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ADI《模拟对话》合订本2015-2016

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ADI《模拟对话》

ADI《模拟对话》合订本2015-2016

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模拟对话合订本20152016 Analog Dialogue Analog Dialogue Analog Dialogue Analog Dialogue 现实世界信号处理电路系统和软件技术交流论坛 2015年第49卷第1期 现实世界信号处理电路系统和软件技术交流论坛2015年第49卷第2期 现实世界信号处理电路系统和软件技术交流论坛 2015年第49卷第3期 现实世界信号处理电路系统和软件技术交流论坛 2015年第49卷第4期 2 3 11 15 21 25 31 编者寄语新产品简介 基于FPGA的系统提高电机控制性能 IC上电和关断 在仅有零点电阻和电容可调节的情况下设计PLL环路滤波器 在Xilinx FPGA上快速实现JESD204B 射频集成电路的电源管理 为逐次逼近型ADC设计可靠的数字接口 2 3 9 12 16 19 24 编者寄语新产品简介 MEMS IMU陀螺仪对准基础 多功能:困境抑或现实 低功耗同步解调器设计考虑因素 无烦恼,高增益:构建具有纳伏级灵敏度的低噪声仪表放大器 射频采样ADC输入保护:这不是魔法 利用电容数字......

《模拟对话》合订本2015-2016 Analog Dialogue Analog Dialogue Analog Dialogue Analog Dialogue 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛 • 2015年第49卷第1期 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛•2015年第49卷第2期 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛 • 2015年第49卷第3期 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛 • 2015年第49卷第4期 2 3 11 15 21 25 31 编者寄语;新产品简介 基于FPGA的系统提高电机控制性能 IC上电和关断 在仅有零点电阻和电容可调节的情况下设计PLL环路滤波器 在Xilinx FPGA上快速实现JESD204B 射频集成电路的电源管理 为逐次逼近型ADC设计可靠的数字接口 2 3 9 12 16 19 24 编者寄语;新产品简介 MEMS IMU/陀螺仪对准基础 多功能:困境抑或现实? 低功耗同步解调器设计考虑因素 无烦恼,高增益:构建具有纳伏级灵敏度的低噪声仪表放大器 射频采样ADC输入保护:这不是魔法 利用电容-数字转换器检测液位 2 3 10 13 19 22 27 编者寄语;新产品简介 快速通往量产的四个步骤:利用基于模型的设计开发软件无线电,第一部分——ADI/Xilinx SDR快速原型开发平台及其能力、优势和工具 能量采集功率转换的最新进展 用于高温电子应用的低功耗数据采集解决方案 分析、优化和消除带VCO的锁相环在高达13.6 GHz处的整数边界杂散 交错ADC揭秘 零漂移放大器:现可轻松用于高精度电路中 2 3 8 11 16 19 26 编者寄语;新产品简介 快速通往量产的四个步骤: 利用基于模型的设计开发软件定义无线电 第二部分——利用MATLAB和Simulink进行S模式检测和解码 ESD二极管用于电压箝位 快速通往量产的四个步骤: 利用基于模型的设计开发软件定义无线电 第三部分——利用硬件在环验证S模式信号解码算法 带可调输出共模的多功能、精密单端转差分电路提升系统动态范围 快速通往量产的四个步骤: 利用基于模型的设计开发软件定义无线电 第四部分——利用Zynq SDR套件和Simulink代码生成工作流程快速完成原型开发 新型、完整、高分辨率、多功能、双极性DAC: 易于使用的通用解决方案 analog.com/zh/analogdialogue analog.com/zh/analogdialogue analog.com/zh/analogdialogue analog.com/zh/analogdialogue 第49卷第1期 第49卷第2期 第49卷第3期 第49卷第4期 Analog Dialogue Analog Dialogue Analog Dialogue 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛 • 2016年第50卷第1期 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛 • 2016年第50卷第2期 现实世界信号处理电路、系统和软件技术交流论坛 • 2016年第50卷第3期 2 3 8 11 17 23 26 编者寄语;新产品简介 集成多路复用输入ADC解决方案减轻功耗和高通道密度的挑战 ADI公司数据转换器产品在线评估工具Virtual Eval使用指南 为GSPS或RF采样ADC供电:开关与LDO 铁氧体磁珠揭秘 RTD比率式温度测量的模拟前端设计考虑 有源滤波器中的相位响应(第3部分)—带通响应 2 3 8 13 17 20 编者寄语;新产品简介 精密ADC用滤波器设计的实际挑战和考虑 用过压故障保护模拟开关代替分立保护器件 采用MEMS陀螺仪的低噪声反馈控制设计 运算放大器输入过压保护:箝位与集成 电磁流量计:设计考虑和解决方案 2 3 7 14 17 21 28 编者寄语;新产品简介 最新RF DAC拓宽了软件无线电的应用视野 数字下变频器的发展和更新——第一部分 GSPS ADC开拓多频段接收机的新疆域——第一部分 ADC中的集成式容性PGA:重新定义性能 零中频的优势:PCB尺寸减小50%,成本降低三分之二 射频收发器为航空航天和防务应用提供突破性的SWaP解决方案 2016年第50卷第4期 获取工学新动态,激发设计新思路! 4 运算放大器上电时序控制不当:风险分析 10 21 36 41 运用非色散红外(NDIR)实现完备的气体传感器电路 数字下变频器的发展和更新—第二部分 PLC DCS模拟输入模块设计突破通道间隔离和密度障碍 新一代SAR ADC解决精密数据采集信号链设计的难点 27 全自动自校准电导率测量系统 analog.com/zh/analogdialogue analog.com/zh/analogdialogue analog.com/zh/analogdialogue 请访问 analog.com/zh/analogdialogue 第50卷第1期 第50卷第2期 第50卷第3期 第50卷第4期 《模拟对话》(Analog Dialogue)是ADI公司的技术杂志。 主要讨论关于模拟、数字和混合信号处理的产品、应用、技术及技巧。 获取工学新动态,激发设计新思路! www.analog.com/cn/analogdialogue 目录 为逐次逼近型 ADC 设计可靠的数字接口 .................................................................................................................................... 