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1 PIC24FJ128GC010 模 拟 设 计 指 南 AN1607 作 者 : 介 绍 Paul Schreiber Microchip Technology Inc. 欢 迎 使 用 PIC24FJ128GC010 模 拟 设 计 指 南 PIC24FJ128GC010 系 列 器 件 将 一 个 高 速 16 位 PIC24 MCU 与 模 拟 外 设 结 合 在 一 起 Microchip 的 网 站 上 提 供 了 PIC24FJ128GC010 系 列 数 据 手 册 (DS39312A_CN): 除 USB 和 液 晶 显 示 器 (Liquid Crystal Display, LCD) 控 制 器 等 数 字 模 块 之 外, PIC24FJ128GC010 还 具 有 一 个 12 位 10 Msps 流 水 线 模 数 转 换 器 一 个 16 位 - 模 数 转 换 器, 以 及 两 个 运 算 放 大 器 和 一 个 2 通 道 10 位 数 模 转 换 器 (Digital-to-Analog Converter, DAC) 本 设 计 指 南 重 点 介 绍 了 非 常 适 合 于 PIC24FJ128GC010 系 列 智 能 模 拟 单 片 机 的 各 类 应 用 给 出 的 设 计 示 例 供 初 学 者 参 考, 不 代 表 最 终 产 品 此 处 所 示 的 某 些 应 用 将 需 要 获 得 机 构 认 证 (FDA UL CE 或 其 他 ), 它 们 并 未 完 全 经 过 符 合 这 些 认 证 要 求 的 测 试 以 下 部 分 将 对 PIC24FJ128GC010 中 每 个 模 拟 模 块 的 特 性 进 行 讨 论 详 细 说 明 请 参 见 dspic33/pic24 系 列 参 考 手 册 中 每 个 模 块 的 FRM 章 节 PIC24FJ128GC010 中 的 模 拟 模 块 16 位 - A/D 转 换 器 (SD_ADC) FRM (DS30687A_CN) SD_ADC 是 一 种 高 精 度 高 分 辨 率 的 模 数 转 换 器, 适 用 于 DC-4 khz 范 围 内 的 信 号 该 转 换 器 具 有 固 有 的 低 通 滤 波 器 特 性, 非 常 适 合 于 较 低 的 带 宽 源, 例 如 交 流 电 力 线 监 视 温 度 探 测 体 重 计 压 力 传 感 器 和 桥 路 测 量 装 置 其 两 个 输 入 通 道 连 接 至 一 个 全 差 分 可 编 程 增 益 放 大 器 (Programmable Gain Amplifier, PGA), 在 单 电 源 高 共 模 条 件 下 大 大 简 化 了 测 量 大 多 数 情 况 下, 一 个 单 极 滤 波 器 就 足 以 能 提 供 抗 混 叠 功 能 使 用 SD_ADC 时, 抖 动 可 改 善 AC 测 量 结 果 (1) SD1CON1 特 殊 功 能 寄 存 器 (Special Function Register,SFR) 中 有 三 个 抖 动 等 级 可 供 选 择 抖 动 会 影 响 输 入 信 号 频 谱 的 传 播, 从 而 减 小 频 谱 峰 值, 改 善 整 体 信 噪 比 (Signal-to- Noise Ratio,SNR) 向 输 入 信 号 中 增 加 低 电 平 噪 声 将 抵 消 掉 所 有 ADC 中 固 有 的 量 化 噪 声 (2) - ADC 具 有 较 高 的 增 益 和 必 须 补 偿 的 失 调 误 差 而 PIC24FJ128GC010 则 具 有 用 于 测 量 增 益 和 失 调 误 差 的 特 殊 测 量 模 式, 然 后 由 MCU 固 件 通 过 一 个 简 单 的 内 嵌 函 数 来 计 算 最 终 的 ADC 读 数 请 参 见 基 本 构 建 模 块 一 节 中 与 增 益 和 失 调 计 算 有 关 的 详 细 固 件 示 例 12 位 高 速 流 水 线 A/D 转 换 器 FRM (DS30686A_CN) 流 水 