显示页面 讨论 修订记录 反向链接 本页面只读。您可以查看源文件，但不能更改它。如果您觉得这是系统错误，请联系管理员。 # 新编模拟电路实验及应用（ADI 专项版） > 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） --- ## 前言（给读者、教师与竞赛选手） 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**。 --- ## 使用与排版说明 * 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）。 --- ## 全书导览与页配建议（约 300 页） * 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。 --- # 第一部分｜基础篇 ### 第 1 章 模拟电路基础（建议 20–24 页） **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。 --- ### 第 2 章 基础实验项目（建议 60–80 页） > 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。 --- # 第二部分｜电赛篇 ### 第 3 章 电赛核心技能（建议 20–24 页） * **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。 ### 第 4 章 典型电赛实验案例（建议 50–60 页） **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**。 --- # 第三部分｜ADI 芯片应用篇 ### 第 5 章 ADI 芯片技术解析（建议 20–24 页） **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）。 ### 第 6 章 ADI 芯片实验项目（建议 40–50 页） **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。 --- # 第四部分｜产品设计篇 ### 第 7 章 典型应用场景与电路设计（建议 30–36 页） * 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。 ### 第 8 章 综合案例（建议 20–24 页） * 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。 --- ## 安全与合规说明 * 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。 --- # 实验任务卡与记录模板（可复用） **\[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：\_\_\_\_\_ --- # 章节示例（完整可直接使用） ## 【完整稿例】2.4 二阶有源低通滤波器（Butterworth） **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。 ## 【完整稿例】6.3 AD9833 DDS 信号发生器 **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”。 ## 【完整稿例】4.6 电子秤（桥式传感 + 低噪声放大 + 数字标定） **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。 --- # 附录 **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。 --- ## 索引（草案） 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。