赞助单位：Analog Devices, Inc.（ADI）｜配套工具：ADALM2000 多功能口袋仪器、LTspice 仿真｜版本：V1.0（适配 B5 规格排版与印刷）

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本书以 ADI 高性能模拟/混合信号芯片为主线，结合 ADALM2000 与 LTspice，形成“理论—仿真—实测—竞赛/产品化”的闭环教学与训练体系。适用于高等院校电子类课程、电子设计竞赛训练营、以及工程师快速进阶的在岗学习。

学习路径：

1. 基础篇：夯实元器件与运放电路；
2. 电赛篇：面向 NUEDC 等竞赛的系统拆题与集成；
3. ADI 芯片应用篇：围绕典型器件族做深度应用；
4. 产品设计篇：以行业场景为导向，训练从方案到样机的全流程。

配套资源：

• LTspice 工程模板（含仿真参数、测点、Monte Carlo/温漂示例）；
• ADALM2000 测试脚本/波形设置建议；
• PCB 参考设计与 iBOM（示意）；
• 课堂讲义与任务卡模板；
• 实验评分 Rubric 与检查表。

教师可按“周学时 2×16 周”或“集中 5–7 天训练营”两种节奏采用，章节均附**课时建议**与**可删减模块**。

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• 本书按 B5 规格（176×250mm）排版，正文 9–10pt，图注 8pt；
• 图示/波形用“[图X-Y 占位]”与“[波形X-Y 占位]”标明，便于后期统一替换；
• 公式统一使用 LaTeX 语法；
• LTspice 工程命名规范：Chap##_Exp##_Topic_v#_YYYYMMDD.asc；
• ADALM2000 端口记号：W1/W2（AWG）、1+/1-、2+/2-（Scope）、DIO0..15（逻辑/触发）。

• 前言/导读/致谢/安全说明：10 页
• 第一部分 基础篇（约 90–110 页）
• 第二部分 电赛篇（约 70–80 页）
• 第三部分 ADI 芯片应用篇（约 70–80 页）
• 第四部分 产品设计篇（约 40–50 页）
• 附录与索引：20–30 页

说明：本 V1 提供全量正文框架与关键章节的**完整可用稿**（含实验步骤、参数计算、仿真脚本），其余章节给出“模板化展开段落 + 任务卡”，便于后续快速铺满插图与测得数据。

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学习目标：理解模拟与数字信号差异、模拟系统的关键指标（增益/带宽/噪声/线性度/动态范围）、设计流程与常用等效模型。

1.1 模拟电路概述与基本概念

• 模拟/数字信号本质区别与相互转换（ADC/DAC 门槛指标）[图1-1 占位：信号链鸟瞰图]
• 模拟链路关键指标：SNR、THD、SFDR、Noise Density、Offset/Drift、CMRR、PSRR [表1-1 指标与典型数值]
• 设计流程：需求→建模→器件初选→仿真→样机→实测→迭代→定型 [流程图1-1 占位]

1.2 常用元器件特性与选型

• R/C/L 的频率特性与寄生参数；容抗/感抗的 Bode 直觉 [图1-2/1-3 占位]
• 二极管/三极管的非线性、温度漂移；工作区与失真 [图1-4 占位]
• 选型清单：精密电阻（0.1%/25ppm）、C0G/NP0/ X7R 的取舍、屏蔽电感 Q 因子、肖特基/超快恢复二极管；
• 采购与二供策略（含失效替代）。

1.3 运算放大器原理与基本电路

• 宏模型与关键参数：GBW、Slew Rate、Input Bias/Offset、Noise（e{n}/i{n}）、Output Swing、稳定性裕度；
• 典型拓扑：反相/同相、求和/差动、积分/微分、缓冲器；
• 常见问题：振荡/饱和/爬升限幅/输入共模越界；
• 快速规则：噪声预算 √(∑e²)、RC 零极点布置、补偿电容经验值。

[小实验 A] 用 ADALM2000 验证运放饱和与恢复时间

• 器材：ADALM2000、面包板、通用双电源（±5\~±12V）或单电源 5V、运放（示例：低噪声高速/精密两型）、R/C 若干；
• 步骤：正弦/方波阶跃激励→观察输出饱和与恢复→估算 SR 与过冲；
• 记录：输入/输出波形截图、上升/下降时间、过冲百分比。

每个实验给出**目标—原理—参数计算—LTspice 仿真—ADALM2000 连接—实测步骤—数据记录表—误差分析—扩展任务**。

2.1 单级晶体管放大器设计与调试

• 目标：在 1 kHz\~100 kHz 内获得 ≥20 dB 增益，输出噪声最小；
• 原理：共射极增益 Av≈-gm·Rc，输入/输出匹配，温漂与偏置点稳定；
• 计算：静态工作点、耦合/旁路电容拐点 f_L；
• LTspice：AC/Tran/Noise 三类脚本；
• ADALM2000：W1 输入、1+/1- 观测，阶跃响应与幅频；
• [图2-1 原理图占位] [波形2-1/2-2 占位] [表2-1 记录表]

