混合信号集成（精选7篇）
混合信号集成 篇1
一般而言, 新一代嵌入式系统的关键指标包括:更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有线和无线连接能力、更小的尺寸以及更高的整体系统效率。实现上述任意单一目标都不是件容易的事情;因此, 涵盖多个指标的解决方案必须依靠多个元件的集成。
采用仔细选择的模拟元件、32位ARM处理器内核以及合适的数字外设组合, 能以分立式解决方案所无法实现的方式达成这些目标。影响最大的集成元件有:模拟放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器和信号处理加速器。
有很多应用领域都具有潜在优势, 包括:工业现场仪器仪表应用/精密检测、电机控制、太阳能逆变器等。
现场仪器仪表:过程控制中的低功耗传感器
现场仪器仪表是过程控制系统的一部分。后者广泛用于各种领域, 比如石油和天然气处理、食品处理、汽车以及半导体制造等。它们常常部署在恶劣环境下, 比如需要远程控制、具有极端温度和安全风险 (如爆炸危险) 等。在这些困难条件下, 器件必须能够可靠、准确地测量过程变量, 如温度、压力和流速。由于要接触这些设备具有一定的难度, 因此未来的趋势是将它们设计得更为智能化, 从而更高效地进行通信、自我校准以及更好地诊断问题。在网络边缘中引入智能是很多应用共有的趋势, 助推新一代嵌入式系统的设计目标向更激进的方向发展。就现场仪器仪表而言, 难点在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影响测量性能。在现场仪器仪表中加入新功能的特定例子有:HART调制解调器的通信功能、电子电路诊断功能以及尺寸更大、分辨率更高的显示器。此外, 若要为现场仪器仪表优化模拟微控制器, 则必须首先了解行业趋势, 然后还要深入理解系统级要求。拥有系统知识, 便可选择正确的集成模块。
对于单芯片数据采集子系统来说, 从电路级架构角度出发, 可以获得大量的系统级优势。这便为实现激进的功耗、尺寸和性能目标提供了可能性。实现高效而灵活的现场仪器仪表数据采集方案所需的IP有:模拟多路复用、仪表放大器、Σ-Δ型ADC、基准电压源、可编程电流源、ARM M3微控制器内核、Flash、定时器、看门狗和数字串行接口。框图显示针对现场仪器仪表优化的IP, 经过集成后, 它们可良好地协调工作, 从而提供能效与尺寸方面的优势, 并允许加入额外功能。
大部分现场仪器仪表设备通过双线式模拟环路通信, 采用4 m A-20 m A电流信号。这类环路使用广泛的原因是它们成本低、稳定性高, 并且具有噪声抗扰度, 不会产生压降。另外, 4 m A-20 m A环路还可用来为现场仪器仪表供电。这种受限型电源使得仪器仪表对电源十分敏感, 即吸取的电流必须低于环路源电流能力的下限4 m A。具体而言, 电流预算为3.5m A。现场仪器仪表中全部电子器件的总消耗电流不可超过该值。对于数据采集元件而言——包括信号放大、模数转换、数字信号处理、诊断、校准和控制——此部分预算需小于2m A。从系统角度来理解这个预算, 便能针对应用设计并优化集成式模拟微控制器。
模拟微控制器中的所有主要IP模块都需针对功耗进行优化, 满足2 m A以内的功耗目标。实现这一目标的关键器件有:仪表放大器、ADC和微控制器子系统。单个ADC通道的功耗目标为150 u A以内。对微控制器子系统进行功耗优化时, 应当包括对低功耗工作的电路设计优化、对调节时钟频率以控制功耗的能力进行优化, 以及对某段时间内不使用的外设的时钟关断进行优化。这些优化可以实现800u A以内的功耗, 并让内核工作在能够处理全部所需功能的速率下, 比如2MHz。
除了功耗, 选择正确的ADC并进行适当配置对于性能和尺寸而言同样十分重要。系统性能是ADC效果最直观的反映。ADC精度越高, 过程变量的测量结果就越精确。这最终会提升控制能力和性能。对于现场仪器仪表而言, 16位分辨率是较为常见的要求, Σ-Δ转换器便能很好地满足这种精度要求。
在现场仪器仪表设计中, 经常会出现两个或更多传感器。这类应用实例有:温度测量和压力测量。这对ADC、仪表放大器和多路复用芯片设计的配置都会有影响。集成两个ADC, 就能测量两个过程变量。采用多路复用可增加输入数量。对于温度测量而言, 可以将一个ADC与热电偶对接, 另一个ADC与电阻温度检测器 (RTD) 对接。热电偶的电压输出与两个端点之间的温度差成正比, 其一端参考目标 (比如极高温金属) , 另一端参考电子元件的温度。第二个ADC用来测量RTD, 后者为电子元件提供绝对参考温度。利用参考温度及其与目标之间的差异, 目标温度便能由ARM M3微控制器内核精确计算得出。
对于压力测量而言, 主ADC测量阻性电桥压力传感器。第二个ADC测量温度, 以便用于温度补偿以及提供整个温度范围内的更佳精度。灵活的多路复用允许测量静态压力补偿值。