线 ADC 是 一 种 高 速 12 位 ADC, 它 可 以 在 一 秒 钟 内 完 成 一 千 万 次 转 换 PIC24FJ128GC010 具 有 50 个 单 独 的 输 入 通 道, 它 们 可 以 是 电 容 式 触 摸 板 或 标 准 电 压 输 入 由 于 本 底 噪 声 较 高, 因 此 必 须 对 采 样 求 平 均 值, 以 便 获 得 最 佳 结 果 运 算 放 大 器 ( 运 放 )(DS30505A_CN) 有 两 个 独 立 的 运 算 放 大 器 模 块, 它 们 具 有 可 编 程 速 度 / 功 率 设 置 上 电 复 位 (Power-on Reset, POR) 状 态 是 低 功 率 / 低 速 配 置 运 算 放 大 器 具 有 很 低 的 输 入 偏 置 电 流 (<10 pa), 但 是 在 设 计 中 可 能 需 要 补 偿 输 入 偏 移 电 压 10 位 数 模 转 换 器 (DAC)(DS39615A_CN) DAC 模 块 有 两 个 独 立 的 电 压 输 出 和 多 个 DAC 参 考 电 压 选 择 DAC 对 于 传 感 器 放 大 器 / 滤 波 器 模 拟 前 端 的 直 流 偏 压 来 说 非 常 有 用, 并 且 可 以 用 于 产 品 中 的 音 调 生 成 和 自 适 应 差 分 脉 冲 编 码 调 制 (Adaptive Differential Pulse Code Modulation, ADPCM) 语 音 播 放 详 细 信 息, 请 参 见 应 用 笔 记 AN643 Adaptive Differential Pulse Code Modulation Using PIC Microcontrollers (11) 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 1 页

2 其 他 有 用 模 块 除 上 述 模 块 以 外,PIC24FJ128GC010 还 具 有 内 部 带 隙 电 压 参 考 带 阈 值 检 测 的 充 电 时 间 测 量 单 元 (Charge Time Measurement Unit,CTMU)(DS39743A_CN) 三 个 比 较 器 一 个 LCD 控 制 器 和 USB OTG 章 节 和 设 计 本 文 包 含 以 下 四 个 主 要 章 节 : 基 本 构 建 模 块 工 业 应 用 消 费 类 / 家 用 电 器 应 用 医 疗 应 用 每 个 章 节 都 有 几 个 设 计 示 例, 展 示 了 不 同 的 模 拟 外 设 最 后 一 个 章 节 是 拓 展 读 物, 包 括 参 考 资 料 及 至 其 他 信 息 的 链 接 基 本 构 建 模 块 本 章 节 中 提 供 的 电 路 不 是 一 个 完 整 的 产 品, 而 是 与 其 他 电 路 结 合 使 用 的 构 建 模 块 它 们 执 行 大 多 数 模 拟 前 端 测 量 和 生 成 电 路 中 的 特 定 常 见 任 务 当 应 用 这 些 设 计 理 念 时, 请 谨 记 以 下 事 项 : 可 能 需 要 用 附 加 电 路 来 执 行 ESD 防 护 EMI 滤 波 或 实 际 产 品 中 出 现 的 其 它 类 型 的 干 扰 不 要 超 出 每 个 模 块 的 共 模 电 压 (VCM) 这 些 共 模 电 压 在 PIC24FJ128GC010 系 列 数 据 手 册 的 电 气 特 性 一 节 中 列 出 可 能 需 要 特 别 注 意 低 电 流 / 电 池 供 电 产 品 的 元 件 值 和 选 择 构 建 模 块 1: 电 流 监 控 用 一 个 分 流 电 阻 和 SD_ADC 的 PGA 来 测 量 电 流 可 能 是 最 简 单, 元 件 数 最 少 的 应 用, 如 图 1 所 示 图 1: 用 分 流 电 阻 和 SD_ADC PGA 测 量 电 流 VDD RLOAD 1Ω L1 VDD C1 C2 CH1+ CH1- SVDD PGA G = 32 SD_ADC DS A_CN 第 2 页 2014 Microchip Technology Inc.

