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楼主: yyp20034

[制作] 做一个USB接口的万用表模块

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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:18:29 | 显示全部楼层
DFSDM(数字滤波器,用于∑∆调制器)是一种创新的嵌入式外设,可用于一系列STM32微 控制器(参见 表 1 :适用产品 ),对于处理外部模拟信号的应用尤为重要。
虽然DFSDM是纯数字外设,但它可以支持各种外部模拟前端。通过将模拟前端部件(∑∆ 调制器)保持在微控制器外部,用户可以根据应用要求(模拟量程、噪声、采样速度)灵活 选择模拟属性。
来自Σ-∆调制器的原始转换数字数据由DFSDM外设(数字滤波)进行处理。DFSDM配置足 够灵活,可支持各种转换数据属性:输出数据宽度、输出数据速率、输出频率范围。
从应用的角度来看,带有外部模拟前端的DFSDM就像一个ADC转换器。DFSDM中还提供ADC 的典型附加功能,如模拟看门狗、极值检测器和偏移校正。
参考: [TUTORIAL] 在本文档中,[TUTORIAL]指的是以Microsoft® Excel®工作簿形式提供的 DFSDM模拟器,可以使用带有关键字“DFSDM_tutorial”的主页搜索引擎, 可从官方下载。
1 使用DFSDM的A/D转换原理概述
本文档支持基于Arm®(a)的设备。
1.1 使用DFSDM的A/D转换基础概念 使用DFSDM的模数转换基础框图请参见 图 1。
外部∑∆调制器将模拟信号转换为数字1位流(DATA和CLK信号),从而对外部模拟信号 进行处理。1位流是逻辑1和0的快速串行线流:DATA信号由CLK(时钟信号)采样。在足 够长的持续时间内计算的这些逻辑1和0的平均值表示模拟输入值。取平均值周期的持续时 间决定了模拟输入信号捕获的精度。

由STM32微控制器DFSDM外设(DFSDM =数字滤波器,用于∑∆调制器)对1位流取平均 值。DFSDM获取并处理1位数据流(数字滤波,取平均)。DFSDM以低于输入1位流的数据 速率、更高的分辨率输出数据样本。DFSDM数字滤波器设置定义输出分辨率和数据速率。

1.2 ∑∆调制器

DFSDM外设需要一个外部模拟前端,用于执行模拟信号源的A/D转换。该外部模数转换在∑ ∆调制器中执行。

∑∆调制器包含1位(b)A/D转换器,后者将输入模拟数据进行数字化处理,转换为串行数 字数据流。对模拟输入进行采样,并将其转换为具有交替的0和1的1位数字数据流。在给 定时间间隔期间计算的数字流的平均值,表示在相同时间间隔期间输入模拟信号的平均值。

∑∆调制原理可以表示为特殊的PWM调制,其中,周期和占空比都将进行调制(但周期是 固定的,按照典型的PWM调制方式对占空比进行调制)。参见 图 2和 图 3,了解PWM和∑∆ 调制之间的比较结果。

接下来,STM32微控制器DFSDM外设对输出∑∆调制器的数字数据流进行处理。DFSDM使用 需要根据应用要求而配置的参数,执行数字过滤。
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:19:46 | 显示全部楼层
设计运放或其他精密模拟电路时,设计师应避免使用劣质的无源器件,事实上,不合适的无源器件可能使最好的运放或数据转换器表现很差。
    尽管已经花费巨资购买了精密运放或数据转换器,但是当把器件插入电路板时,会发现无法达到性能要求。可能是电路的温度漂移较大、频率响应差、出现振荡或或者仅仅是无法达到期望的精度。因此,在怀疑器件性能前,应仔细检查无源器件,包括电容、电阻、电位计和印制电路板(PCB)。在这些方面,即使是误差、温度、寄生参数、器件寿命或用户装配的微小差别,都可能影响电路性能。而这些参数又是制造商不常给出的。
  通常,如果12位以上精度的A/D换器或价格较贵的运放,就必须注意无源器件。对于12位的DAC来说,其1/2LsB仅为满量程的0.012%(或122ppm)。而一大批无源器件积累的误差圆圆超过该值。但是,即使购买最贵的无源器件也无法解决该问题。通常,使用一个合适的价格为25美分的电容就能获得较高的性能,并且比高级器件的性价比更高。尽管理解和分析无源器件的难度很大,但这是重要的基本技能。
在整个前端模拟电路设计的过程中,最主要的矛盾是电阻,如果电阻控制不好,整个万用表基本上是失败的。
电阻是影响增益最关键的元器件,影响电阻稳定性的两大考虑点:第一电阻的温度系数,第二:电阻的功率系数。
诚然,电阻的绝对温度系数并不那么重要,处于增益关联的电阻只要能同步变化才好,这里面最关键的是,如何控制增益关联电阻具有相同的温度系数以及相同的温度?
电阻的功率系数往往被忽略,关联的电阻上压降是不一样的,自然各自的功率也不会一样,这就会产生温度梯度,
请注意这两个指标,这将会影响这个电路的设计。
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:20:17 | 显示全部楼层

先看看电阻的温度系数引起的误差的来源和原理
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:20:48 | 显示全部楼层
再看看由于功率导致的偏差
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:21:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 yyp20034 于 2020-2-13 17:25 编辑

请注意印制板引线电阻带来的误差,以及电阻的温度回扫现象。
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:25:53 | 显示全部楼层
关于精密电阻更详细的论述的帖子,请查阅本论坛中《精密电阻排行榜》,我借用一下里面的图片。
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:26:58 | 显示全部楼层
不得不说的热电效应
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:28:18 | 显示全部楼层
以下摘自《OP放大电路设计》
更多图片 小图 大图
组图打开中,请稍候......
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:31:02 | 显示全部楼层
这就是我们将要达到的噪声控制水平
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 楼主| 发表于 2020-2-13 17:35:02 | 显示全部楼层

内部表现的噪声
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