2.2 双电源反相比例与加法电路

• 设计 ① 反相 Av=-R_f/R_in；② 两路加法 Vout=-(Rf/R1)Vin1-(Rf/R2)Vin2；
• 失真与带宽的折衷，输入偏置电流补偿 Rb=R_in||R_f；
• 噪声估算与电源抑制实验。

2.3 双电源积分/微分电路

• 理想传函与实际补偿：在积分器并联 R、微分器串联 R 以抑制高频噪声；
• 方波输入→三角/尖峰输出的测量与频率依赖。

2.4 双电源有源低通/高通滤波器

• Sallen–Key 与多反馈（MFB）两方案，Q/增益/容差对幅相的影响；
• 目标：二阶 Butterworth/Bessel/Chebyshev 的差异；
• 任务：在 2 kHz 设计二阶 LPF（Butterworth），测量相位延迟与群时延。

2.5 单电源直接耦合放大器

• 轨到轨输入/输出与共模范围；
• 伪地（虚拟中点）电路与偏置网络。

2.6 单电源交流耦合放大器（两级 40 dB）

• 级间耦合与相位叠加，增益带宽预算；
• 抗饱和与限幅设计。

2.7 常见波形发生电路

• 弛张振荡器、文氏桥、三角/方波互变；
• 任务：生成 100 Hz\~10 kHz 正弦，THD <1%。

2.8 BTL 放大器

• 架构：差分驱动提升电压摆幅；
• 失调与热保护讨论。

2.9 电阻—电压变换器（R–V）

• 应用：阻值传感（热敏/光敏），线性化技巧；
• 任务：10 kΩ NTC 温度曲线的线性区标定。

2.10 电源电路（线性稳压、整流滤波）

• 纹波估算 ΔV≈I_load/ (C·f_rect)；
• 三端稳压器与 LDO 的 PSRR 与稳定性。

2.11 负载不接地式恒流源

• 镜像/Howland/跨阻方案比较；
• 任务：生成 1\~20 mA 可调恒流，验证负载悬浮。

2.12 V–F 变换器

• 频率输出便于抗干扰与远传；
• 线性度与温漂校准。

**章节末综合作业**：从 2.1–2.12 任选四项，串成“测量链路”（传感—调理—滤波—显示），输出性能报告与改进建议。

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• 3.1 题目分析与破题策略：题型分类、需求拆解、指标树与风险识别、时间盒管理；
• 3.2 高频/低频信号处理技巧：接地/走线/去耦/屏蔽、保护与容错、误差预算、模块接口标准化（电源、信号、时钟、校准）。

工具卡：

• 竞赛 BOM 模板（含二供/封装/在手库存/交期）、测试用例清单、版本里程碑看板。

4.1 单相功率分析：电压/电流采样、相位测量、功率因数与谐波； 4.2 宽带直流放大器：DC–100 kHz、漂移/噪声控制； 4.3 高效率开关电源：自举驱动、环路补偿、效率曲线与热测试； 4.4 程控滤波 + AGC：数字控制的可变中心频率与增益保持； 4.5 无线通信实验：FSK/ASK/简易接收前端； 4.6 电子秤：应变计桥路、低噪声放大、数字标定。

每个案例均含：**技术指标表、系统框图、关键电路、LTspice 验证、ADALM2000 测试方案、风险与备选设计**。

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5.1 家族概览：

• 运放：低噪声/低漂移/高速/低功耗/仪表放大器（含零漂与 chopper 特性要点）；
• 数据转换：ΣΔ/逐次逼近（SAR）/并行型 ADC，电压基准；
• 电源：LDO、DC-DC、隔离电源；
• 传感与接口：温度/加速度/隔离器（iCoupler）/接口收发器。

5.2 关键参数解读：

• 运放：输入噪声密度、1/f 角、CMRR/PSRR、输出驱动能力；
• ADC/DAC：有效位数（ENOB）、线性度（INL/DNL）、采样与前端驱动匹配；
• 电源：瞬态响应、负载/线性调整率、稳定区等效阻抗。

5.3 设计技巧：数据手册定位要点、典型应用电路读解、失效模式与调试流程、EMI/EMC 设计与布局。

5.4 实验任务：为后续第 6 章的器件实验做准备，完成器件“特性卡”的填写（参数、典型应用、注意事项）。

6.1 基于仪表放大器的精密测量（示例：AD620/同类 INA）

• 目标：对 1–10 mV 级差分信号实现 100–1000 倍放大，输出噪声最小；
• 设计：增益电阻计算、输入保护、电源与参考点；
• LTspice：噪声密度曲线、CM/DM 抑制仿真；
• ADALM2000：微伏级信号注入与均值/滤波测法；
• 扩展：温度漂移实验与多点校准。