需要提供额外功能并保持尺寸与功耗预算不变的一个例子便是HART (可寻址远程传感器高速通道) 调制解调器功能。HART调制解调器采用数字双向通信标准, 它在标准4 m A至20 m A模拟环路上调制一个1 m A峰峰值FSK信号。若要加入这个功能, 就必须在总功耗预算中留出裕量。前文所讨论的优化在这种情况下适用。另外, 还需考虑微控制器子系统。微控制器内核需实现该性能, 同时保持能效以控制HART调制解调器并驱动环路供电型DAC, 它还需执行处理测量数据、诊断和校准等任务。
选择正确的元件实现芯片级集成和优化固然重要, 但开发高效率集成系统还需要掌握目标市场要求与趋势等丰富知识。系统级目标——比如增加功能而不增加功耗水平与尺寸——要求芯片供应商与最终系统开发商之间展开密切合作。为了便于展开这种合作, 半导体供应商需对电路板级要求具有充分的理解, 例如:外形尺寸、温度范围、制造工艺、功耗、成本以及信号链中的补充器件。
摘要：本文通过介绍几种不同的现场仪器仪表的缺点与不足, 分析了ARM M3/M4处理器内核与适当的模拟元件集成后, 如何实现现场仪器仪表应用的系统级优化。
关键词：ARM,现场仪器仪表,传感器
混合信号集成 篇2
Dave:坐在他办公室地板上, 正在吸吮一杯溢到杯口的咖啡, 嗨, Tamara博士, 正在清理房间……太不好意思叫服务人员了。
Tamara博士:[挨着Dave坐下来, 拿起几张纸巾动手帮忙]我知道你是什么意思。清理地板 (floor work) , 趁机活动活动。这提醒我, 我们可以进行下一次讨论了。
Dave:这有何关联?
Tamara博士:我们需要讨论设计布局, 我想那也是从平面图规划 (floor planning) 开始的。
Dave:是的, 平面图规划。首先, 我本人并不是布局方面的专家。我只是偶尔帮个小忙, 但如今的工具和工艺相当复杂, 所以要布置芯片就离不开能干的布局人员。实际上, 他们的正式头衔是‘掩膜设计人员’, 因为他们的工作成果是利用数据去制作用于生产芯片的掩膜。
Tamara博士:掩膜设计人员知道芯片的工作原理吗?我的意思是, 他们如何知道如何开始, 哪些模块重要而哪些不重要?
Dave:掩膜设计人员知道有关工艺和软件的许多知识, 但通常在他/她开始时并不怎么了解某一个特定的芯片。所以我们要进行平面图规划。但在此之前, 我们也能分层级地构建我们的原理图, 以便这些模块在原理图中得到清楚的显示。然后平面图规划变为简单的画线工作, 来标明模块的位置。请看图1。
Tamara博士:我明白了。你从原理图绘制出芯片内部的简单平面功能图。但作为非布局专家, 你如何知道模块在芯片上占多大面积?
Dave:我想我的猜测是有根据的。我使用足够多的布局工具来大致推断模块的尺寸, 我的布图规范就建立在这个基础之上。我们对模块进行面积预算, 然后掩膜设计人员会在布图规划中参与进来并让我知道事情是否对头。电路设计人员和掩膜设计人员是相互协同工作的。
Tamara博士:所以重要的是保持良好的工作关系。
D a v e:是的, 但有时这是一个挑战。我们总想在所有最终仿真完成前开始布局工作。实际上, 最终仿真必须包括合理布局后产生的寄生参数, 所以我们直到布局接近完成时才能进行最终仿真。
Tamara博士:这对掩膜设计人员有何影响?
Dave:一言以蔽之:改动。掩膜设计人员喜欢我们尽早固定电路设计不再改动, 以便他们能够优化布局。但后面的仿真可能会显示出我们需要纠正的问题。所以最终, 掩膜和电路设计人员都必须能灵活改变他们的设计。
Tamara博士:明白了!一旦你有了一个基本平面布图规划, 掩膜设计人员肯定还需要其他信息。
Dave:我们可能知道这个工艺设计过程, 但有些事情是可变的:金属层的数量可能变化, 为了得到一个高阻值的电阻我们可能需要做另外一次的植入和掩膜步骤。另外还可能有一个在软件中自动布局的大数字电路区。所以每个项目都有一个不同的组合。Tamara博士:我想成本会随着层数的增加而上升, 那么我们为什么使用比方说四层而非三层金属层。
Dave:这取决于芯片。如果我们有更多互连层、更多金属层, 那么数字电路封装的尺寸就要小得多。所以, 如果数字区很大, 那么多加一层金属会使芯片更小, 其效益足以弥补附加层的成本。
Tamara博士:所以该工作是为了优化整个工作而不只是层数。
Dave:是。事情总是这样。
Tamara博士:还有没有其他事情与此类似?你提到了需要另一个植入步骤来得到一个高阻值的电阻。你能否使用较低阻值的电阻和串联多个来获得你要的高阻值电阻。
D a v e:能行。但如果电阻面积增加, 它会增加寄生电容并可能使高频电路性能下降。同时始终存在成本权衡:高值电阻占用面积小, 在一些特别的设计中可以节省足够多的硅片面积来补偿附加植入步骤所产生的成本。
Ta m a r a博士:面积似乎常常被提到。我想它是设计最基本的约束条件和成本动因之一。那么这些器件的相对大小如何。CMOS晶体管与电阻或电容比较起来怎样?
