基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计说明书 - 图文

中北大学2012届毕业设计说明书

3.3 放大滤波电路

在数据采集系统中，模拟低通滤波器是关键的组成部分，用以滤除或衰减高频噪声的影响，提高系统的精度。

在本设计中，对运放的要求有：

(1)由于传感器所传递的电压或者电流在有些情况下是非常微弱的，所以就需要在输入信号很微弱的情况下，仍然能很好的工作，而且产生很小的漂移。这就需要运放能在很宽的输入电压范围内工作，所以就应该选择具有 rail-to-rail 功能的运放。

(2)具有较高的转换速度与转换精度

考虑速度和精度的要求,再从性能价格比方面考虑，通常应尽量采用通用型运放，但在数据采集中的调理电路中,对运放的要求比较高, 综合各种指标，认为 CA3140 是非常理想的选择。

这里选择了CA3140来组成差分放大器，兼有高电压PMOS管和高压二极管的优点，都集成在单独的芯片上，输入电路PMOS提供非常高的阻抗，可达到TΩ级，还具有自身补偿能力来达到稳定的放大增益，输出部分含有自身保护电路来保护由于负载短路造成的损害，非常适合此电路设计。操作电源电压从4V至36V（无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化半导体)卓越性能的运放[18]。

图3.7 CA3140封转及引脚图

引脚功能:

1：偏置（调零端） 2：反相输入端 3：同相输入端 4：电源- 5：偏置（调零端） 6：输出 7: 电源 8：选通端

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电路连接如下图3.8所示：

图3.8 滤波电路连接图

滤波网络的电阻R和电容C确定特征频率f0的值。C的容量一般低于1μF，所以取C=0.1μF，根据f0?12πRC可以得到

12πf0C?12π?1.1?10?0.1?106-6 R?13?Aup=1.45? (式3.1)

根据Q??5,可以求得Aup?2.8。当Aup=3时，Q将趋于无穷大，意味着该LPF

将产生自激现象，因此电路参数必须满足Aup＜3。

根据集成运放两个输入端外接电阻的对称条件及Aup=1+Rf/R1=2.8，R1//Rf=2R 可以解出R1=3.11R，Rf=5.6R，带入前面求得的R值后，可以求得R1=4.5Ω，Rf=8.12。 3.4 电源供电电路

电源是一个控制系统的动力源，对于一个系统来说它就像是人体的心脏一样，有着至关重要的作用。一个好的电源电路可以大幅提高其相应系统的性能。系统中选用的芯片共需要2种大小不同的供电电源，分别为2.5V、3.3V。数字电路设计

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部分采用TPS70358电源转换芯片。在现代通讯设备中，容量的增加、功能的扩展等都造成电源功率大大增加，EMI、防干扰、防止浪涌等其它问题也随之出现。一个良好的产品在设计之初，就必须从整体上考虑电源的EMI、防干扰、浪涌、瞬态保护及散热等重要因素，因此电源设计是很重要的一个环节[19]。

在实际设计中，设备的整体供电大多采用开关电源；而相对于每一块电路板或每一片重要芯片（如FPGA、CPLD）的供电则需要电压调节器，它主要包含开关型、并联型和线性调节器。开关调节器的效率较高，但其本身具有一定的开关噪声，从而会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号。线性/并联型调节器的低噪声和简单性使它相对于开关调节器更有吸引力。最简单的电压调节器是并联型调节器，它通过调节流过电阻的电流，使输入电压下降到一个稳定的输出电平。线性调节器的输入电流接近于输出电流，它的效率（输出功率除以输入功率）接近于输出/输入电压比。因此，压差是一个非常重要的性能，因为更低的压差意味着更高的效率。LDO（Low Dropout）线性稳压器的低压差特性有利于改善电路的总体效率，本文采用的就是LDO线性稳压器[20]。原理结构如下图3.9所示:

图3.9 LDO线性稳压器原理结构图

Q1采用的是PMOS管，好象在电路中串上一个低值的电阻。流过Q1的电流与负载基本一样，Q1是个压控元件，静态电流非常小。当Vo下降时，通过控制器增加Vsg，使Q1的电流增大，至使Vo上升；当Vo上升 时，通过控制器减少Vsg，使Q1电流减少，至使Vo下

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降，从而达到稳定Vo值。

TPS703xx系列是TI公司专门为DSP、ASIC和FPGA等芯片供电而设计的LDO线性稳压器。它提供双路独立稳压输出，且具备电压监测复位（SVS）、手动复位、使能控制以及可编程上电顺序等功能，特别适用于DSP芯片的供电。其原理结构如图3.8所示[21]。

TPS703xx系列的主要特性如下： 双路独立稳压输出； 可选择的上电顺序；

第一路稳压输出电流达1A，第二路稳压输出电流可达2A； 快速的瞬态反应；

120ms的上电延迟；第一路稳压输出的\电源准备好\（Power Good）指示； 极低的静态电流（典型值为185 A）；

待机状态的输入电流仅1 A；低噪声输出，没有旁路滤波电容时VRMS为78 V；快速输出电容放电功能；

两路手动复位输入； 2%精确度的过载和；

过热监测；

极低输入电压时锁定输出功能（UVLO）； 过热保护功能。

TPS70358是新一代的集成电路稳压器，是一个自耗很低的微型片上系统(SoC)，具有极低的自有噪音和较高的电源纹波抑制PSRR(Power supply ripple rejection)。此外，其小封装尺寸以及电压监测和复位延迟等功能，使得CPLD的供电设计变得更简单和方便，实际使用效果也不错，满足CPLD的供电要求[22]。

电路连接图如图3.10所示：

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