3 该 配 置 使 用 SD_ADC 差 分 输 入 通 道 通 常 选 择 恰 好 为 十 的 整 数 次 幂 (1Ω 0.1Ω 等 ) 的 电 阻 值, 以 使 电 流 计 算 更 加 简 单 电 阻 值 较 低 时 功 耗 也 很 小, 并 能 测 量 几 十 安 培 的 电 流 当 电 阻 两 端 的 压 降 处 于 PGA 共 模 范 围 内 时,SD_ADC 可 以 测 量 交 流 或 直 流 电 流 实 际 的 差 分 输 入 可 以 检 测 到 相 对 于 输 入 引 脚 为 正 或 为 负 的 电 流 基 于 预 期 的 电 流 范 围 和 电 阻 值, 选 择 PGA 增 益 时 应 满 足 至 SD_ADC 的 输 出 电 压 不 超 过 所 用 的 参 考 电 压 这 一 条 件 当 测 量 直 流 电 流 时, 应 按 照 以 下 方 法 对 下 列 SD_ADC 控 制 位 进 行 编 程 : DITHER 设 置 为 低 电 平 或 高 电 平, 具 体 取 决 于 参 考 电 压 ( 当 参 考 电 压 在 SVDD 上 下 0.5V 范 围 内 时, 设 为 低 电 平 ; 当 参 考 电 压 比 SVDD 低 0.5V 以 上 时, 设 为 高 电 平 ) PWRLVL = 0 ( 正 常 带 宽 ) CHOP = 0b11 ( 使 能 ) SDOSR = 0 ( 比 率 为 1024) 交 流 电 流 可 能 需 要 一 个 较 小 的 SDOSR 值, 这 取 决 于 应 用 和 电 流 波 形 的 特 性 常 用 的 电 流 检 测 电 阻 为 0.1Ω, 容 差 为 1%, 封 装 尺 寸 为 0805 这 些 电 阻 可 以 测 量 的 最 大 电 流 为 1A, 它 会 产 生 一 个 100 mv 的 压 降 然 后 对 PGA 进 行 增 益 设 定, 以 便 使 SD_ADC 电 压 处 于 参 考 电 压 范 围 内 对 于 要 求 不 是 很 高 的 测 量, SVDD 则 通 过 无 源 滤 波 器 (C1 C2 和 铁 氧 体 磁 珠 L1) 从 VDD 获 得 电 源 例 如, 如 果 SVDD 为 3.3V, 可 使 用 32 的 增 益 通 过 所 示 的 一 个 分 流 电 阻 测 得 最 大 为 100 ma 的 电 流 需 要 完 整 16 位 精 度 的 应 用 可 能 需 要 一 个 低 噪 声 高 稳 定 性 (< 9 ppm) 外 部 参 考 电 压, 该 参 考 电 压 连 接 到 CH1+ 引 脚, 并 通 过 SD1CON 寄 存 器 选 择 还 可 以 通 过 对 大 量 采 样 值 (16 32 或 64) 求 平 均 值 来 提 高 精 度 SVDD 滤 波 器 的 典 型 值 为 : C1:2.2 µf/25v C2:0.1 µf/50v L1:100Ω 铁 氧 体 磁 珠 代 码 示 例 以 下 C 程 序 说 明 了 如 何 初 始 化 SD_ADC 以 便 进 行 增 益 和 失 调 计 算, 读 取 原 始 SD_ADC 结 果 然 后 执 行 分 流 示 例 的 增 益 / 失 调 计 算 计 算 中, 假 设 选 择 了 3.3V 的 SD_ADC ( 使 用 SVDD 引 脚 ) 参 考 电 压 和 一 个 1Ω 的 分 流 电 阻 本 例 中 用 于 与 SD_ADC 接 口 的 程 序 如 例 1 所 示 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 3 页

4 例 1: SD_ADC 增 益 和 失 调 计 算 static signed long int offset; static double SD_gain; // // 公 共 原 型 // void ADC_SD_Init(); float ADC_SD_GetCalibratedResult(); signed short int ADC_SD_GetRawResult(); // // 说 明 : 初 始 化 - 模 数 转 换 器 模 块 并 执 行 初 始 // 测 量, 建 立 增 益 和 失 调 误 差, 以 便 在 以 后 可 以 // 将 它 们 用 于 获 取 经 过 校 准 的 结 果 还 应 在 调 用 // 其 他 - 模 数 转 换 器 API 函 数 之 前 首 先 调 用 // 本 API 测 量 通 道 为 CH1 ( 在 本 演 示 中 只 有 // 这 一 个 选 项, 但 也 可 以 扩 展 为 包 括 CH0) // void ADC_SD_Init() { unsigned int i; unsigned char count; signed long int maxvalue; #define EXPECTED_MAX_VALUE (double)10430 // 静 态 输 入 电 压 mv, 增 益 32, 参 考 电 压 3300 mv, 计 数 寄 存 器 值 // 在 配 置 时 应 禁 止 模 数 转 换 器 SD1CON1 = 0x0000; // 设 置 - 模 数 转 换 器 模 块, 以 使 执 行 增 益 和 失 调 测 量 // ( 这 