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    单片机学习模拟信号采样与AD转换经验分享

    作者:EEWORLD
    发表于:2019-10-09
    阅读:2910
    评论:0

     

    著名的Nyquist采样定理尽管大家都知道,但还是提一提。大牛奥本海姆的《信号与系统》中是这样描述的:Let x(t) be a band-limited signal with X(jw) = 0 for |w|> wM. Then x(t) is uniquely determined by its samples x(nT),n=1,±1,±2,...,if
    ws > 2wM where ws = 2 pi/T.Given these samples, we can reconstruct x(t) by generating a periodic impluse train in which successive impluse have amplitudes that are successive sample values. This impluse train is then processed through an ideal lowpass filter with gain T and cutoff frequency greater than wM and less than ws-wM. The resulting output signal will exactly equal x(t).

    来捋一捋,几个点: 带宽有限(band-limited)采样频率大于2倍信号最高频率后可以无失真的恢复出原始信号“实际中,信号往往是无线带宽的,如何保证带宽有限?所以,我们在模拟信号输入端要加一个低通滤波器,使信号变成带宽有限,再使用2.5~3倍的最高信号频率进行采样。关于此我们下面将模拟数字转换过程将会看到。

    虽说是不能小于等于2倍,但选2倍是不是很好呢,理论上,选择的采样频率越高,越能无失真的恢复原信号,但采样频率越高,对后端数字系统的处理速度和存储要求也就越高,因此要选择一个折中的值。

    如果后端数字信号处理中的窗口选择过窄,采样率太高,在一个窗口内很难容纳甚至信号的一个周期,这从某方面使得信号无法辨识。比如,数字信号处理的窗口大小为1024个点,采样率为50KHz,则窗口最多容纳1024*(1/50KHz)=20.48ms的信号长度,若信号的一个周期为30ms>20.48ms,这就使得数字信号的处理窗口没法容纳一个周期信号,解决的办法就是在满足要求的前提下使用减小采样率或增加窗口长度。“模数转换”记得有一次参加中科院计算所的实习笔试,里面就有这么一道题:模拟信号转换到数字信号要经历哪两个步骤?还好,早有准备,立刻填上了采样和量化。我们下面就来详细分析下这两个过程,但在分析之前,我们先给出一张整个过程的流图,您可以先想想为什么需要各模块。

    程控放大器我们实际中的模拟信号都是通过传感器采集进来的,做过单片机的人应该熟知DS18B20温度传感器,不好意思,那是数字传感器,也就是说人家做传感器的时候把AD转换也放到传感器里面了。但这并不是普遍的情况,因为温度量是模拟信号中最容易测量的量了,而大多数的传感器并没有集成AD转换过程,如大多数的加速度传感器、震动传感器、声音传感器、电子罗盘,甚至有的GPS(别懵了,GPS也算是一种传感器哦)等,都是模拟输出的。而且由于物理制作的原因,传感器返回的电信号非常微小,一般在几mV(如果是电流,也一般在几mA),这么微弱的信号,如果经过导线或电缆传输很容易就湮灭在噪声中。因此,我们常常见到模拟传感器的输出线都会使用套上一层塑胶的线,叫屏蔽线(如图)。


    屏蔽线只能保证在信号传输到系统之前受到的干扰最小,但信号仍要经过处理才能为数字系统使用。在模拟信号(尤其是高频信号)的输入端首先要使用低噪声放大器对信号进行放大,这个放大器有特殊的要求,一定是低噪声,我们已经知道,模拟信号信号已经非常微弱,如果放大器还存在一定的噪声,在噪声叠加之后放大出来的信号可能已经不再是原信号了。既然说到低噪声,那么低噪声是如何衡量的呢?这可以通过放大器噪声系数(NF)来定,
    噪声系数定义为放大器输入信号与输出信号的信噪比。其物理含义是:信号通过放大器之后,由于放大器产生噪声,使信噪比变坏;信噪比下降的倍数就是噪声系数。噪声系数通常用dB表示,实际中除了考虑低噪声系数外,还要考虑放大器的带宽和频率范围以及最重要的放大增益。由于输入信号的强度可能时变,采用程序可控(程控)的放大增益保证信号能达到满度而又不会出现饱和(实际中要做到这一点还是很难的)。

    低通滤波器在Nyquist采样定理中已经提过,要满足采样定理必须要求信号带宽有限,使用大于2倍的最高信号频率采样才能保证信号的不混叠。低通滤波器的一个考虑就是使信号带宽有限,以便于后期的信号采样,这个低通滤波器是硬件实现的。另一方面,实际情况中我们也只会对某个频频段的信号感兴趣,低通滤波器的另一个考虑就是滤波得到感兴趣的信号。比如,测量汽车声音信号,其频率大部分在5KHz以下,我们则可以设置低通滤波器的截止频率在7KHz左右。

    程控的实现方法就是使用模拟通道选择芯片(如74VHC4051等)。

    NOTES:

    有关滤波与程控的电路设计请参考文献[1].