6.2 高精度 ΣΔ ADC 多通道采集（示例：AD7124-4）

• 目标：4 路 RTD/桥式传感器同步采集；
• 前端：低噪声缓冲、抗混叠 RC、参考与激励；
• 数据链：采样率与数字滤波配置；
• 任务：完成 16–24 bit 档位下的有效噪声评估。

6.3 DDS 信号发生器（示例：AD9833/AD9834）

• 原理：相位累加器→查表→DAC→LPF；
• 设计：SPI 控制字、频率/相位/波形切换；
• 实测：相邻载波泄露、切换瞬态与残余杂散。

6.4 数字隔离在工业通信（示例：ADuM 系列）

• 器件栈：隔离电源 + 隔离 SPI/I²C/UART；
• 评估：共模瞬态抗扰（CMTI）、延迟与速率；
• 任务：搭建隔离式温度采样节点并评估地电位差影响。

• 工业传感器调理（热电偶/应变）：共模与微弱信号、抗噪与线性化；
• 医疗电子（ECG）：微伏级信号、右腿驱动、隔离与安全；
• 通信射频前端：混频器、LNA、PA 的指标与测试门槛；
• 新能源电源管理：MPPT、均衡与效率。

• 智能温控系统：传感→调理→ADC→PID→执行器；
• 便携式心电图仪：低功耗 + 高精度链路；
• 简易示波器：前端带宽/衰减/保护；
• 降噪耳机：前馈/反馈混合 ANC 结构；
• 稳压/稳流源：基准与放大器配对选择。

• 高压/市电相关实验须使用隔离变压器与漏保；
• 发热与静电防护（ESD）要求；
• 医疗相关电路仅限教学原理，不作为医疗器械。

[模板 T-1｜任务单]

• 目标指标：________
• 方案草图：[图T-1 占位]
• 关键参数与预算：GBW/噪声/带宽/动态范围/电源
• 器材：ADI 器件列表、ADALM2000、面包板/探头/电源
• LTspice：文件名、扫频/瞬态/噪声设定
• ADALM2000：W1/W2 设置、量测通道、采样率、触发
• 风险与备选：________

[模板 T-2｜数据记录表]

• 实测条件（温度/输入/负载）：_____
• 测点与读数：Vin、Vout、噪声 RMS、相位、群时延
• 误差分析：器件容差、仪表带宽、接地/耦合影响
• 结论与改进：_____

目标：截止 2 kHz，通带平坦，-3 dB 处拐点，通带内相位畸变可接受。 原理与设计：选 MFB 拓扑，归一化到 ω_c=2π·2k，设 Av=1；由标准系数得 R、C 比值。 参数计算：给出一组 E24 器件表与误差灵敏度分析； LTspice：AC 10 200k 100/dec，绘制幅相曲线、群时延；加入 ±5% 容差 Monte Carlo； ADALM2000：W1 扫频激励、1+/1- 测 Vout；记录 -3 dB 频点与滚降斜率； 结果记录：[表2-4-1]；思考：当 Av>1 时对 Q 的影响？ 扩展：设计 Bessel 与 Chebyshev，对比阶跃响应与相位线性度。

系统框图：[图6-3-1 占位：控制 MCU/SPI→AD9833→LPF→输出] 控制字：FREQ = round(2^28 * f_out / f_MCLK)；示例 f_MCLK=25 MHz； LTspice：用理想电压源 + 码本驱动 DAC 等效，LPF 用二阶 MFB，验证谐波与杂散； ADALM2000：W1 作为参考/调制源，Scope 观测切换瞬态；记录 SFDR 与频率步进的毛刺； 实验记录表：[表6-3-1] 频点：1/10/100/1000 kHz；波形：正弦/方波/三角； 扩展：串接可编程衰减与放大级，形成“教学用函数/扫频源”。

目标：量程 0–5 kg，分辨率优于 1 g； 前端：惠斯登桥→仪表放大器→ΣΔ ADC； LTspice：热噪声估算与带宽选择； ADALM2000：微小电阻不平衡注入法模拟负载； 任务：两点/三点标定曲线与非线性补偿。

A. 实验器材与工具清单：ADALM2000、BNC-鳄鱼夹、无源探头、稳压电源、面包板、焊台、热风枪、静电手环、常用 ADI EVAL 板等。 B. ADI 芯片选型指南与资源：运放（低噪声/低漂移/高速/轨到轨）、ADC/DAC（ΣΔ/SAR）、隔离、参考、电源；常见替代路径与注意事项。 C. LTspice 快速上手：下载与库管理、子电路与模型、参数扫描、Monte Carlo、温漂、脚本化测量；常见错误与排查。

关键词：增益带宽、SNR、THD、ENOB、DDS、ΣΔ、Howland、Sallen–Key、MFB、BTL、ADALM2000、LTspice、iCoupler、CMTI、PSRR、CMRR、群时延、AGC、MPPT、RTD、ECG 等。

注：后续版本将把所有“占位图/波形/表格”替换为真实的 LTspice 截图与 ADALM2000 实测图，统一编号与交叉引用；并附配套工程打包下载。