样 我 们 就 可 以 获 得 正 确 的 增 益 和 失 调 校 准 值 以 备 后 用 ) SD1CON1bits.PWRLVL = 1; // 高 功 率 模 式 SD1CON1bits.SDREFP = 0; // 正 参 考 电 压 为 SVDD SD1CON1bits.SDREFN = 0; // 负 参 考 电 压 为 SVSS SD1CON1bits.VOSCAL = 1; // 内 部 失 调 测 量 使 能 SD1CON1bits.DITHER = 1; // 低 抖 动, 因 为 将 SVDD 作 为 参 考 电 压 SD1CON1bits.SDGAIN = 5; // 对 于 失 调 测 量 和 应 用, 增 益 为 32:1 SD1CON2bits.RNDRES = 2; // 将 结 果 四 舍 五 入 为 16 位 SD1CON2bits.SDWM = 1; // 每 次 中 断 时 更 新 SDxRESH/SDxRESL SD1CON2bits.SDINT = 3; // 每 次 数 据 输 出 时 中 断 SD1CON2bits.CHOP = 3; // 斩 波 应 总 是 处 于 使 能 状 态 SD1CON3bits.SDCH = 1; // 通 道 1 用 于 该 演 示 代 码 SD1CON3bits.SDCS = 1; // 时 钟 源 为 8 MHZ FRC SD1CON3bits.SDOSR = 0; // 过 采 样 率 (OSR) 为 1024 ( 最 佳 质 量 ) SD1CON3bits.SDDIV = 1; // 输 入 时 钟 分 频 比 为 2 (SD 模 数 转 换 器 时 钟 为 4 MHZ) // 现 在 使 能 模 数 转 换 器 模 块, 将 它 配 置 为 SD1CON1bits.SDON = 1; // 等 待 生 成 五 次 中 断 中 的 最 小 值 当 在 每 个 周 期 中 // 使 用 中 断 时, 需 要 至 少 丢 弃 前 四 个 值, 因 为 // 当 改 变 模 数 转 换 器 通 道 或 初 始 化 模 数 转 换 器 时, // 需 要 用 新 数 据 填 充 SINC 滤 波 器 for (i = 0; i<6; i++) // ( 值 必 须 >= 5) { IFS6bits.SDA1IF = 0; // 清 除 中 断 标 志 while(ifs6bits.sda1if == 0); // 等 待, 直 到 硬 件 指 示 已 获 得 结 果 IFS6bits.SDA1IF = 0; // 清 除 中 断 标 志 } while(ifs6bits.sda1if == 0); // 等 待, 直 到 硬 件 指 示 已 获 得 结 果 IFS6bits.SDA1IF = 0; // 清 除 中 断 标 志 offset = (signed short int)sd1resh; // 进 行 计 算, 以 容 纳 符 号 位 扩 展 部 分 // 关 断 失 调 测 量 模 式, 现 在 我 们 得 到 了 以 下 值 SD1CON1bits.SDON = 0; SD1CON1bits.VOSCAL = 0; // 现 在 重 新 配 置 模 数 转 换 器, 以 便 通 过 通 道 1 测 量 SVDD, // 并 将 它 与 预 期 结 果 进 行 比 较 ( 在 进 行 失 调 校 正 后 ) // 利 用 比 较 结 果 计 算 最 合 适 的 增 益 校 准 因 数, 并 // 保 存 数 值, 以 备 后 用 SD1CON3bits.SDCH = 1; // 指 向 输 入 电 压 SD1CON1bits.SDON = 1; // SD_ADC 重 新 使 能 以 便 执 行 下 一 次 测 量 // 等 待 生 成 五 次 中 断 中 的 最 小 值 for(count=0; count<6; count++) { DS A_CN 第 4 页 2014 Microchip Technology Inc.

5 例 1: SD_ADC 增 益 和 失 调 量 计 算 ( 续 ) // 清 除 中 断 标 志 IFS6bits.SDA1IF = 0; // 等 待 结 果 就 绪 while(ifs6bits.sda1if == 0); } // 保 存 最 大 值, 以 便 计 算 增 益 maxvalue = (signed short int) SD1RESH; // 必 须 强 制 转 换 为 有 符 号 数 据, 因 为 在 标 头 中 已 声 明 为 无 符 号 值 // 计 算 失 调 SD_gain = EXPECTED_MAX_VALUE/((double)((signed long int)maxvalue-offset)); // // 一 定 要 注 意, 在 本 例 中 未 对 PGA 的 增 益 误 差 进 行 校 正, 因 为 // 当 测 量 SVDD 时, 增 益 为 1 您 随 时 可 以 将 增 益 校 正 值 硬 编 码 为 某 一 // 数 值 或 其 它 模 式 好 的 初 始 值 为 至 范 围 内 的 值 // 在 重 新 设 置 模 数 转 换 器 时 将 其 禁 止 ( 对 于 正 