4 射频集成电路的电源管理 .............................................................................................................................................................. 8 在 Xilinx FPGA 上快速实现 JESD204B ...................................................................................................................................... 14 在仅有零点电阻和电容可调节的情况下设计 PLL 滤波器 ....................................................................................................... 18 基于 FPGA 的系统提高电机控制性能 ........................................................................................................................................ 24 IC 上电和关断 ............................................................................................................................................................................... 32 利用电容-数字转换器检测液位 ................................................................................................................................................... 36 射频采样 ADC 输入保护:这不是魔法 ...................................................................................................................................... 39 无烦恼,高增益:构建具有纳伏级灵敏度的低噪声仪表放大器 ............................................................................................ 44 低功耗同步解调器设计考虑因素 ................................................................................................................................................ 47 MEMS IMU/陀螺仪对准基础 ...................................................................................................................................................... 52 多功能:困境抑或现实? ............................................................................................................................................................ 58 交错 ADC 揭秘 ............................................................................................................................................................................. 61 零漂移放大器:现可轻松用于高精度电路中 ............................................................................................................................ 66 分析、优化和消除带 VCO 的锁相环在高达 13.6 GHz 处的整数边界杂散 ............................................................................ 70 用于高温电子应用的低功耗数据采集解决方案 ........................................................................................................................ 73 四个步骤快速投入生产:针对软件定义无线电使用基于模型的设计 .................................................................................... 79 能量采集功率转换的新进展 ........................................................................................................................................................ 86 ESD 二极管用于电压箝位 ........................................................................................................................................................... 89 快速通往量产的四个步骤:利用基于模型的设计开发软件定义无线电 ................................................................................ 92 快速通往量产的四个步骤:利用基于模型的设计开发软件定义无线电 ................................................................................ 97 带可调输出共模的多功能、精密单端转差分电路提升系统动态范围 .................................................................................. 102 新型、完整、高分辨率、多功能、双极性 DAC:易于使用的通用解决方案 ..................................................................... 105 快速通往量产的四个步骤:利用基于模型的设计开发软件定义无线电 .............................................................................. 