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基于CPLD的多路数据采集系统的毕业设计说明书 - 图文

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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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