常 操 作 模 式, 现 在 // 我 们 已 经 建 立 了 适 用 于 模 数 转 换 器 的 增 益 / 失 调 校 准 值 ) SD1CON1bits.SDON = 0; // 将 模 块 设 置 为 在 CH1 上 正 常 读 取 SD1CON3bits.SDCH = 1; SD1CON1bits.SDGAIN = 5; // 对 于 应 用 代 码, 增 益 返 回 32:1 SD1CON1bits.SDON = 1; // 等 待 SYNC 滤 波 器 更 新, 于 是 应 用 程 序 试 图 读 取 的 下 一 个 结 果 // 将 变 为 有 效 for(count = 0; count < 6; count++) // 对 于 SINC 滤 波 器 延 时, 丢 掉 最 初 >=4 次 采 样 值 { while(ifs6bits.sda1if == 0); // 等 待, 直 到 硬 件 指 示 已 获 得 结 果 IFS6bits.SDA1IF = 0; // 清 除 中 断 标 志 } // 现 在 模 数 转 换 器 已 准 备 好, 重 新 选 择 的 通 道 的 第 一 个 采 样 值 // 应 存 放 在 SD1RESH 中 } // // 功 能 : 有 符 号 的 短 整 型 ADC_SD_GetCalibratedResult(BYTE Channel) // 说 明 : 执 行 所 需 的 操 作, 以 便 从 指 定 通 道 获 取 一 个 模 数 转 换 器 // 采 样 值 返 回 的 数 值 是 由 硬 件 最 初 生 成 的 结 果, // 因 此 将 包 含 失 调 和 增 益 误 差 // signed short int ADC_SD_GetRawResult() { // 等 待 新 结 果 IFS6bits.SDA1IF = 0; // 清 除 中 断 标 志 while(ifs6bits.sda1if == 0); // 等 待, 直 到 硬 件 指 示 已 获 得 结 果 return SD1RESH; } // // 功 能 : 有 符 号 的 短 整 型 ADC_SD_GetCalibratedResult(BYTE Channel) // 说 明 : 执 行 所 需 的 操 作, 以 便 从 指 定 通 道 获 取 一 个 // 模 数 转 换 器 采 样 值, 然 后 对 失 调 和 增 益 进 行 补 偿 // 最 终 返 回 校 准 后 的 结 果 // float ADC_SD_GetCalibratedResult() { signed long int OffsetCalibratedResult; double GainAndOffsetCorrectedResult; // 获 取 原 始 模 数 转 换 器 结 果 OffsetCalibratedResult = ADC_SD_GetRawResult(); // 修 正 以 前 测 量 的 失 调 误 差 OffsetCalibratedResult -= offset; // 现 在 计 算 增 益 校 正 结 果 GainAndOffsetCorrectedResult = (double)offsetcalibratedresult * (double) SD_gain; //adc 结 果 与 15 位 的 最 大 计 数 加 上 符 号 位 的 比 率 GainAndOffsetCorrectedResult = GainAndOffsetCorrectedResult / 32767; // 乘 以 电 压 ( 单 位 为 mv), 获 得 以 毫 安 为 单 位 的 结 果 GainAndOffsetCorrectedResult = GainAndOffsetCorrectedResult * ; // 从 32x 增 益 按 比 例 缩 减, 并 进 行 1 分 频 ( 分 流 电 阻 器 ) GainAndOffsetCorrectedResult = GainAndOffsetCorrectedResult / 32.0 return (float) GainAndOffsetCorrectedResult; // 电 流 单 位 为 ma } 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 5 页

6 构 建 模 块 2: 可 编 程 电 流 源 有 些 测 量 传 感 器 ( 例 如 RTD) 需 要 一 个 恒 定 电 流, 以 便 生 成 恒 定 电 压 其 基 本 电 路 如 图 2 所 示 图 2: 恒 定 电 流 源 的 基 本 电 路 VDD VDD RSET R1 1K VREF OA1 BC560C 10 µf R2 IOUT = (VDD VREF)/RSET R_load DS A_CN 第 6 页 2014 Microchip Technology Inc.