    在采样之前的所有电路实现方案叫信号调理电路。这样,我们就可以根据这个词到处Google/Baidu文献了。采样及采样保持采样貌似有一套完整的理论,就是《数字信号处理》书中的一堆公式推导,我们这里当然不会那么去说。其实采样最核心的问题就是采样率选择的问题。根据实际,选择频率分辨率df选择做DFT得点数N,因为DFT时域点数和变换后频域点数相同,则采样率可确定,Fs=N*dfFs是否满足Nyquist的采样定理?是,OK,否则增加点数N,重新计算2。我们希望df越小越好,但实际上,df越小,N越大,计算量和存储量随之增大。一般取N为为2的整数次幂,不足则在尾端补0。

    这里给出我的一个选择Fs的方案流程图,仅供参考。
    采样后还有一个重要的操作是采样保持(S/H)操作,采样脉冲采样后无法立刻量化,这个过程要等待很短的一个时间,硬件上一般0.几个us,等待量化器的量化。

    注意,在量化之前,所有的信号都是模拟信号,模拟信号就有很多干扰的问题需要考虑,这里只是从总体上给出我对整个过程的理解。更多细化的方案还需要根据实际信号进行研究。量化我们可以先直观的看一下量化的过程,

    量化有个关键的参数,叫量化位数,在所有的AD转换芯片(如AD7606)上都能看到这个关键的参数,常见的有8bit,10bit,12bits,16bit和24bit。


    如上图,以AD7606为例,AD7606是16bit的AD芯片,量化位数指用16bit来表示连续信号的幅值。因此,考虑AD的测量范围(AD7606有两种:±5V和±10V),则AD分辨率是±5V: (5V-(-5V)) / (2^16) = 152 uV±10V: (10V-(-10V)) / (2^16) = 305 uV量化位数越高,AD分辨率越高,习惯上,AD分辨率用常用LSB标示。

    因此,AD7606中对于某个输入模拟电压值,因为存在正负电压,若以0V为中间电压值,范围为±5V时AD转换电压可计算为

    AD7606若使用内部参考电压,Vref=2.5V。哦对了,这又出现个参考电压。参考电压与AD量化的实现方式有关,从速度上分串行和并行,串行包括逐次逼近型,并行方式包括并行比较式,如下图(左:串行,右:并行)。AD7606是使用逐次逼近型的方式。


    AD转换芯片另外两个重要参数是转换时间(转换速率)。并行AD的转换速率比串行的要高。但并行比较的方式中电阻的精度对量化有影响。

    接着,我们还将介绍一个重要的概念:量化噪声。量化噪声对应量化信噪比,SNRq = (6.02N + 4.77) dB其中N为量化位数,且不去管这个公式是怎么得到的(详细推导可参考文献[2]),对于N=12, SNRq ≈ 70dBN=16, SNRq ≈ 94dB从中可以看出:每增加1bit量化位数,SNRq将提高6.02dB,在设计过程中,如果对方有信噪比的要求,则在ADC选型时就要选择合适位数的ADC芯片。明显的,并不是量化位数越高越好,量化位数的提高将对成本、转换速度、存储空间与数据吞吐量等众多方面提出更高的要求。同时,我们尽量提高量化噪声的前提是信号的SNR已经比较低了,如果信号的SNR比量化噪声还高,努力提高量化噪声将是舍本求末的做法。到最后,给点福利吧,下面是我参考AD7606数据手册设计的原理图,经过实践检验可用:

     

     

     

    以上就是100唯尔教育网(100vr.com)小编为您介绍的关于单片机学习的知识技巧了,学习以上的单片机学习模拟信号采样与AD转换经验分享知识,对于单片机学习的帮助都是非常大的,这也是新手学习信息技术所需要注意的地方。如果使用100唯尔教育还有什么问题可以点击右侧人工服务,我们会有专业的人士来为您解答。