Dave:我要给你一个典型的工程学答案:这取决于其他条件。晶体管可非常小, 在数字设计中通常是这样。但在模拟设计中, 一对晶体管需要匹配, 这意味着它们需要是大尺寸, 或至少足够大。电阻尺寸可以小到典型模拟晶体管的尺寸和大到芯片晶圆面积的一半, 这取决于设计。作为比较, 1k-10k电阻是几个典型模拟晶体管和几十个数字晶体管的尺寸……大致是这样。电容尺寸大, 可以说是太大。我根据RC和有源放大器构建了许多滤波器, 电容是模块中最大的元件完全不是什么不寻常的事情。你还记得741运算放大器吗?
Tamara博士:当然。常用的单位增益稳定741:我使用了成百个此种放大器。
Dave:嗯, 741运算放大器中的单个最大器件是30pF补偿电容。
Tamara博士:有意思。所以你想不使用电容。
Dave:不使用多余的电容。
Tamara博士:你提到了匹配。似乎像提到面积一样多。这怎么处理?
Dave:许多电路性能都依赖于值的比率而非绝对值。例如模/数转换器、数/模转换器和带隙基准等。在这些模块中, 我们想让关键值是彼此的整数倍。我们通过使用单位元件来做到这一点:我们构建电阻、电容甚至大晶体管, 作为通用小元件的集合。这样, 我们知道R2是R1大小的10倍, 因为R2是10个单位R1串联起来的, 而R1只是其中一个。请看图2。
Tamara博士:哇!这样, 我们知道它是完美的……
Dave:不完全是。芯片发热可能不均匀, 所以电阻中的所有元件可能并不全是同一温度, 这会使它们不匹配。我们用几何学方法解决该问题。例如, 在带隙电路中, 我们可能想让一个晶体管是另一个晶体管的8倍。所以我们先在芯片上放一个晶体管, 然后在它周围放8个完全相同的晶体管。这样, 如果整个模块有温度差异, 一些器件的温度可能稍高, 一些可能稍低, 但周围8个器件平均下来会几乎与中央器件一样。我们称之为公共质心方案。有许多与此相似的诀窍。
Tamara博士:看来这要等到下次来讨论了。但至少我们“清理”了你的咖啡。真是够乱的, 是不是?
混合信号集成 篇3
为全面实现质量、安全、工期、投资、环保和稳定铁路建设目标, 施工总承包企业以确保安全质量为主线, 持续推进项目管理创新, 通过抓制度建设、超前预想、提前谋划, 加强现场管理和过程控制, 加强沟通协调和接口管理, 强化人员培训和考核, 坚持样板引路, 严格过程检查等方式, 科学有效推进铁路建设, 提升项目管理水平。
1 确保工程建设高起点
1.1 加强制度建设, 规范管理流程
根据工程特点, 以中国铁路总公司关于深化铁路建设项目标准化管理的指导意见为依据, 结合建设单位的具体要求, 严格制定综合管理、技术管理、质量管理、安全环保管理、计财管理、物资设备管理等制度办法, 绘制流程图, 构建了结构清晰、职责分明、内容具体的制度体系。
1.2 合理配置资源
充分发挥系统集成项目集中调动设计、施工和设备供应商资源的优势, 组建集成项目部和下属施工项目部, 设置作业队分布全线。主要岗位人员持证上岗, 专业技术职务、执业资格满足要求。配足机具设备、仪器仪表和车辆等资源。同时为提高工作效率和施工质量, 推广改进型工具。如采用工程放缆车, 提高电缆敷设效率及质量;应用轨道长度测量车, 提高轨道区段长度测量精度;应用带卡尺冲击钻, 严格控制轨道板钻孔精度。
1.3 强化培训考核, 提升人员素质
根据项目需求, 制定项目管理人员、现场技术人员、作业人员、劳务人员培训计划。通过邀请授课、观看视频、现场交流、实操考核等多种形式全面提高全员安全质量意识, 管理能力和操作技能, 为工程项目实施提供可靠保证。同时加大工程标准化管理的宣贯、培训和检查, 让“标准成为习惯, 习惯符合标准, 结果达到标准”成为每个员工的自觉行为。
注重效果考核检查, 开展“创双优”劳动竞赛, 按照考核管理办法兑现奖惩, 充分调动员工的积极性和工作热情。
2 确保工程建设高标准
2.1 认真筹划, 制定措施
把做好预想和谋划作为切入点, 一是组织技术人员结合企业积累的问题库和其他铁路建设经验, 提前制定措施;二是充分听取运营接管单位建议, 制定标准、优化方案;三是结合工程实际调查, 分析工程中存在的重点、难点和风险点, 有针对性地制定应对措施。