7 内 部 运 算 放 大 器 用 于 驱 动 晶 体 管, 以 产 生 电 流 增 益 此 运 算 放 大 器 的 一 个 输 入 端 连 接 到 参 考 电 压, 该 参 考 电 压 通 常 是 来 自 于 VDD 的 一 个 简 单 分 压 器 图 3 中 显 示 了 改 进 后 的 电 路, 利 用 SD_ADC 测 量 负 载 中 的 实 际 电 流 图 3: 测 量 负 载 中 实 际 电 流 的 SD_ADC VDD RSET 1K DAC OA1 BC560C SD_ADC IOUT = (VDD VDAC)/RSET R_load 然 后 测 得 的 电 流 可 以 产 生 一 个 误 差 值, 固 件 利 用 这 个 误 差 值 驱 动 数 模 转 换 器 以 获 得 正 确 的 电 压 这 是 伺 服 环 路 的 一 个 示 例 ; SD_ADC 用 于 向 上 或 向 下 改 变 数 模 转 换 器 的 值, 以 便 使 任 何 失 调 或 增 益 误 差 都 得 到 抵 销 所 需 的 准 确 数 模 转 换 器 电 压 不 必 在 校 准 查 询 表 中 SD_ADC 通 过 固 件 向 上 或 向 下 调 整, 直 到 产 生 正 确 的 电 流 为 止 例 如, 如 果 VDD 电 压 改 变 了, 伺 服 环 路 将 检 测 到 电 流 变 化, 然 后 向 数 模 转 换 器 中 写 入 一 个 新 的 数 值, 据 此 对 电 流 源 进 行 调 节 利 用 定 时 调 整 算 法 可 以 很 容 易 地 在 固 件 中 设 置 伺 服 环 路 的 响 应 速 度 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 7 页

8 构 建 模 块 3: 输 入 滤 波 / 直 流 失 调 校 正 PIC24FJ128GC010 中 的 模 数 转 换 器 以 非 常 高 的 速 率 采 集 输 入 信 号 SD_ADC 使 用 1 MHz 2 MHz 或 4 MHz 的 采 样 时 钟 ( 不 要 将 它 与 可 变 数 据 速 率 或 OSR 时 钟 混 淆 ), 流 水 线 转 换 器 的 采 样 速 率 可 以 在 1 MHz 至 10 MHz 间 变 化 在 任 何 采 样 系 统 中, 都 需 要 输 入 低 通 滤 波 器, 以 防 止 转 换 结 果 中 出 现 混 叠 此 外, 由 于 用 于 将 调 制 器 的 串 行 数 据 转 换 为 并 行 16 位 值 的 抽 取 滤 波 器 具 有 固 有 的 低 通 响 应, 因 此 在 使 用 SD_ADC 时 必 须 特 别 注 意 抽 取 滤 波 器 的 频 率 响 应 基 于 所 选 的 OSR, 如 图 4 所 示 图 4: 抽 取 滤 波 器 的 频 率 响 应 基 于 所 选 的 OSR OSR = 1024 OSR = 16 滤 波 器 在 -3 db 点 处 逐 渐 衰 减 需 要 注 意 的 是, 抽 取 滤 波 器 响 应 的 平 坦 部 分 ( 损 差 小 于 0.1 db) 约 为 带 宽 的 1/8 为 了 精 确 地 采 样 交 流 信 号, 输 入 信 号 的 频 率 成 分 必 须 位 于 抽 取 滤 波 器 的 整 个 平 坦 通 带 内 外 部 滤 波 器 必 须 防 止 输 入 信 号 谐 波 位 于 抽 取 滤 波 器 的 总 通 带 之 外, 否 则 将 发 生 严 重 的 失 真 请 注 意, 这 是 与 传 统 模 数 转 换 器 不 同 的 示 例, 这 里 要 求 确 保 采 样 频 率 ( 例 如 流 水 线 模 数 转 换 器 ) 处 的 谐 波 约 低 于 6 db/ 位 这 就 是 PIC24FJ128GC010 中 的 SD_ADC 最 适 合 交 流 正 弦 波 或 直 流 测 量 的 原 因 - 架 构 可 以 用 于 更 高 的 带 宽 信 号 ( 音 频 信 号 就 是 一 个 很 好 的 例 子 ), 但 是 那 些 - 模 数 转 换 器 执 行 的 是 PIC24F 设 计 中 未 用 到 的 特 殊 设 计 原 理 当 测 量 来 自 于 传 感 器 的 直 流 信 号 时,SD_ADC 抽 取 滤 波 器 的 低 通 滤 波 器 响 应 具 有 很 大 的 优 势 高 频 噪 声 在 很 大 程 度 上 被 抽 取 滤 波 器 削 弱 了, 但 是 在 OSR 设 置 为 最 高 值 1024 时, 输 入 的 -3 db 带 宽 仍 约 为 325 Hz, 其 中 将 包 含 交 流 电 源 线 谐 波 如 果 这 些 谐 波 成 为 问 题, 则 可 能 需 要 进 行 额 外 滤 波 ( 详 情 请 参 见 下 一 部 分 ) 抗 混 叠 滤 波 器 通 常 用 于 数 字 化 交 流 信 号 的 情 况 但 是, 如 果 测 量 结 果 是 直 流 信 号 ( 例 如 温 度 ) 呢? 仍 然 需 要 输 入 滤 波, 因 为 传 感 器 引 线 可 能 会 携 带 噪 声, 如 电 源 / 参 考 电 压 线 路 或 其 他 来 源 ( 例 如 PCB 板 布 局 ) 中 的 噪 声 很 难 在 特 定 的 条 款 中 说 明 所 有 情 况 下 所 需 要 的 操 作, 因 此 在 以 下 示 例 和 应 用 中 将 提 供 一 些 指 导 DS A_CN 第 8 页 2014 Microchip Technology Inc.