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    电视调谐器是电视接收终端中的重要器件,俗称高频头。普通电视调谐器是以模拟的方式完成接收放大、选通、变频、图声解调的过程,若其中有畸变和失真,会使接收的图像和伴音质量变差。 高频头分为机械调谐和电调谐两类。早期电视机使用机械调谐比较普通,它是采用鼓形开关或者转盘式开关来换接线圈,从而实现频道转换的,并且采用微调电容或者微调电感的方法来实现频率微调。由于机械调谐体积大、且易磨损、寿命短,已逐步被电调谐所取代。 电调谐是利用变容二极管的结电容随其反向偏压变化而变化的特点。让它充当调谐回路的可变电容,使用连续可调的直流电压改变变容二极管的结电容来达到回路的调谐。 今天100唯尔教育就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下调谐器的相关知识。 一、维修要点: 当出现无图像与伴音故障现象时,如果屏幕噪点很大,且遥控器可以正常操作,可以怀疑调谐器系统故障,但这时应首先检查收视调节情况及调谐器接脚电压和信号供给情况。前项指收视国家制式设置,声音制式设置等;后项指:①供电电压,即+9V、+5V、+30V(注意BVL、BVH、BU脚无供电);②I2C连接情况,有的机型是三线,有的机型是两线,有的接线之间有隔离器件。其次应检查微电脑电路,涉及的电路有:①存储器工作状态判断;②AFC反馈信号达到MPU;③视频同步信号(知晓收到信号)到达MPU。上述检查全都正常,才可判断调谐器本体故障,予以调换。 二、具体操作步骤: 1.检查天线,检查天线连接是否正常 2.检查天线插头,检查插头是否正常,用万用表测量或用良好的天线代替。 3.检查调频器各引脚信号,在正常收视情况下检查调谐器各引脚信号,如果天线正常而图像伴音不正常,怀疑调谐器有故障,可先测量各引脚电压信号。收不到信号时,应检测TV端,在搜索信号过程中用直流检测TV端的直流电压。 以上,就是100唯尔教育关于调谐器的部分内容了。 获取VR仿真课程 长按识别下方二维码,下载APP之后注册就可以购买平台VR仿真课程。 方法2、在电脑上下载100唯尔教育网桌面客户端后注册使用教学云平台资源。 因为虚拟现实仿真操作实训算力要求,建议使用独立显卡的PC端学习。

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    彩色电视机电源电路是采用开关式稳压电源电路.开关稳压电源电路大致分为并联型和串联型两大类,一般的开关电源是由振荡电路、稳压电路、保护电路三大部分组成。 1、振荡电路:开关电源振荡电路分为晶体管振荡电路和集成块振荡电路。 2、稳压电路:开关电源的稳压原理均采用脉冲调宽式的稳压方式,即通过自动改变开关功率管的关闭和导通时间的比例,或通过改变振荡器输出脉冲的占空比来达到稳压的目的.稳压部分的电路由取样、比较、控制三个部分组成。 3、保护电路:彩电开关电源都设有保护电路,其保护方式均是使电路停振.有过流保护、过压保护和欠压保护(短路保护),还有过热保护。 今天100唯尔教育小编就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下电视电源电路维修的相关知识。 开关电源损坏后,大多都可独立进行维修,将负载全部断开,在主负载供电组电源上带一只220V40W的灯泡作假负载,并采用低压供电安全方式,即将供电电源经一自耦式变压器降至70V左右进行维修,这种维修方法可完全避免了因电路存在隐患而再度损坏元件的现象,一般正常的开关电源(并联式),在70V左右的供电压就能正常起振工作,慢慢调整自耦变压器的输出电压,开关电源的输出电压都应固定在其预设的电压值上不变,如果开关电源的输出电压随输入电压的变化而变化,则表明其稳压部分电路有问题.;如果没有电压输出则表明振荡电路部分有问题. 第一种情况:以并联型光耦控制稳压式开关电源为例,其维修方法.当开关电源不能正常稳压时,第一步是要确认引起故障的部位,简单快捷的方法是:将光耦件热地端的两控制脚短路,如果电路进入停振状态,则表明故障在取样比较部分电路,取样比较电路有问题多半是比较IC和光耦件损坏所至(比较IC损坏多数会引起光耦件同时损坏),如果是控制电路问题,如控制晶体管损坏,在晶体管的代换上一定要注意晶体管的参数。 第二种情况:电路不起振,当确信供电电压正常时,首先检查启动电阻(即跨接在311伏电源与主振功率管基极之间的电阻是否开路或变直,另外要考虑到不起振是否是由于保护电路动作所引起,如STRS6309的第6脚电压(正常为0V),STR50213的第5脚(正常时100V左右)TEA2261的第3脚(正常时为0V),TDA4601的第5脚等等,如果是保护电路引起停振,一般在开机的瞬间电路能正常起振,可通过此点来进行判别,另外当控制电路有问题(如控制管击穿)也会引起电路停振.其实开关电源电路是比较简单的电路,只要分清主振电路,保护电路和比较稳压电路三者的联接关系,维修起来就觉容易了。 另外,开关电源的主振功率管因其集电极是感性负载,所以主振管工作时,其集电极将要承受8-10倍于电源的脉冲电压,为此在电路上加入了吸收电路,(并于振荡变压器初级绕组的电容和电阻串联支路)和在主振管集电极与地之间并接的电容,这些元件的作用与行输出级的逆程电容有相似的作用.当这些元件有问题时,极易损坏主振功率管,此点需引起注意. 以上,就是100唯尔教育关于电视电源电路的部分内容了。 获取VR仿真课程 长按识别下方二维码,下载APP之后注册就可以购买平台VR仿真课程。 方法2、在电脑上下载100唯尔教育网桌面客户端后注册使用教学云平台资源。 因为虚拟现实仿真操作实训算力要求,建议使用独立显卡的PC端学习。