110 集成多路复用输入 ADC 解决方案减轻功耗和高通道密度的挑战 ........................................................................................ 117 ADI 公司数据转换器产品在线评估工具 Virtual Eval 使用指南 ............................................................................................. 122 铁氧体磁珠揭秘 .......................................................................................................................................................................... 125 为 GSPS 或 RF 采样 ADC 供电:开关与 LDO ........................................................................................................................ 131 有源滤波器相位响应 .................................................................................................................................................................. 137 RTD 比率式温度测量的模拟前端设计考虑 ............................................................................................................................. 141 用过压故障保护模拟开关代替分立保护器件 .......................................................................................................................... 144 精密 ADC 用滤波器设计的实际挑战和考虑 ............................................................................................................................ 149 采用 MEMS 陀螺仪的低噪声反馈控制设计 ............................................................................................................................ 154 运算放大器输入过压保护:箝位与集成 .................................................................................................................................. 158 电磁流量计:设计考虑和解决方案 .......................................................................................................................................... 161 数字下变频器的发展和更新—第一部分 .................................................................................................................................. 172 最新 RF DAC 拓宽了软件无线电的应用视野 ......................................................................................................................... 179 ADC 中的集成式容性 PGA:重新定义性能 ............................................................................................................................ 183 GSPS ADC 开拓多频段接收机的新疆域—第一部分 .............................................................................................................. 187 零中频的优势:PCB 尺寸减小 50%,成本降低三分之二 ..................................................................................................... 190 射频收发器为航空航天和防务应用提供突破性的 SWaP 解决方案 ....................................................................................... 197 完整的采用非分散红外(NDIR)技术的气体传感器电路 .......................................................................................................... 200 运算放大器电源上电时序导致的风险分析 .............................................................................................................................. 209 全自动自校准电导率测量系统 .................................................................................................................................................. 215 数字下变频器的发展和更新——第二部分 .............................................................................................................................. 222 新一代 SAR ADC 解决精密数据采集信号链设计的难点 ....................................................................................................... 