9 当 使 用 SD_ADC 时, 只 需 要 一 个 单 极 RC 滤 波 器, 因 为 要 求 将 高 于 Nyquist 频 率 的 任 何 信 号 降 低 20 db 以 上 请 注 意, 这 与 对 流 水 线 模 数 转 换 器 的 要 求 是 有 很 大 区 别 的, 对 流 水 线 模 数 转 换 器 的 要 求 是 将 Nyquist 频 率 处 的 信 号 降 低 74 db 以 上, 否 则 就 会 出 现 混 叠 SD_ADC 中 的 调 制 器 用 于 排 除 频 率 中 的 噪 声 频 谱, 然 后 由 抽 取 滤 波 器 将 其 消 除 图 5 显 示 了 一 个 适 用 于 SD_ADC 的 简 单 RC 滤 波 器 图 5: 简 单 的 RC 滤 波 器 滤 波 器 示 例 1: 带 有 长 传 感 器 引 线 的 PGA 输 入 引 脚 在 许 多 情 况 下, 被 测 传 感 器 远 离 包 含 PIC24FJ128GC010 的 印 刷 电 路 板 从 传 感 器 至 电 路 板 的 引 线 可 能 会 携 带 来 自 于 交 流 电 源 线 路 的 噪 声 来 自 AM 无 线 电 广 播 的 射 频 信 号 以 及 其 他 干 扰 信 号 PGA 输 入 阻 抗 很 高 (>1M), 因 此 必 须 注 意 防 止 杂 散 信 号 在 测 量 过 程 中 造 成 抖 动 图 6 显 示 了 适 用 于 SD_ADC 上 差 分 PGA 输 入 的 典 型 输 入 信 号 调 理 信 号 输 入 1 kω SD_ADC 输 入 图 6: 适 用 于 差 分 滤 波 器 噪 声 的 输 入 信 号 调 理 3.3 nf C1 R CH0+ 该 滤 波 器 在 8kHz 时 具 有 平 坦 的 响 应 曲 线, 带 宽 为 48 khz, 并 且 在 500 khz 以 上 时 的 频 率 衰 减 超 过 20 db 当 调 制 器 的 采 样 速 率 为 预 期 的 4MHz 时, 频 率 衰 减 在 2MHz 以 上 时 超 过 32 db 对 于 12 位 的 流 水 线 模 数 转 换 器, 抗 混 叠 滤 波 器 中 的 极 数 将 取 决 于 应 用 所 需 的 带 宽 P_ADC 的 最 低 采 样 速 率 为 1MHz, 这 在 一 定 程 度 上 降 低 了 对 抗 混 叠 滤 波 器 斜 率 的 要 求 表 1 是 对 Butterworth 滤 波 器 的 简 单 说 明 设 计 的 确 切 性 质 将 取 决 于 具 体 的 应 用 此 数 据 适 用 于 1MHz 的 采 样 速 率 表 1: 极 数 适 用 于 流 水 线 模 数 转 换 器 的 BUTTERWORTH 滤 波 器 输 入 信 号 带 宽 ( 混 叠 前 ) 1 90 Hz 2 6 khz 3 24 khz 4 50 khz Microchip 应 用 笔 记 AN699 Anti-Aliasing, Analog Filters for Data Acquisition Systems (DS00699) 中 对 抗 混 叠 滤 波 器 及 其 设 计 做 出 了 详 细 说 明 输 入 信 号 由 于 是 共 模 电 容, 故 输 入 电 阻 值 相 等 C1 为 差 模 电 容, C2 通 常 被 设 置 为 C1 的 10 倍, 以 便 更 有 效 地 削 弱 差 分 噪 声, 因 为 PGA 输 入 具 有 很 高 的 噪 声 共 模 抑 制 能 力 公 式 1 给 出 了 -3 db 的 滤 波 器 拐 角 频 率 : 公 式 1: R FREQdiff = FREQcm = C1 典 型 的 应 用 是 利 用 皮 肤 电 接 触 装 置 测 量 心 率 电 阻 R 不 仅 形 成 低 通 噪 声 滤 波 器, 还 提 供 ESD 保 护 并 限 制 流 向 皮 肤 的 电 流 典 型 应 用 为 :R = 100 kω,c1 = 220 pf, C2 = 2.2 nf 其 结 果 是 差 分 拐 角 频 率 为 345 Hz, 共 模 拐 角 频 率 为 7.2 khz C2 1 C1 4πR(C2 + ) 2 1 2πRC1 CH Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 9 页

10 滤 波 器 示 例 2: 低 通 滤 波 器 与 使 用 数 模 转 换 器 的 偏 压 图 7 显 示 了 一 个 2 极 Sallen-Key 1 khz 低 通 滤 波 器, 增 益 为 12, 它 使 用 一 个 内 部 运 算 放 大 器 Microchip 具 有 一 个 免 费 滤 波 器 设 计 工 具 (FilterLab 2.0), 该 工 具 支 持 多 种 不 同 类 型 的 滤 波 器 (3) 图 7: 2 极 SALLEN-KEY 1 khz 低 通 滤 波 器 1 nf 信 号 输 入 56K 27K 10 nf OA1 信 号 输 出 27K 2.4K VCM 由 于 这 是 一 个 单 电 源 系 统, 因 此 需 要 一 个 共 模 电 压 VCM 图 8 中 显 示 了 产 生 共 模 电 压 的 典 型 电 路 电 阻 R1 和 R2 组 成 一 个 分 压 器,C1 是 附 加 滤 波 电 容 运 算 放 大 器 电 压 跟 随 器 向 其 余 电 路 提 供 一 个 低 阻 抗 源 在 这 些 示 例 中, 该 电 路 用 一 个 PIC24FJ128GC010 数 模 转 换 器 输 出 通 道 代 替 由 于 共 模 电 压 通 常 为 VDD/2, 此 电 压 很 容 易 由 数 模 转 换 器 提 供, 优 势 是 可 以 在 固 件 中 对 其 进 行 调 节, 同 时 还 能 补 偿 内 部 滤 波 器 运 算 放 大 器 中 的 直 流 失 调 图 8: 产 生 共 模 电 压 的 电 路 DAC VCM VDD R1 51K OA2 VCM C1 10 µf R2 51K DS A_CN 第 10 页 2014 Microchip Technology Inc.