    SMT产线中最重要的设备,操作简单有手就行,是真的吗?

    主板或PCB板承载了21世纪的大部分用途,是电子产品,手机,计算机,笔记本电脑,电子表,运动手表,由板计算的内部信息,使用贴片机来完成生产任务,这不仅提高了我们SMT的效率,还降低了生产成本和生产时间。有人说,国产贴片机的操作方式基本都是傻瓜式操作,极其简便易懂。车间内可以随意指派一位工人即可完成整条SMT操作。称得上“有手就行”,这是真的吗? 今天100唯尔教育小编就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下贴片机的相关知识。 一、如何操作 SMT贴片机正式开始生产:选择让机器自动运行,此时机器处于等待状态,等待着生产线上机器的印制线路板传送输入,印制线路板进入机器之后,机器自动生产,生产完成后,进行确定,如果贴装有误,进行数据修改。 SMT贴片机结束工作停止:待贴片机生产完成后选择停止生产,然后进行退出,等待机器回到原点之后,在进行关机。 二、如何保养 1.打开贴装机的电源前,查看下列项目: ①温度和湿度:温度在20℃~26℃之间,湿度在45~70%之间。 ②室内环境:要求空气清洁,无腐蚀气体。 ③确信传输导轨上、贴装头移动范围内没有杂物。 ④查看在固定摄像机上没有杂物,镜头是否清洁。 ⑤确信在吸嘴库周围没有杂物。 ⑥检查吸嘴是否脏,是否变形,清洗或更换吸嘴。 ⑦检查编带供料器是否正确地安放在料站中,确信料站上没有杂物 ⑧查看空气接头,空气软管等的连接情况。 2.打开贴装机的电源后,检查下列项目: 如果贴装机的情况或运行不正常,在显示器上会显示错误信息提示。 ①在启动系统后,检查菜单屏幕的显示是否正常。 ②按下“Servo”开关后,指示灯应变亮。否则关机后重新启动,再将其打开。 ③紧急开关能否正常工作。 ④检查贴装头是否能正确地返回到起始点(源点)。 ⑤检查贴装头移动时,有无异常的噪音。 ⑥检查所有贴装头吸嘴的负压是否均在量程内。 ⑦检查PCB在导轨上运行传输是否顺畅。检查传感器是否灵敏。 ⑧检查边定位、针定位是否正确。 以上,就是100唯尔教育关于贴片机的部分内容了。 获取VR仿真课程 长按识别下方二维码,下载APP之后注册就可以购买平台VR仿真课程。 方法2、在电脑上下载100唯尔教育网桌面客户端后注册使用教学云平台资源。 因为虚拟现实仿真操作实训算力要求,建议使用独立显卡的PC端学习。

