设计作业（电子专业）

一、供电电源电路设计

某一供电系统，采用电池供电，电池电压为3.6V，使用一段时间后，会逐渐下降到3.1V，低于3.1V认为电池耗尽。电路中要求两路电压供电，+3V/200毫安和－3V/20毫安，要求设计的供电电路，纹波尽量低，效率尽量高，尽量降低电源电路自身耗电。自己选择稳压芯片，画出电路图，给出所选择的芯片的主要参数，论述所设计的合理性和实用性。不允许使用专用DC—DC变换模块。

答：电路图如下所示：

LT3970作为稳压芯片。ICL7660将+3V芯片直接转化为-3V。

LT3970 是一款可调频率、单片式、降压型开关稳压器，可接受一个高达 40V 的宽输入电压范围，且仅消耗 2.5μA 的静态电流。芯片上内置了一个高效率开关和箝位二极管、升压二极管以及必需的振荡器、控制器和逻辑电路。低纹波突发模式操作在低输出电流条件下保持了高效率，并在典型应用中将输出纹波抑制在 5mV 以下。电流模式拓扑结构用于实现快速瞬态响应和上佳的环路稳定性。一个箝位二极管电流限值提供了针对短路输出和过压条件的保护作用。该器件提供了一个具准确门限的使能引脚，从而产生一个 0.7μA 的低停机电流。当 VOUT 达到编程输出电压的 90% 时，电源良好标记电路将发出指示信号。通过LT3970将3.6V电压转换为3V。

题目要求还要输出-3V电压，所以采用ICL7660将+3V芯片直接转化为-3V。 ICL7660是Maxim公司生产的小功率极性反转电源转换器。 ICL7660的静态电流典型值为170μA，输入电压范围为1.5-10V，效率高达98％，输出功率可达700mW，符合输出200mA的要求。

二、倍频电路设计：

在电力系统数据采集过程中，常用到倍频电路。电网频率的变化范围为48HZ~50HZ,将此信号倍频256。即设计一个电路，输入为48HZ~52Hz的峰峰值为5V的正弦波信号，输出为12.288K~13.312K的方波信号，要求画出原理图，对所用芯片功能以及所用电压要清楚描述。

答：电路图如下所示：

本电路采用了一片锁相环芯片CD4046、一片累加计数器CD4040、和一片LM339。CD4046是一种低频多功能单片数字集成锁相环电路，最高工作频率１ ＭＨｚ．A相电压经过电压比较器后得到与A相电压同步的50Hz方波，作为锁相倍频电路的输入信号进入锁相环芯片74HC4046的14号引脚，4 号引脚是74HC4046内部压控振荡器的输出端，其输出信号输入CD4040的10号引脚，进行256倍的倍频，其倍频信号从二进制计数器CD4040 的13号引脚输出又进入74HC4046的3号引脚，即比较信号输入端，74HC4046内部的相位比较器对两个信号进行相位比较后，从相位比较器Ⅱ的输出端13号引脚输入，再进入74HC4046的内部压控振荡器，作为其控制信号，从上述过程可以看到这是一个闭环控制系统，经过不断的调节，使输出信号频率为输入信号频率的256倍，并且使输入信号与比较信号的频差为零。

三、测量电路分析

上图为桥式压力传感器作为称重传感器。分析此图的工作原理。特别是集成电路 AD620和AD705的工作原理和作用。

答：电路中R1~R4组成了一个桥式压力传感器，其为硅基电阻式压力传感器。它采用腐蚀工艺在单晶硅片上制成硅杯，其中间部位即为硅膜片，当硅膜片受到压力作用时，电阻阻值放生变化。该传感器采用恒压源供电，且R2与R4组成的半桥和R1与R3组成的半桥的灵敏度不同，当有一定压力作用时，电阻值发生相应的改变，输出一定的电压差。两电压接到一起放大器AD60的2端和3端。因为AD620的电压增益为G=1+49.4k/RG，RG=499，所以G为100，即电压差经过AD620放大100倍，然后直接送到A/D转换器的输入端，转化为数字信号。电路中精密电源运算放大器AD705够成了一个电压跟随器，将1V电压缓冲后送到AD602的参考端及A/D转换器的模拟地，以完成电平配置。同时使参考端与和A/D转换器的模拟电位器随电源电压VCC变化而浮动，比直接接地有更好的电源抑制比和共模抑制比。A/D转换器将数值信号传给处理器，处理器根据电压差信号就可算出压力的大小。