实际工作中, 执行标准化管理的统一要求, 采用模板化施工, 制作箱盒、应答器、补偿电容等轨旁设备安装模板, 统一安装标准和精度;提前与设计、站前单位、电力专业沟通与协调, 策划布线方案, 在过轨手孔井处增加隔板, 避免电缆交叉;在车站电缆引入前, 提前预想引入顺序及预留方式, 绘制布置图, 保证布放有序、整齐;针对交叉施工较多地段, 采用沙袋防护, 避免电缆损伤;针对室内侧面配线多, 使用便携式组合侧面穿线板和配线卡尺, 提高施工质量和工作效率。
2.2 坚持样板引路, 优化工艺标准
工程实施过程中, 按照施工标准规范, 结合实际, 在充分与设备接管单位沟通的基础上, 编制工程施工工艺标准及作业指导书。选取标准站进行设备安装首件定标, 通过综合评估审查, 确定施工工艺标准。标准确定后, 分为两步进行推广和强化, 首先组织作业人员分批到定标车站进行集中学习, 重点强调, 反复灌输, 确保理解充分, 其次开展实操培训考核, 提高操作水平, 将样板引路落到实处。
积极改进施工工艺, 每根电缆一次成端接地线单独平行引至地线排, 不进行绑扎, 利于导流散热;室内布线按功能进行分色配线, 便于故障查找。在电缆敷设中, 对站内槽道中的主干电缆每隔20 米悬挂去向标识, 便于故障维修查找。
3 确保工程建设高质量
3.1 强化接口管理, 为工程施工提供条件
依据施工调查、设计说明、施工图等资料, 编制工程接口方案。认真开展接口调查, 对室外接地端子逐点测试确认, 对预留的过轨手孔、锯齿孔、电缆槽道, 房建室内预留的沟槽管线进行逐点核对, 会同建设、监理单位盯控落实, 为通信信号施工创造条件, 赢得主动。
3.2 加强沟通, 积极满足维管需求
积极配合接管单位提前介入工作, 电务段技术人员充分沟通、通力协作, 对施工工艺改进优化, 确保工程产品利于维修、维护和设备安全可靠。
3.3 强化技术管理, 发挥集成优势
严格核对施工图纸, 结合现场调查情况, 对差、错、漏、碰等问题, 及时与设计单位沟通解决;严格进行逐级技术交底;对既有线施工及危险性较大, 技术复杂的分部分项工程, 编制专项施工方案。充分发挥系统集成优势, 组织专家及技术人员, 提前对既有设备进行调查, 了解现状, 会同相关方组织专题会议, 反复论证, 确定实施方案。方案实施前, 组织相关设备厂商对各系统软件进行测试, 确保软件及时准确发布。
3.4 强化安全管理, 保障稳定受控
建立以项目经理为核心的安全管理网络, 由决策层、管理层和操作层共同构成安全保障体系, 层层落实安全生产责任制, 逐级签订《安全责任书》, 提高全员安全生产责任意识, 保证压力等强传递。结合安全生产月和打非治违活动, 开展综合和专项检查, 强化安全法律法规培训, 重点加强劳务工安全管理, 严格持证上岗, 严格执行安全交底和监督检查制度, 保证项目安全管理稳定受控。
3.5 加强质量检查, 实施动态监控
制定质量检查计划, 严格执行“三检”制, 实施全过程动态质量管理, 加大质量专项检查力度, 室外重点对轨道孔倒角、室外设备接地、牵引回流、电缆损伤、轨旁设备限界、设备固定等进行检查, 室内重点对焊线、联锁试验、室内设备防雷接地等进行检查。对检查发现的问题建立“质量问题库”, 严格执行闭环管理。按期召开质量例会, 从技术、管理和安全等方面分析原因, 制定整改措施。注重施工过程记录, 工程实行质量卡片和实名制管理, 实现工程质量可追溯, 确保工程期到必成、成时必精。
4 结束语
混合信号集成 篇4
1 信号发生电路的分类、基本结构和 工作原理
1.1 信号发生器的分类
信号发生器的种类相当繁多,可广泛应用于电子信息、机械、交通、地质、航天航空等专业,在教学、科研、生产、工程等诸多领域应用非常广泛。从宏观上讲,一般可以分为通用和专用两大类。专用信号发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的。这种发生器的特性是受测量对 象的要求所制约的。如果信号发生器按其频率的高低,可分为 : 超低频信号发生器, 低频信号发生器,高频信号发生器,超高频信号发生器和微波信号发生器。按产生波形的不同,可分为 : 正弦波信号发生器, 脉冲波函数波信号发生器,任意波信号发生器。按调制方式的不同,可分为 : 调频信号发生器 (FM)、调幅信号发生器 (AM), 调相信号发生器 (PM),脉冲调制信号发生器。
