今天給大家分享一個好玩的小玩意兒，也是未來文章中出現的?？?。在我短暫的開發生涯中，我知道了基礎學科的專業性，就是在理論的指導下實際的實驗才會可能正確。我承認我是一個理論的巨人，實踐的矮子，但是不妨礙我現在開始長。

我隨便給一個三極管的輸出曲線，搞電子的都不陌生，但是我問你，這個就是數據手冊上面花的圖， 你有幾個人是用示波器，穩壓電源真實的看到了這些物理現象？估計沒幾個吧？因為搭建一個測試的平臺是需要不少的設備和精力要在里面的。這就是模擬電路的難處，我現在隨手和你聊起這些基礎的東西，各個電阻的計算，你肯定說不過我，但是我就是搭不好一個模擬電路，我知道它應該是這樣的，但是它卻是哪樣的。

前一段時間寫過一個很短的文章，叫學會尊重工程。

“工科理科化”不僅讓學生養成了遠離工程不愛動手的習慣，更糟糕的是我們還喪失了對工程的興趣。變得“只會紙上談兵，也更喜歡紙上談兵”。學生大一、大二階段課程中的理論知識量比較大，依賴短期記憶、通過考試拿到學分的學生，三個月左右就會將前一學期的大部分課程知識忘掉。 當他們大三、大四尋找這些知識的用途時，早已忘得干干凈凈?！昂芏鄬W校甚至鼓勵學生從大一大二就開始準備考研，工科考研側重基礎理論，不考察動手實踐能力，進一步加劇了理科化趨勢。”工科生的研究能力越來越停留在“仿真層面”。工程師要學會造物，工程包含知識，但不是一個知識體，工程是一個過程，是個迭代變化的過程。工程做到深處，總是要依靠理論知識和對事物的洞察力。最重要的收獲，是逐漸學會尊重工程。

在一個月以前研究三極管的時候就看到了一個叫ADALM2000的各種電子學實驗，但是2K的價格直接就把我勸退了，然后找了一下發現便宜一些的平替。

還是讓我說明一下這個東西是什么吧。

ADALM1000是一款學習工具，旨在讓你與周圍世界的互動更加輕松、直觀。它提供兩個模擬通道，允許你獲取和測量電壓或電流波形，輕松表征任意系統的電壓與電流、隨時間和隨頻率的關系。為了提供此功能，它使用了許多構建塊來采用USB的固定電源和數字接口，并提供 0 至 5 伏 ( V )、-200 至 200 毫安 ( mA ) 的電壓和電流操作，具有精確度和精度。精度優于 100μV、100μA 和 10μS。 經濟實惠的儀器結合了分析儀、發生器、曲線追蹤器和電流/電壓系統的功能。提供對工程環境中使用的真實電路和概念的分析能力。免費提供在線實驗室和課程，供教育工作者和學生掌握困難的工程概念。結構化的實踐活動可以激發和加速學習，并培養對基本工程概念的興趣。幫助培養職業發展所需的批判性思維技能。 總結一下就是一個ADC+DAC，然后搭配一些比較強大的上位機，我最心動的地方在于，它里面的所有東西都是開源的，從硬件到固件。