四、恒流源电路工作原理分析

此图为恒流源电路，分析该电路的共作原理并推导I_in与R3、R4、R5的关系。并回答运放工作电压为什么选那么高？

答：AD780B为三端型电压基准，可以提供稳定的基准电压。电压输出端接两个电阻R3、R4，对电压进行分压，比较器;T1078的正输入端电压V+=Vout*R4/(R3+R4); 负输入端接到R5一端，其电压为V-=I_in*R5。I0与R1,R2,R5的关系为：Vout*R4/(R3+R4)= I_in*R5。当电流较小时，使V- I_in*R5时，比较器输出端为高电平，MOSFET

导通使电流稳定；当电流较大时，使V->V+，即Vout*R4/(R3+R4)< I_in*R5时，比较器输出端为低电平，MOSFET截止，使电流不能流过。最后使系统稳定，即使Vout*R4/(R3+R4)= I_in*R5。也就是比较器和MOSFET组成了一个电流负反馈，使电流稳定。LT1078的供电电压选高电压15V供电目的：一方面使MOSFET工作在线性变化区，另一方面也增加了MOSFET的门限电压，从而增加了恒流源的带负载能力。

五、AD应用系统设计

答：经过仔细分析，我发现可以有两种法案处理此题。一种是应用基准电压芯片，两一种不不用电压基准芯片：

1、 利用基准电压芯片： 电路原理图如下所示：

某系统需要对模拟信号进行AD转换器被测信号的变化范围为0~2V，近似直流，系统的供电电压

最高为5V。要求测量精度高于0.1%。试设计该AD测量系统，画出其原理图，包括AD和基准等。

利用上面第五题电路中的AD780B可以作为本AD采集电路的基准源。由于题目中要求精度在0.1%以上，因此所选用AD必须高于10位，又考虑到接线 SPI口接线简单的缘由，因此我选用AD7701，AD7701为十四位AD，串口输出。由于所测信号的电压变换范围为0—2V，而电源电压5V，为了保证测量进度，参考电压不易过高，因此AD780B的8脚悬空不接，则输出基准电压为2.5V。在信号输入端加一电压跟谁器，增加输入阻抗。AGND和GND相连。A/D转换器将数值信号传给处理器，处理器就可以算出电压值。

2、 不利用基准电压芯片：原理图如下所示：

本电路是参考上面第四题中的设计。利用AD705做电压跟谁器，然后直接接到AD转换器的AGND。这样才能保证所测参考电压不受电压波动的影响。比直接接地有更好的电源抑制比和共模抑制比。

六、滤波器的设计

Linear Technology公司的网站上下载软件FilterCAD，这是一款Linear Technology公司为它的开关电容集成电路系列和有源RC集成电路系列设计专用软件。FilterCAD具有设计和分析双重功能，设计者不仅可以根据设置参数得到所需的设计电路，还可以通过FilterCAD对电路进行分析，掌握设计的滤波器的传输函数、频域响应、时域响应。

采用的集成度较高的开关电容滤波器LTC1068-50CG。

LTC1068是Linear公司生产的4通道通用滤波器，4个通道都是低噪声、高精度、高性能的2阶滤波器，因此每个通道只要外接若干电阻就可以实现低通、高通或带通滤波器的功能[38]。其中芯片型号中的50是时钟输入频率和通带中心频率的比值，时钟输入频率由外部提供。

设计采用的是软件FilterCAD， FilterCAD能够设计具有各种响应（包括 Butterworth、Bessel、Chebychev、椭圆、最小Q值椭圆和定制响应）的低通、高通、带通和陷波滤波器。

本设计中采用的是最小Q椭圆响应的8阶带通滤波器，中心频率500HZ，带宽200HZ。其他条件自定。

写出设计过程，对重要的设置界面抓图，给出仿真波形图和原理图，和必要的步骤。

答：1：安装好软件后启动软件。进入模式选择，选择Enhanced design模式。 如下图所示：

2：点击NEXT。根据题目要求，选择最小Q椭圆响应的带同滤波器，中心频率为500HZ，带宽为200HZ。由于题目中没有要求截止带宽的大小，却要求是8阶滤波器。软件的设计时，滤波器阶数跟截止带宽的大小有关，经过初步试验，发现截止频带在430HZ到900HZ时，滤波器阶数位8阶。如下图所示：

3：为了达到较好的滤波效果我尝试了多个截止带宽数据。得到几个波形，如下所示：

350HZ截止带宽 500HZ截止带宽

700HZ截止带宽 800HZ截止带宽

4：比较几个波形图，发现500HZ时的滤波效果较好。因此，我选择500HZ的截止带宽。 点击

图标，选择LTC1068芯片。如下图所示：

5，生成波形图和芯片外围电路图。

波形图如步骤三所示，外围电路图如下所示：

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