1.2 正弦信号发生电路的基本结构
一般传统的信号发生器都采用谐振法,即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡,获得所需频率,但也可以通过频率合成技术来获得所需的频率。利用频率合成技术制成的信号发生器,通常被称为合成信号发生器。所谓频率合成技术就是指从一个高稳定和准确的参考频率源,经过技术处理,生成大量离散的频率输出。技术处理方法可以是传统的用硬件实现频率的加、减、乘、除基本运算,可以是锁相环技术,也可以是各种数字技术和计算技术。其参考频率可由高稳定的参考振荡器 ( 一般为晶体振荡器 ) 产生,所生成的一系列离散频率输出与参考振荡器频率有严格的比例关系。
1.3 正弦信号发生电路的工作原理
图1是文氏桥正弦波发生电路的工作原理图,整个电路主要由4个部分构成, 即放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节。在电路运行过程中,每一部分都有其各自的功能。其中,放大电路的主要功能是确保电路在运行过程中能够有从起振到动态平衡的过程中,使电路获得一定的幅值的输出量,最终实现对能量的有效控制。选频网络的主要功能是根据电路运行的实际需求,对其所涉及的振荡频率进行确定,确保电路所产生的正弦振荡处于单一的频率。正反馈网络主要是通过对正反馈的引入,使输入信号与反馈信号相同。而稳幅环节则主要是为了确保输出信号幅值的稳定。
在整体电路中,放大电路的负反馈主要构成部分包括运放单元、R1、R2、R3、R4、R5、R6的等效Rf电阻构成,在以上构成中部分中,R6主要指的是二极管的内阻。电路运行过程中,放大电路的放大倍数为Au=1+Rf/R5。选频网络的构成则是由、R6、R7、C1、C2构成,由于R6=R7、C1=C2,因此,我们可以将其分别用R和C来表示,那么,网络的特性频率关系式便可表示为 :f0=1/2πRC。而稳幅环节则由两个二极管构成,利用这两个二极管形成的并联电路,来对电路运行过程中涉及的输出电压的摆幅进行有效控制, 从而有效避免输出波形失真的现象发生, 确保输出电压的稳定性。
2 正弦信号发生电路运算放大器的设 计
运算放大器是正弦信号发生电路设计中的一个组成部分,为了能够确保运算放大器在电路系统中的作用能够得到充分发挥,在对其进行设计的时候,需要进行反复的仿真,并且对宽长比进行合理设计。
一般来说,在对文氏电桥振荡电路进行设计的时候,对于运算放大器的选择, 选用的基本都是CMOS运算放大器,这种运算放大器主要分为两级,第一级采用的主要是带有电源镜负载的N管输入型的差动对,第二级采用的则是工作在AB类的推挽式输出级,这种推挽式输出级不仅具有极好的线性度和更好的效率,而且还能够有效降低由于线路交叉而导致的失真现象发生,正因为如此,CMOS运算放大器具有很强的通用性。该运算器在使用过程中,由于第一级在Q4管子的栅极和漏极的交点处有一个镜像极点,且这个镜像极点离原点较近,因此,将会在一定程度上影响到放大器的稳定性。如果想要将这种影响降至最低,设计人员可以采用增加两极间补偿电容的方法,使运算放大器的增益交点逐步向原点移动,以此来增加带宽的宽度,本文在对电路运算放大器进行设计的时候,主要采用的是PMOS晶体管来替代线性电阻进行极零点抵消。该晶体管的具体原理是,将右半平面的零点移到左半平面,与第一非主极点相抵消,从而确保其工作的稳定性。
3 运算放大器模拟仿真结果
对运算放大器的模拟仿真,本文主要采取的是HSPICE模型,模拟仿真的结果主要为 :开环增益86dB,单位增益带宽12.2Meg,共模抑制比87dB,从模拟仿真的整体结果来看,与电路设计的要求相符。由此可见,这种模拟仿真是可行的。