固件一角

還有官方支持的MATLAB，簡直高興的要死，高級的包都可以使用起來

這些東西簡直比我撿錢了都開心，我就是想知道這么復雜的測量系統是如何構建的，而且在上下位機之間是如何工作的，我太想知道了。

看著這些復雜的芯片就激動的不行

這是它的一些參數

內部

密密麻麻的芯片

這個東西可以研究的方面有，這個硬件本身的設計，固件設計，上位機設計，以及各種器件之間的實驗。

今天的時間有限，我就想簡單的說下本身的硬件配置。太有學習的必要了、

電源

USB規范（可從USB 實施者論壇獲?。┦且环?600 多頁的文檔，描述了 USB2.0 設備理想操作的各個方面。 它要求連接的設備從所提供的電源中消耗的電流小于 500mA，允許的范圍從高達 5.25v 到低至 4.40v - 對于精密工具來說，如此寬的跨度顯然是不可接受的！ 此外， USB端口上的可用功率在電氣噪聲和電氣保護方面可能存在很大差異。連接到共享USB總線的不合格設備可能會給電源電壓帶來數十甚至數百毫伏的噪聲。 制作不良的計算機可能無法處理USB上的過流情況總線上的任何操作都不僅僅是立即完全關閉電源，或者更糟糕的是，永久禁用USB端口。如果在舊計算機上使用 M1k 會降低測量的準確性，那將是不幸的；如果在設備正常操作過程中出現錯誤導致所連接的計算機面臨損壞或丟失數據的風險，那將是不可接受的。 為了解決這些問題并為模擬前端提供受保護的低噪聲電壓電源，設計了一個復雜的供應鏈，以確保無論輸入如何，輸出端均可提供完整的 0-5v 范圍，并且無論短路或過壓，設備，主機 PC 不會面臨不可接受的風險。M1K 電源鏈總共由三個線性穩壓器、兩個開關穩壓器、一個“熱插拔”控制器和一個精密基準電壓源組成。USB總線的原始 5V 電源首先用于向微控制器提供 3.3V 電壓，該電壓是使用ADP7118固定電壓線性穩壓器生成的。該穩壓器及其提供的微控制器始終處于開啟狀態，因為微控制器負責向主機請求可用的全部 500mA 電流。 設備枚舉后，使用ADM1177熱插拔控制器啟用模擬前端，從而可以正常開啟電源部分的其余部分以及過流（短路）保護。ADM1177監視 0.1 歐姆電流檢測分流電阻器上的壓降并控制 N-FET 功率晶體管的柵極。當熱插拔控制器的使能引腳被驅動為高電平時，它會以外部電容器確定的速率將電流泵入開關晶體管的柵極，直到晶體管的柵極遠高于輸入電壓，并且晶體管動作作為具有固定（?。╇娮璧拇撾娮?。ADM1177持續監控分流電阻，當分流電阻兩端的壓降增加到超過 100mV（相當于 1A），持續時間超過 C11 的 100nF 定義的 270μS 時，ADM1177軟啟動引腳和地，電路板模擬部分的電源被禁用。 USB指定了最大電流以及主機存在潛在風險的點。該控制器還用于控制與位于上游電源和設備模擬部分之間的大型儲能電容器相關的浪涌電流。這些組件對于允許本地需求電流在短時間內超過上游電源的能力非常重要，但如果它們沒有緩慢上升到工作電壓，當設備啟動時，它們將在幾微秒內消耗潛在的電流。首次連接，可能會導致主機出現故障。 有兩種開關模式穩壓器使用電感器中的能量存儲來完成標準 CMOS（互補金屬氧化物晶體管、電阻器、電容器）電路難以（并非完全不可能）完成的任務 - 增加電壓并提供負電壓。 基于ADP1614的升壓轉換器用于通過磁通電感器并引起電流突然變化來生成 6.5 V 電源軌，從而產生高于用于在電感器磁芯磁通量中存儲能量的電壓。這種升壓電源的噪聲相對較大，其頻率成分從開關頻率（固定為 1.3MHz）到其數倍，這是由于電壓和電流輸出波形不一致造成的。pi 拓撲濾波器大輸出電容器用于衰減高頻噪聲分量并平均輸出電壓。結果是 6.5V 電源具有相對較小的輸出噪聲和較小的電流消耗。隨著電流消耗增加，輸出噪聲也會增加，并且由于升壓轉換器固有的噪聲拓撲，一些寬帶噪聲仍然存在。 為了進一步降低噪聲，并向模擬前端提供干凈的“高”電壓軌（必須能夠以高達 200mA 的電流提供 5V 電壓），ADM7171可調電壓調節器用于將約 500mV 的余量電壓以及約 50mV 的電噪聲轉換為熱量。可調線性穩壓器產生的 6v 輸出在整個頻譜范圍內相對來說沒有噪聲。