【TI首届低功耗设计大赛】微型LCR测试仪-硬件篇之五

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【TI首届低功耗设计大赛】微型LCR测试仪-硬件篇之五 [复制链接]

           本篇是微型LCR测试仪硬件篇的第五部分，主要讲测量电路与功能实现。
           下面是电路框图
           
          其实条理非常清楚，需要采集电压和电流两个信号，按照不同的档位进行放大后送入ADC进行采集。
          最上面一部分是I-V转换，也就是平时所讲的电流转换器或者电流放大器，利用运放的虚短，在LC端建立虚拟地，通过运放的负反馈在量程电阻上重建等比例于电流的电压信号，这一部分是设计的重点也是难点，负反馈的稳定性和这一级的噪音水平将直接制约LCR的性能，一般在这一级选用的运放要求Ib较小，合适的带宽和极低的噪音，且要有较大的相位裕度，并分别在每一个量程电阻进行相位补偿，闹不好震荡了就不好玩了，并且在PCB布线上使用如等电位屏蔽等方式，降低漏电，合理的地平面铺设可以有效的降低噪音。例如这次的微型LCR设计，实体量程电阻最大只有10kohm，在测量几十Mohm信号时，电流信号幅度甚至只有uV级，后面将会有几百倍的增益，如果噪音不能得到有效控制，将和有效信号一起得到放大，测试效果可想而知。
        中间一部分是主测量电路，电压和电流信号分别通过各自的差分放大器得到有效信号，预放大器是由类似仪表放大器的结构组成，负责在同一档位内，电流和电压放大倍数差异较大时，进行第一级放大，以降低第二级PGA的放大倍数，提高系统稳定性。PGA是一片高精度可编程增益放大器，不需要外置电阻，可以得到较好的共模抑制比。通过合理的规划档位和PGA，可以使各档位取得合适的电压范围，最大限度得利用ADC的测试范围。其实在表的设计之初，430的资料看得少了，对于这样采集关于虚地点对称的正弦信号，应该用MSP430 ADC的差分方式的......这次用的是单端方式，专门搞了一个测量虚地点的ADC通道，然后用CPU减掉虚地值，得到正负对称的测量值.....再后面是一个二阶的滤波器和推动ADC的缓冲器。当然，滤波器的设计可不是三言两语说的完的，这里一般只需注意带宽选取，保证信号在平坦的通带内即可，板子上用的是0603的封装，要求滤波电容必须为NPO，这样可选的电容范围很窄，一般要用稍大些的电阻配合小的电容，但小的电容又要注意布PCB的分布参数对电容值的影响，总之，是个纠结的问题，必须实际调试
        最后一个就很简单啦，0.5VCC，虚地点。
        画PCB的时候，这里并没有严格的区分数字地与模拟地，两者公用一个大的地平面，重要的信号线走线时，注意所经过路径一个不要靠近高频率的线路，在一个要保证这条线下方是完整的地平面，如果有铺地，尽量使铺地能够将这条线无中断的包围起来，或者，在这条线周围画一圈地线。曾经见安捷伦用过一种挺极致的办法，线路走在内层，这一层相邻两层全部铺地，然后在这条线两边栅栏一样打了n多过孔，即在板子上形成了一种类似屏蔽线的效果，注意过孔间隔和信号线最高频率对应波长的关系。总之，“地”很重要，尤其对于这种既有频率，信号幅值又特别特别小的电路。
       下图是反相二阶低通滤波器的计算公式，过程就不一步步写了，结论可以直接使用，给大家参考
        

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好了，硬件篇到此结束了，谢谢大家的关注啦！

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a828378 发表于 2014-12-1 02:20
确实要给楼主点个赞。这个作品设计面比较广。也比较符合一个FRAM控制器的设计风格。低功耗，单片集成，具有 ...

这个机器实际上是充分发挥了430作为混合信号处理器的优势，整个板子上只有一个单片机是数字芯片，其余全部都是模拟的放大器，滤波器之类，但是这样的组合也可以工作的很好
老兄所言极是，低功耗是个很有技术含量的工作，这个机器主要在模拟部分费电，全速测量的时候从电池输出的电流达到了15mA，如果测试端短路甚至会达到19mA，目前的想法还是准备进一步提升硬件电路性能，提高稳定性，这样用较少的测量次数做平均滤波就可以达到同样的稳定性，就可以尽可能地延长系统休眠时间。现在的做法主要是在一个大周期测量完成后，关断模拟部分供电，在计算快结束时，再上电。
另外这里用的LDO是比较老的型号，回头还要再多关注下最新的产品。

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huixianfxt 发表于 2014-11-30 10:22
建议每人发一个，东西很不错呢！

我争取多搜集材料，多做几个

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zca123 发表于 2014-11-30 10:13
质量挺高的，建议颁个大奖

多谢老兄的支持！！！