4 正弦波发生器测试结果及分析
正弦信号发生器的电路设计主要由5个部分构成,即NMOS管、PMOS管、电阻、电容和二极管。这几个构成部分的选用数量分别为11、11、7、3、2。经过反复的SPOCE仿真及验证,所有MOS管的宽长比如表1所示。
本文定义f0=1.16kHz,中心电位2.5V, 通过多次仿真和验证,我们得到了正弦信号波形,如图2所示。从图中我们可以看出,从正弦波开始大声道信号幅值达到稳定需要经过一段时间,出现这种现象的原因主要是因为在电路设计中,采用了二极管限幅措施。从图中我们能看出来,这段时间大约在5ms左右,在电路设计的相关要求中,这段时间是满足要求的。这种文氏电桥结构的正弦信号发生电路能产生失真度小 ( 谐波失真约为115% )、幅值稳定、频率单一的正弦波。
5 结语
综上所述,目前正弦信号发生器的种类来看,主要有三种,即RC振荡器、LC振荡器和晶体振荡器。其中,LC振荡器和晶体振荡器对于整体电路都会产生不同程度的影响。因此,本文在对正弦信号发生器的电路进行设计的时候,主要采用文氏电桥结构的RC振荡器,这是因为该类型的RC振荡器信号失真度小、结构简单实用、易于集成。通过本文的模拟仿真结果我们可以看出,集成CMOS正弦信号发生器的电路设计符合要求,具有一定的
摘要：本文首先对正弦信号发生电路的工作原理进行介绍,并在此基础上通过模拟仿真来对电路运算放大器进行设计,最后对正弦波发生器的测试结果进行分析,以此来构建结构简单实用、波形良好的正弦信号发生器的电路设计。
混合信号集成 篇5
1、结构原理
MAX275内部的二阶有源滤波器如图1所示。由图可见，该电路采用4运放设计，运放、内部电容以及外接电阻构成级联积分电路，可同时提供低通和带通滤波输出。电路内部最后一级运放的输入端接有一个5kΩ电阻，其作用是避免外部寄生电容对内部积分电容产生影响。
由上图的内部结构方框图可得出MAX275每一部分二阶滤波电路的传递函数，作为低通滤波时，INPUT是信号的输入端，LPo引脚作为信号的输出端。传递函数如下：
2、MAX275的引脚功能和主要参数
引脚功能：
MAX275采用20脚DIP封装形式，引脚排列如图2所示。使用时只要根据相关公式计算出合适的外接电阻，经过简单的连接就能很好地满足设计要求。其主要引脚的功能如下(内部的两个独立二阶有源滤波器分别用A、B表示)：
V+，V-，：正、负电源输入端。INA, INB:信号输入端。LPIA, LPIB:低通滤波输入端。
LPOA, LPOB:低通滤波输出端。B PIA, B PIB:带通滤波输入端。
B POA, B POB带通滤波输出端。FCA, FCB:频率控制端。
主要性能参数
MAX275的主要性能参数如下:
·频率范围:100～300kHz;
·频率精度：±0.9%;
·频率精度温漂:-24ppm/℃;
·Q值温漂:38ppm/℃;
·宽带噪声：6u VRMS (1 Hz～10Hz), 42uVRMS (10Hz～10kHz) ;
·失调电压：士125mV(低通输出)，士50mV(带通输出);
·失调电压温漂：20u V/℃;
·谐波失真：-89dB (FTEST=1kHz)，-83dB (FTEST=10kHz) ;
·输出电压摆幅:±4.5V (RL=5KΩ) ;
·电源电压范围:-2.37V～十5.50V;
·工作温度范围:～40℃～85℃;
3、具体应用
考虑要分析到19次谐波, 设计通带截止频率设为2.5KHZ, 阻带截止频率为7.5KHZ的巴特沃斯低通滤波器。MAXIM公司提供了一套自动计算外部4个电阻阻值的软件。根据设计要求, 输入通带截止频率和阻带截止频率, 并选择巴特沃斯低通滤波器, 由软件设计可得出MAX275外部的4个电阻R1、R2、R3、R4的值。
在适当的范围内, 可以把截止频率取的大一些, 从而对于小于截止频率的输入信号的幅值的衰减尽量小。而当输入信号的频率大于截止频率时, 幅值迅速衰减。
加上模拟滤波器后, 相位的改变是不可避免的, 由于某一频率对应相位的偏移是固定的, 因而可以用软件根据传递函数对相位加以修正, 这样可以达到很高的精度。!!!!!!