228 突破 PLC DCS 多通道模拟输入通道间隔离、高密度和 EMI 高辐射的设计障碍 ............................................................... 234 为逐次逼近型 ADC 设计可靠的数字接口 作者:Steven Xie 共享 简介 逐次逼近型模数转换器(因其逐次逼近型寄存器而称为 SAR ADC)广泛运用于要求最高 18 位分辨率和最高 5 MSPS 速率的 应用中。其优势包括尺寸小、功耗低、无流水线延迟和易用。 主机处理器可以通过多种串行和并行接口(如 SPI、I2C 和 LVDS) 访问或控制 ADC。本文将讨论打造可靠、完整数字接口的设计 技术,包括数字电源电平和序列、启动期间的 I/O 状态、接口时 序、信号质量以及数字活动导致的误差。 数字 I/O 电源电平和序列 多数 SAR ADC 都提供独立的数字 I/O 电源输入(VIO 或 VDRIVE), 后者决定接口的工作电压和逻辑兼容性。此引脚应与主机接口 (MCU、DSP 或 FPGA)电源具有相同的电压。数字输入一般应 在 DGND − 0.3 V 与 VIO + 0.3 V 之间,以避免违反绝对最大额定 值。须在 VIO 引脚与 DGND 之间连接走线短的去耦电容。 采用多个电源的 ADC 可能拥有明确的上电序列。应用笔记 AN-932《电源时序控制》为这些 ADC 电源的设计提供了良好的 参考。为了避免正向偏置 ESD 二极管,避免数字内核加电时处 于未知状态,要在接口电路前打开 I/O 电源。模拟电源通常在 I/O 电源之前加电,但并非所有 ADC 均是如此。请参阅并遵循数据 手册中的内容,确保序列正确。 启动期间的数字 I/O 状态 为了确保初始化正确无误,有些 SAR ADC 要求处于某些逻辑状 态或序列,以实现复位、待机或关断等数字功能。在所有电源 都稳定之后,应施加指定脉冲或组合,以确保 ADC 启动时的状 态符合预期。例如,一个高脉冲在 RESET 上持续至少 50 ns, 这是配置 AD7606 以使其在上电后能正常运行所必须具备的 条件。 在所有电源均完全建立之前,不得切换数字引脚。对于SAR ADC, 转换开始引脚CNVST可能对噪声敏感。在图 1 所示示例中,当 AVCC、DVCC和VDRIVE仍在上升时,主机cPLD拉高 CNVST。这 可能使 AD7367 进入未知状态,因此,在电源完全建立之前,主 机应使 CNVST 保持低电平。 图1. 在电源上升时拉高 CNVST 可能导致未知状态。 数字接口时序 转换完成之后,主机可以通过串行或并行接口读取数据。为了 正确读取数据,须遵循特定的时序策略,比如,SPI 总线需要采 用哪种模式等。不得违反数字接口时序规范,尤其是 ADC 和主 机的建立和保持时间。最大比特率取决于整个循环,而不仅仅 是最小额定时钟周期。图 2 和下列等式展示了如何计算建立和 保持时间裕量。主机把时钟发送至 ADC 并读取 ADC 输出的 数据。 图2. 建立和保持时序裕量。 模拟对话 49-01,2015 年 1 月 4 tCYCLE = tJITTER+ tSETUP + tPROP_DATA+ tPROP_CLK + tDRV + tMARGIN tCYCLE:时钟周期 = 1/fCLOCK tJITTER:时钟抖动 tSETUP:主机建立时间 tHOLD:主机保持时间 tPROP_DATA:从 ADC 到主机的传输线路的数据传播延迟 tPROP_CLK:从主机到 ADC 的传输线路的数据传播延迟 tDRV:时钟上升/下降沿后的数据输出有效时间 tMARGIN:裕量时间大于等于 0 表示达到建立时间或保持时间要 求,小于 0 表示未达到建立时间或保持时间要求。 主机建立时间裕量 tJITTER = 1 ns。主机 SCLK 的工作频率为 30 MHz,因此, tCYCLE = 33 ns。 tSETUP_MARGIN= 33 ns − 1 ns – 5 ns – 7 ns – 11 ns – 7 ns = 2 ns tHOLD_MARGIN= 11 ns + 7 ns + 7 ns – 1 ns – 2 ns = 22 ns 建立时间和保持时间裕量均为正,因此,SPI SCLK 可以在 30 MHz 下工作。 tMARGIN_SETUP = tCYCLE, MIN – tJITTER – tSETUP – tPROP_DATA – tPROP_CLK – tDRV, MAX 图4. DSP 和AD7980 之间的数字接口。 建立时间等式以最大系统延迟项定义最小时钟周期时间或最大 频率。要达到时序规格,必须大于等于 0。提高周期(降低时钟 频率)以解决系统延迟过大问题。对于缓冲器、电平转换器、 隔离器或总线上的其他额外元件,把额外延迟加入 tPROP_CLK 和 tPROP_DATA。 类似地,主机的保持时间裕量为 tMARGIN_HOLD = tPROP_DATA + tPROP_CLK + tDRV – tJITTER – tHOLD 保持时间等式规定了最小系统延迟要求,以避免因违反保持时 间要求而出现逻辑错误。要达到时序规格,必须大于等于 0。 ADI公司带SPI接口的许多SAR ADC都是从 CS 或CNV的下降 沿为MSB提供时钟信号,剩余的数据位则跟随SCLK的下降沿, 如图 3 所示。在读取MSB数据时,要使用等式中的tEN而非tDRV。 图3. AD7980 3 线 CS 模式下的SPI时序。 因此,除了最大时钟速率以外,数字接口的最大工作速率也取 决于建立时间、保持时间、数据输出有效时间、传播延迟和时 钟抖动。 在图 4 中,DSP主机访问 AD7980 处于 3 线 CS 模式下,其中, VIO = 3.3 V。DSP锁存SCLK下降沿上的SDO信号。DSP的额定 最小建立时间为 5 ns,最小保持时间为 2 ns。对于典型的 FR-4PCB板,传播延迟约为 180 ps/in。缓冲器的传播延迟为 5 ns。 CNV、SCLK和SDO的总传播延迟为 tPROP = 180 ps/in × (9 in + 3 in) + 5 ns = 7 ns。 数字信号质量 数字信号完整性(包括时序和信号质量)确保:在额定电压下 接收信号;不相互干扰;不损坏其他器件;不污染电磁频谱。 信号质量由多个项定义,如图 5 所示。本部分将介绍过冲、振 铃、反射和串扰。 正脉冲波形 图5. 常用信号质量规格。 反射是阻抗不匹配导致的结果。当信号沿着走线传播时,每个 接口处的瞬时阻抗都不相同。部分信号会反射回去,部分信号 会继续沿着线路传播。反射可能在接收器端产生过冲、欠冲、 振铃和非单调性时钟边沿。 过冲和欠冲可能损坏输入保护电路,或者缩短 IC 的使用寿命。 图 6 所示为 AD7606 的绝对最大额定值。数字输入电压应在 –0.3 V 和 VDRIVE + 0.3 V 之间。另外,如果振铃高于最大 VIL 或 小于最小 VIH 可能导致逻辑误差。 绝对最大额定值 除非另有说明,TA = 25°C。 参数 AVCC 至 AGND VDRIVE 至 AGND 模拟输入电压至 AGND 数字输入电压至 DGND 数字输出电压至 GND REFIN 至 AGND 输入电流至任何引脚(电源引脚除外) 额定值 –0.3 V 至+ 7 V –0.3 V 至 AVCC + 0.3 V ±16.5 V –0.3 V 至 VDRIVE + 0.3 V –0.3 V 至 VDRIVE + 0.3 V –0.3 V 至 AVCC + 0.3 V ±10 mA 图6. AD7606 的绝对最大额定值。 模拟对话 49-01,2015 年 1 月 5
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