    自动化趋势来临,五轴加工中心怎么选,怎么维护保养

    五轴加工中心有各种各样的结构,机床的结构设计从基础上决定了设备的性能,决定了机床的刚性、加工精度、稳定性、可操作性等等。CNC设备的正确操作和维护保养能够防止机床非正常磨损,避免机床突发故障。对机床的精心维护保养,可以保持机床加工精度的长期稳定,延长机床使用寿命。 今天100唯尔教育小编就结合100唯尔教育相关VR仿真课程来介绍下五轴加工中心的相关知识。 一、选择五轴加工中心有哪些要素? 1.结构决定设备性能 主要应考虑以下方面: 1)线性轴在移动时不合并叠加 2)切削回路短的设备刚性好 3)倾斜旋转轴是否是DD马达 4)是否为5轴联动 5)5轴接近性 2.工艺支持 五轴加工中心的加工工艺决定了能否最大化发挥设备的性能。比如使异形刀具,可使得加工效率得到大幅度提升。 3.旋转中心校正 因环境和温度变化等导致的旋转中心变化,会影响五轴加工精度,应能通过探头自动进行校正,3轴/分度/5轴加工精度验证加工,接刀误差

    PCB不可缺少的关键电镀技术,直接影响电镀铜层的质量,你了解吗?

    PCB伴随着的电子产品的技术高速飞跃,HDI产品、平板电脑产品、手机产品一系列的线路板朝着高密度、高集成、细线路、小孔径、轻薄化方向高速发展,线路层的线宽、间距要求越来越小,线路的精密度要求也越来越高。硫酸铜电镀在PCB电镀中占着极为重要的地位,酸铜电镀的好坏直接影响电镀铜层的质量和相关机械性能,并对后续加工产生一定影响,因此如何控制好酸铜电镀的质量是PCB电镀中重要的一环,也是很多大厂工艺控制较难的工序之一。 今天100唯尔教育小编就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下电镀铜的相关知识。 一、酸性镀铜原理 电镀就是利用化学电解原理,在特定的金属表面上镀上一薄层特定的金属或合金的过程。酸性镀铜又叫牺阳极法镀铜,电镀时,镀层金属Cu为阳极,阳极Cu得到两个电子被氧化成阳离子进入电镀液;PCB板为待镀的金属制品做为阴极,电镀液中的Cu2+阳离子在PCB板Cu金属表面失去两个电子被还原形成Cu。 电镀铜层具有良好的导电性、导热性和机械延展性等优点,是印制电路板(PCB)制造中不可缺少的关键电镀技术之一。 印制电路板电镀铜有全板镀铜、图形线路镀铜和微孔制作镀铜等,常用的镀液有硫酸盐镀液、焦磷酸直镀液和氰化物镀液,而目前比较常用的是酸性硫酸盐镀液。 二、工艺流程: 浸酸→全板电镀铜→图形转移→酸性除油→二级逆流漂洗→微蚀→二级→浸酸→镀锡→二级逆流漂洗→逆流漂洗→浸酸→图形电镀铜→二级逆流漂洗→镀镍→二级水洗→浸柠檬酸→镀金→回收→2-3级纯水洗→烘干。 1.浸酸 浸酸的目的是除去板面氧化物,活化板面,一般浓度在 %,有的保持在10%左右,主要是防止水分带入造成槽液硫酸含量不稳定。 在操作中,要注意控制浸酸时间,不可太长,以防止板面氧化。对于酸液,在使用一段时间后,如酸液出现浑浊或铜含量太高时应及时更换,防止污染电镀铜缸和抄板板件表面。浸酸用的硫酸一般应选用CP级硫酸。 2.镀液配制 酸性硫酸铜镀液具有分散能力和深镀能力好、抄板电流效率高、成本较低等优点,使其在印制板制作中的应用非常广泛。酸性硫酸盐铜镀液一般由硫酸铜(CuSO )、硫酸(H2SO )、盐酸(主要作用是氯离子Cl-)和有机添加剂等组成。硫酸铜是主盐,是溶液中Cu2+离子的主要来源,配制时要注意控制硫酸铜浓度。 以上,就是100唯尔教育关于电镀铜的部分内容了。 获取VR仿真课程 长按识别下方二维码,下载APP之后注册就可以购买平台VR仿真课程。 方法2、在电脑上下载100唯尔教育网桌面客户端后注册使用教学云平台资源。 因为虚拟现实仿真操作实训算力要求,建议使用独立显卡的PC端学习。

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