摘要：本文介绍用集成滤波器组成的抗混叠滤波电路的结构原理及具体应用。
混合信号集成 篇6
随着城市化的逐步发展, 城市交通也发生了巨大的变化, 虽然新修建数条高速公路及普通道路, 但随着汽车的日益增长, 市区交通仍然变得十分拥挤, 而这些因素对人们的安全出行也带来很大隐患。各交通路口的信号灯作为交管部门管理交通的重要工具之一, 其合理使用可以为人们的安全出行提供保障。
交通信号灯主要由城市交通控制系统控制。现代城市交通监控指挥系统中的城市交通控制系统一个综合化的计算机道路交通管理系统, 其主要功能包括城市交通数据监测、交通信号灯控制以及交通疏导。在以计算机为主体的信息化交通管理系统中, 如何运用科学的控制方法对已建的城市道路结构进行优化调度, 缓解道路的交通拥堵状况, 越来越成为交通运输管理和城市规划系统亟待研究的课题。
数字电路具有逻辑性强和灵活性强的特点, 数字电路芯片只要在一定范围内输入, 都能得到稳定的输出, 调试起来比较容易, 电路工作也比较稳定, 所以被广泛用于各种领域。本文着重介绍运用数字集成电路进行控制的交通灯的设计思路。
1 交通灯的设计要求及总体方案
1.1 设计要求
主干道和支干道十字路口设置交通灯, 控制两条交叉道路上的车辆通行。
(1) 每条道路设1组由黄、红、绿灯组成的信号灯, 绿灯表示允许通行, 红灯表示禁止通行, 黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行, 而未过停车线的车辆停止。
(2) 当主干道绿灯亮时, 支干道红灯亮, 且主干道绿灯亮的时间不少于60s。
(3) 当主干道红灯亮时, 支干道绿灯亮, 且支干道绿灯亮的时间不超过30s。
(4) 每次变换通行车道前, 要求黄灯先亮5s。
1.2 总体方案
根据设计要求, 交通灯控制系统的组成框图如图1所示:十字路口交通灯工作状态数据由状态控制器进行监测记录, 通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯, 秒脉冲发生器产生整个定时系统时基脉冲, 通过减数计数器对脉冲减计数, 达到控制每一种工作状态的持续时间, 减数计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换, 同时译码器根据系统的下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值, 减计数器的状态由BCD译码器、数码管显示。
2 设计的主体内容
2.1 状态控制器的设计
(1) S0状态表示主干道绿灯亮, 支干道红灯亮, 60s定时开始计时, 且通车时间未超过60s。
(2) S1状态表示主干道通车时间已达到30s, 此时主干道黄灯亮, 支干道红灯亮, 5s定时器开始计时。
(3) S2状态表示主干道黄灯时间已超过5s, 此时, 主干道红灯亮, 支干道绿灯亮, 30s定时器开始计时。
(4) S3状态表示支干道通车时间已超过30s, 此时, 主干道红灯亮, 支干道黄灯亮, 5s定时器开始计时, 以后当支干道黄灯计时超过5s时, 接S0状态。
这四个状态可以用二进制编码表示, S0用00表示, S1用01表示, S2用10表示, S3用11表示, 其状态转换图2所示。
这是一个二位二进制计数器, 可采用中规模集成计数器CD4029构成状态控制器。CD4029是一种CMOS电路二进制/十进制可异步置数的可逆计数器, 若要实现多级级联, 只需将前级计数器的进/借位信号CO连到下级计数器控制端C1即可, CD4029可实现二进制/十进制的可进位, 可预置的加/减数。
状态器的脉冲可以用来自减法计数器的借位输出, 根据译码显示器的借位变化来改变状态器的输入, 控制状态器的输出。
由CD4029所组成的状态控制器如图3所示。
2.2 译码电路的设计
主干道上红、绿、黄信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态, 它们之间的关系见真值表, 如表1。对于信号灯状态, “1”表示灯亮, “0”表示灯灭, 两个方向的信号灯有4种输出状态。由真值表分析可以求出各信号灯的逻辑关系。
选用半导体发光二极管来模拟交通灯, 由于门电路的带灌电流的能力比一般带拉电流的能力强, 要求门电路输出低电平时, 点亮相应的发光二极管, 所以在状态输出端设置了与非门和非门, 以满足低电平的要求。状态译码电路如图4所示。
2.3 定时电路的设计
定时要求主干道绿灯显示60s, 支干道绿灯显示30s, 黄灯显示5s, 故需要一个能实现自动调节不同时间的定时器74LS245, 通过使能端和控制端可以控制不同数字的输出。预置到减数计数器的时间可以通过3片74LS245来实现, 3片74LS245的输入数据分别接入60、30、5这3个不同的数字, 74LS245的输出数据和减法计数器相连, 实现设计要求的计时时间。三片74LS245的输出与否由状态控制器来实现, 当状态控制器在S0 (Q2Q1=01) 状态S4 (Q2Q1=11) 状态时要求黄灯亮, 要求减法计数器从初始值5开始计时, 可以看出黄灯亮时Q1必须为1, 所以可以用Q1来控制接数字5的74LS245。当主干道绿灯亮时, 60s计数器开始计时, 由于74LS245的EN端接入低电平有效, 而信号灯也是接人低电平有效, 所以可以把74LS245的EN端与主干道的绿灯连接, 同理, 输入数据20的74LS245可以与支干道的绿灯信号相连, 74LS245的管脚图如图5所示。
它主要实现的是三态门的功能, 输出端除了有高电平和低电平两种状态外, 还有第三种状态高阻状态。其逻辑功能是:当使能控制信号EN=0时, 若DIR=1, 则数据传输通路为A到B, 若DIR=0, 则数据传输通路为B到A;而EN=1时, 无论DIR为何值, A、B之间均呈高阻状态。
定时器的减数器主要是由异步可逆二/十进制计数器来实现, 译码和显示电路主要是由74LS47和数码管来产生, 74LS47管脚图如图6所示。
2.4脉冲产生电路的设计
脉冲的产生电路主要是由555定时器产生的。555定时器是一种中规模集成电路, 只要在外部配上适当的几个元件, 就可以构成施密特触发器, 单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲与变换电路, 该器件的电源电压为4.5~16V, 驱动电流可达到200m A左右, 并且可以与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。
多谐振荡器是一种无稳态电路。对该电路通电后, 电路状态可以自动变换并且产生矩形波的输出。555定时器组成的的脉冲发生器如图7所示。
将以上各模块进行逻辑连接, 得到系统的电路原理图, 如图8所示。
将各单元部分按照电路图连接后, 进行各单元电路调试及整体调试, 并通过软件仿真验证, 完全达到设计要求。
数字集成电路具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、性能好等优点, 同时成本低, 便于大规模生产, 由数字集成电路控制的交通信号灯也会越来越广泛地使用。
参考文献
[1]李中发.数字电子技术[M].北京:水利水电出版社, 2001.
