軌. 但也不能完全達到。軌到軌輸出運放 如OPA335，輸出擺幅可以非常接近供電電源軌. 但不能完全達到。輸入在高電平處需要1.5V的凈空。非軌到軌運放 如uA741, LM324, OP27等，輸入和輸出在高電

24、平和低電平處都需要一定的凈空才能保證不發生削頂/底NET1022021/8/6。運放器自歸零，零溫漂Auto Zero & Zero Drift- Vos非常討厭，特別是我有10萬個產品都需要調零的時候，有沒有運放不需要調零也能達到非常好的直流精度？-當我的產品在非常寬的溫度范圍內工作的時候，如何保證在整個溫度范圍內誤差控制在很小的范圍內，從而減少我對調零的需求？NET1032021/8/6。運放器共模電壓Common-Mode Voltage (CMV) 運放V-和V+包含的相同的信號成分VCM = (VIN+ VIN-) / 2VCM = (+6.5V) + (+3.5V) / 2

25、 = +5V共模電壓和差模電壓差模電壓Differential Voltage (VDIFF) 運放V-和V+包含的不同的信號成分VDIFF = VIN+- VINVDIFF= (+6.5V) (+3.5V)= 3.0VNET1042021/8/6。運放器差動放大器抑制共模信號，提取差模信號WhenR2=R1=R4=R3=Vout=(V1-V2)xGainNET1052021/8/6。運放器共模抑制比Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) 衡量差動放大器放大差模信號（VDIFF）的同時抑制共模電壓（CMV）的能力。差模信號電壓放大倍數Aud越大，共模信號電壓放大倍

26、數Auc越小，則CMRR越大。此時差分放大電路抑制共模信號的能力越強，放大器的性能越好。當差動放大電路完全對稱時，共模信號電壓放大倍數Auc=0，則共模抑制比CCMR，我們希望所有的差動放大器: 僅僅放大差模信號 將共模信號完全抑制但是所有的差動放大器都不能完美的抑制共模信號，會有CMRR這個指標： CMRR越小，共模信號引起的輸出失調就會越大NET1062021/8/6。運放器差動放大器的CMRR由什么決定？ 決定因素：外部電阻網絡的匹配精度 如果R1,R2,R3,R4中的任意一只R有0.1%的誤差, 差動放大器的CMRR將降至2000:1, 或66dB 我們在零售市場最多可以買到1%精度的

27、電阻，一個電阻的1%誤差將降低CMRR到46dB 而實驗室里隨手拿來的電阻可能是5%精度的.NET1072021/8/6。運放器NET1082021/8/6。運放器差動放大器NET1092021/8/6。運放器三運放結構的儀表放大器INA優勢: 極高的輸入阻抗，高增益范圍，高CMRR缺點: 輸入共模電壓范圍窄，和差動放大器相比增加的功耗、尺寸和成本NET1102021/8/6。運放器兩運放結構的儀表放大器INANET1112021/8/6。比較器v LM311v LM339v LM393NET1122021/8/6。AD轉換電路的設計速度精度校正線性度數字模擬地隔離NET1132021/8/6。AD轉換電路的設計NET1142021/8/6。AD轉換電路的設計NET1152021/8/6。AD轉換電路的設計NET1162021/8/6。AD轉換電路的設計NET1172021/8/6。AD轉換電路的設計NET1182021/8/6。AD轉換電路的設計NET1192021/8/6。AD轉換電路的設計NET1202021/8/6。AD轉換電路的設計NET1212021/8/6。AD轉換電路的設計NET1222021/8/6。AD轉換電路的設計