該 6.0v 電源用于輸出級中的模擬組件。即使在與模擬前端相關的額外壓降之后，該 6v電源也提供了超過所需的余量，使輸出放大器能夠在輸出端提供 5v 電壓。ADP2442是第二個開關穩壓器AN-1269，用于反相降壓-升壓配置，提供低于 USB 最小電源（0v，接地）的電壓。為了提供一直接地 (0v) 的輸出操作，以類似于上述 6v5 軌生成的方式生成負一伏軌 (-1v0) - 能量存儲在電感器中，電流突然變化創建接地less than電位。類似的 pi 濾波器拓撲用于衰減此過程產生的帶外信號，從而產生足夠干凈的 -1v0 電源，為輸出級以及伺服放大器供電。 生成輸出級所需的電壓后，需要額外的清潔電源來操作模擬系統的其他方面。數據轉換器（DAC 和 ADC）要求模擬輸出/輸入電壓小于或等于電源電壓，并且都要求電源電壓小于 5.5v。 因此，使用ADP7118線性穩壓器從上述 6.0v 電源軌生成 5.0v 電源軌，為其余混合信號組件（上述AD5663R數模轉換器）提供低噪聲、高精度電壓源，這兩個組件AD7682模數轉換器、AD8210電流檢測差分放大器和ADG719模擬模式開關。噪聲更低的 5.0v 電源又用于為精密電壓基準供電，ADR381與 510 歐姆負載電阻結合使用，提供高精度、低噪聲 2.5V 電源，能夠提供和吸收模擬前端所需的幾毫安電流。 之后我們看原理圖吧，設計的太叼了。數模轉換為了從數字連接設備提供模擬輸出，信號從波形的二進制表示轉換為模擬近似值。該過程是使用兩通道AD5663R數模轉換器實現的，提供 16b 轉換、快速建立時間（高帶寬）和簡單的數字接口。 數字接口是使用與串行外設接口（或SPI）密切相關的時鐘數字串行協議來實現的。） 標準。包含十六位數據和八個配置位的二十四位字被寫入數字線，從高位開始，一直到最后一位。單獨的時鐘線用于指定數據在哪些時間點有效。同步線被選通以交替后續的 24b 字。鎖存線被選通以觸發將存儲在器件存儲器中的字轉換為輸出線上的模擬電壓。對于器件上的每個樣本，寫入兩個 24b 字，選通它們之間的同步線，然后切換鎖存線以同時開始模擬值的變化。為了減少模擬值變化的高頻成分，在器件的模擬輸出端放置了兩個串聯的單極點低通濾波器，模數轉換為了測量來自數字連接設備的模擬信號，模擬信號必須被離散化，因此，構建頻率正確、高精度的模擬信號表示形式面臨著所有挑戰。為了對兩個模擬通道（每個通道都有電壓和電流測量）進行采樣，使用了兩個四通道AD768216 位模數轉換器，每個轉換器接收兩個通道的模擬信號，從而可以同時轉換任意通道的電壓和電流。任一通道的組合。伺服回路M1K 的模擬前端圍繞每個通道的單個控制環路構建，其中一個模擬開關用于在電壓和電流控制之間切換，另一個模擬開關用于控制通道輸出的特性。模擬控制環路用于根據來自數模轉換器的輸入信號來伺服測量參數。該環路由多個分立組件構成，每個組件都至關重要，并且針對當前的應用精心挑選。該環路需要向外部系統提供至少一瓦的電力或由外部系統提供的電力，并具有高帶寬，以便實現高達幾百千赫茲的目標信號輸出。 此外，環路需要提供與所選 16b 數據轉換器相匹配的低噪聲和高精度操作。平衡這些參數會導致環路反饋控制和功率輸出級的分離。功率級由高輸出電流驅動器部件構建 - 由于有限的輸入電壓范圍和即使在低控制下也非零壓降，驅動器被配置為增益為 2 的非反相放大器，參考高精度 2.5v供應。 由于在此配置中，功率級將電流吸收至 2.5v 電源軌，并且精密基準能夠實現對稱性能，因此吸收電流和源電流都很昂貴，因此產生 2.5v 電源的基準采用小型 (500o) 下拉電阻器進行偏置以保持（共享其他組件）參考的正確性能。功率級由高輸出電流驅動器部件構建 - 由于有限的輸入電壓范圍和即使在低控制下也非零壓降，驅動器被配置為增益為 2 的非反相放大器，參考高精度 2.5v供應。 由于在此配置中，功率級將電流吸收至 2.5v 電源軌，并且精密基準能夠實現對稱性能，因此吸收電流和源電流都很昂貴，因此產生 2.5v 電源的基準采用小型 (500o) 下拉電阻器進行偏置以保持（共享其他組件）參考的正確性能。