[2]时万春.现代集成电路测试技术[M].化学工业出版社, 2006.
[3]杨兆生.新一代智能化交通控制系统关键技术及其应用[M].北京:中国铁道出版社, 2008.
基于信息熵的混合信号分离 篇7
1 盲源分离的数学描述
设一组观测信号为,t为时间变量,其中每一个传感器接收到的信号都是原始信号向量tt)的线性混合。这里假设传输是瞬时的,即不同信号到达各个传感器的时间差别可以忽略不计,并且传感器接tt)收到的是各个原始信号的线性组合,则第i个传感器的输出可以表示为
其中,aij为混合系数。如果记A =(aij) ,上式可以用矩阵表示为
在实际问题中,混合信号X(t) 是可以观测到的,但是原始信号S(t) 和混合矩阵A一般不知道。盲源分离的任务就是,仅仅在假设各原始信号相互独立的条件下利用观测信号恢复出原始信号[2]。
2 基于信息熵的源信号估计
自从提出盲源分离的问题以来,学者们提出了多种处理方法,例如自然梯度法,基于非高斯性最大化原理的快速(FastICA)方法,基于累计量的联合近似对角化(JADE)方法,以及Givens旋转法等等,这些方法各有各的优缺点,这里不做详细介绍,该文主要介绍基于信息熵最大化的方法来实现混合信号中独立源的分离[3]。
2.1白化
为了便于处理,通常在分离之前将X(t) 作归一化处理,即使得每一个信号方差E[x2(t)]=1。由统计学的理论知道,独立信号必然是线性不相关的。因此可以首先考虑消除观测信号之间的线性相关性,实现初步的分离,这个过程称为白化。即寻找白化矩阵H ,使得Y(t)=HX(t) ,并且
这里I为单位阵。
为求出白化矩阵H ,先求出X的相关矩阵RX ,根据相关矩阵的性质可知,RX可以唯一地进行特征值分解(EVD)
其中,矩阵Λ是一个实对角矩阵,矩阵对角线上的元素λ1,λ2,...,λn为矩阵RX的所有特征值,而正交矩阵Q的列向量为与这些特征值对应的标准正交的特征向量[4]。然后取
式中
则H即为所求的白化矩阵,此时有
2.2最小化信息熵
Linsker在1988年提出的Informax(Information Maximization)算法是以信息熵作为独立型判据的。根据信息论的定义,信息熵是度量一个随机序列的无序性的指标,即:一个信号序列越混乱,信息熵就越大,反之信息熵就越小。Informax方法首先令U =WY ,再对每个分量作非线性变换zi=g(ui) 。然后不断调整变换矩阵W ,使输出结果Z的熵H(Z) 达到最小值,此时Y的各个分量相互统计独立[5,6]。选择下面的目标函数
式(5)中Py (Z) 是随机序列Z的概率密度函数。通常可取
式中p(ui) 是各信源概率密度函数的一个估计。将式(6)代入式(5)中,得
式中I(Z) 是信源Y的各分量的相互信息。从式(7)可以看出,当p(ui)=g′(ui) ,即信源估计密度等于非线性函数的导数时,H(Y)取得最小值。
由于
式(8)中
式(9)便是informax算法最初的优化算法公式。
3仿真结果
在本文中,选取了两个实际语音信号进行混合分离实验。图1是原始语音信号,选取混合矩阵,得到混合后的信号如图2所示。
利用本文提出的方法先对混合信号作白化处理然后进行分离,得到的结果如图3所示。
可以看出,除了符号存在差异以外,原始信号的波形等细节信息得到了很好的恢复。
4 结论
对于相互独立的源信号而言,只要其中最多只有一个是服从高斯分布的,理论上总是可以分离的。具体分离的效果要看源的独立性程度,因为严格来讲实际信号总是存在或多或少的相关性。在分离之前先进行白化处理去除混合信号的线性相关性,然后再通过最小化信息熵目标函数来去除白化信号的高阶相关性[7]。实验结果证明这一方法能够很好地分离混合信号,在语音分析,图像增强等领域有广泛的应用前景。
摘要：盲信号分离是一种从混合信号中分离出独立信号的有效方法。在源信号和信道均未知的情况下,只需要满足源信号相互独立这一条件即可分离。先通过白化去除混合信号之间的线性相关性,再通过最小化信号的信息熵,消除各信号之间的高阶相关性,从而达到分离的目的。