功率級由高輸出電流驅動器部件構建 - 由于有限的輸入電壓范圍和即使在低控制下也非零壓降，驅動器被配置為增益為 2 的非反相放大器，參考高精度 2.5v供應。由于在此配置中，功率級將電流吸收至 2.5v 電源軌，并且精密基準能夠實現對稱性能，因此吸收電流和源電流都很昂貴，因此產生 2.5v 電源的基準采用小型 (500o) 下拉電阻器進行偏置以保持（共享其他組件）參考的正確性能。 該同相功率放大器級使用電流反饋架構來實現其提供的高帶寬和功率。這種拓撲模仿了更傳統的電壓反饋部件，但有一些額外的注意事項。甚至毫微微法或皮法的寄生電容的存在，加上理想功率放大器級所需的高帶寬，很容易產生高頻振蕩，除非在反饋中添加串聯 RC 反饋網絡作為高通濾波器，從而降低總體高頻增益。放大器，但保持所有負載的穩定性。功率放大器的輸出端添加了一個 2 歐姆串聯電阻，以設置設備的最小輸出阻抗，從而保護 m1000 和任何連接的系統免受過流情況的影響。 該功率放大器采用高精度軌至軌運算放大器，輸入和輸出電壓偏移均較低。ADA4661還可以用作單位增益電流放大器，針對[其他地方]所述的AD8210 電流檢測放大器的輸出。ADG719 CMOS 模擬開關可以選擇將電流檢測反饋或電壓檢測反饋連接到伺服放大器的反相輸入。 相比之下，伺服放大器相對輕松，但需要仔細考慮，以確保系統行為，同時在代表極高或極低噪聲或阻抗的負載上施加電流。模擬電位器用作可編程全通濾波器，對環路頻率響應提供一定程度的控制，并具有可調節的高頻增益或衰減。這使得即使在 t=0 時的大電感器等高阻抗設備上也能以更高的精度提供電流，其中小的擾動很容易產生高振幅、高變化率的感測信號。 電流測量任何反饋控制系統的特性（例如 M1K 上的電流力環）至少受到傳感器特性的限制。此外，M1K 表征連接系統阻抗的能力依賴于對實際輸出電流的精確、高速測量。在類似此類器件的設計中，電流測量是限制性能的主要障礙，而INA213、LT1999 或 MAX9919F等經濟高效的測量器件均面臨著共模誤差、低速或共模非線性的問題。 模式電壓范圍。這并不令人震驚。所有這些放大器都有一項艱巨的任務 - 在高端檢測配置中，它們監視充當分流器的小型精密電阻器上的壓降。這些部件必須放大微伏的差分信號，同時抑制快速變化的共模電位。在空載輸出上以 10 kHz 掃描 0 至 5 伏的三角波，即使對于這些放大器中最好的放大器來說也是一個挑戰，因為它們的工作原理是抑制基波頻率許多倍的諧波，跨越整個軌到軌輸入范圍。 當使用分立元件或集成解決方案實現時，在存在大共模電壓的情況下測量小信號的放大器的標準拓撲并沒有表現得更好。 規范的四電阻器、單運算放大器差分放大器提供了一種看似有吸引力的解決方案。首次檢查時，該系統提供了完美的直流共模抑制、極高的輸入阻抗、易于調節的增益以及寬輸入電壓范圍。不幸的是，這些特性只有在使用理想電阻器和完美運算放大器實現拓撲時才存在，而這種拓撲結構非常罕見且昂貴。任何電阻之間小至 0.1% 的失配都會導致共模抑制不超過 66dB，相當于滿量程掃描時出現的幻象毫安電流。 運算放大器節點之間的偏置電流、輸入阻抗和寄生效應等額外不匹配使得該拓撲很難用于我們的目的。 三運算放大器儀表放大器是另一種在存在大共模電壓的情況下經常遇到的小信號測量解決方案，效果也好不到哪里去。在此配置中，如上所示的差分放大器前面有兩個緩沖器/增益級，可提供更高的輸入阻抗，并且通過將大多數匹配電阻器與放大器集成在同一芯片上，可以緩解導致共模性能較差的許多問題。通過工廠精確調整進行模式抑制。不幸的是，由于輸入后緊接著增益級，因此該拓撲無法在電壓源增益的倍數范圍內對具有共模電壓的信號進行測量。這意味著增益為 20 的三運放儀表放大器， 那么，M1K 是如何解決這一設計挑戰的呢？ADI提供一系列適用于汽車發動機控制應用的高性能雙向電流檢測放大器。AD8210提供 450KHz 的小信號帶寬，對于頻率高達 100KHz 的 0v 至 5v 共模電壓提供 80 至 95dB 的共模抑制，似乎非常適合高端分流信號轉換。毫不奇怪，考慮到前面列舉的挑戰，從這一部分獲得可接受的性能并非沒有挑戰。

讓我們首先通過查看 AD8210 數據表中的圖 1 來考慮 AD82xx 系列的拓撲。解釋一下工作原理部分（第 X 頁）以及與熟悉該部分的 ADI 人員的對話……由 R1、R2、A1、Q1、Q2 組成的電流模式差分放大器用于將輸入端的小電壓差轉換為通過 Q1 和 Q2 發射極的電流差，Q1 和 Q2 用作從輸入到輸出增益級的前置放大器和緩沖器。R3 和 R4 將這些電流差轉換回接地參考電壓差，其中儀表放大器 A2 具有明確定義的操作，并對這些電壓進行相減和相乘，從而提供凈增益為 20 倍的中點參考輸出電壓。 該拓撲提供了先前描述的架構的許多優點，同時使用電平轉換電流模式拓撲來解決上述架構的固有限制。將所有必要的匹配良好的組件集成在與主放大器相同的硅片上，允許工廠調整以保持所需的高共模抑制，并且電平轉換架構可防止儀表放大器在各種范圍內飽和。 上述電路的同樣有效的表示顯示了與負輸入串聯的 0.5Ω 檢測電阻?？吹絾栴}了嗎？0.5Ω 檢測電阻對應于差分放大器輸入級引腳之間大約 0.03% 的失配，導致觀察到的共模信號衰減約 70dB。幸運的是，解決方案很簡單 - 添加一個額外的 0.5Ω 電阻器與每個放大器的正輸入串聯，從而為“力”電流路徑帶來平衡。 模數轉換器的最大電壓輸入與放大器的輸出范圍不匹配導致了額外的復雜性。由 150o 電阻器、600o 電阻器和 10nf 電容器構成直流增益為 4/5 且轉折頻率略高于 100KHz 的單極低通濾波器。這有助于將動態范圍降低至與 ADC 的 4.096v 參考電壓相匹配的動態范圍，而無需添加額外的參考電壓。這還提供了降低 ADC 的有效阻抗和帶外噪聲的額外好處，并有助于防止 ADC 采樣反向耦合到模擬信號路徑中。輸出級為了尋求一款經濟實惠的設備，作為在未知的供電或未供電系統上工作時的首選，我們對設備的輸出級進行了仔細的考慮。來自磁通感應線圈的寄生電壓尖峰或意外連接到外部電池不應立即對設備造成損壞。提供遠遠超出自然范圍的電壓和電流測量應該是微不足道的。 使設備處于能夠測量非常小的電流信號的狀態也應該是可行的，例如pH探針或熱電偶產生的電勢。這些看似矛盾的要求催生了圍繞四通道低電阻開關構建的多功能輸出級，提供五十歐姆連接電阻到半電位和零電位，以及到輸出連接和功率驅動器輸出的獨立連接。這種配置允許單個外部電阻器將電壓或電流分壓至測量級范圍內的水平。