11 如 果 应 用 中 存 在 MCU 周 期, 则 可 以 使 用 一 个 特 殊 的 软 件 算 法 来 消 除 直 流 失 调 (4) 数 据 采 集 系 统 所 需 的 另 一 个 通 用 滤 波 器 是 交 流 电 力 线 干 扰 陷 波 滤 波 器 这 是 医 疗 设 备 中 存 在 的 一 个 普 遍 问 题, 接 在 患 者 身 上 的 长 长 的 仪 器 导 线 和 高 输 入 阻 抗 放 大 器 很 容 易 受 到 来 自 于 电 源 线 路 配 线 和 天 花 板 上 的 荧 光 灯 镇 流 ( 将 在 2x 线 路 频 率 处 造 成 干 扰 ) 的 交 流 声 影 响 图 9 显 示 了 一 个 阻 带 衰 减 大 于 50 db 的 无 源 陷 波 滤 波 器 (5) 图 9: 信 号 输 入 阻 带 衰 减 大 于 50 db 的 无 源 陷 波 滤 波 器 RF 82.5K 输 出 220 nf 220 nf 220 nf 6.98K 6.98K R R 图 10: 陷 波 滤 波 器 曲 线 图 fnotch = 1 2πRC 3 3 个 电 容 的 C 值 都 相 等 且 RF = 12R 一 种 更 有 效 的 梳 状 滤 波 器 可 以 通 过 固 件 实 现, 它 可 以 消 除 基 波 和 一 次 谐 波, 这 解 决 了 交 流 线 路 和 照 明 用 镇 流 器 干 扰 的 问 题 (6) 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 11 页

12 滤 波 器 示 例 3: 利 用 PGA 输 入 实 现 自 偏 压 将 外 部 信 号 连 接 到 模 数 转 换 器 需 要 将 得 到 的 信 号 转 化 到 输 入 引 脚 的 共 模 范 围 内 解 决 具 有 较 大 直 流 失 调 的 小 交 流 信 号 是 经 常 遇 到 的 一 种 问 题 常 用 的 交 流 耦 合 解 决 方 案 未 必 是 最 好 的 解 决 方 案, 尤 其 是 当 交 流 信 号 为 低 频 (< 5 Hz) 时 由 于 MCU 可 以 进 行 后 处 理 操 作, 因 此 可 以 采 用 结 合 了 模 拟 滤 波 和 MPU 数 学 程 序 的 技 巧, 获 得 最 终 结 果 下 面 的 图 11 为 自 偏 压 方 案 示 例 这 是 一 个 连 接 到 家 庭 安 保 和 运 动 检 测 中 所 用 的 被 动 式 红 外 (Passive Infra- Red, PIR) 接 收 器 的 接 口 图 11: 与 被 动 式 红 外 (PIR) 接 收 器 接 口 100K VDD 10 µf 1K P I R 47K 0.1 µf G = 32 PGA SD_ADC 100K 10 µf 典 型 PIR 模 块 的 输 出 级 是 一 个 FET 源 极 跟 随 器, 通 过 一 个 47K 的 电 阻 接 地 进 行 偏 压 此 配 置 对 电 源 波 动 / 噪 声 非 常 敏 感, 因 此 使 用 了 一 个 100Ω/10 µf 的 RC 滤 波 器 PIR 的 输 出 是 一 个 约 2V 的 直 流 电 压 和 一 个 与 热 源 变 动 成 比 例 的 小 交 流 信 号, 范 围 在 10 mv 内 由 于 灯 光 振 动 和 其 他 因 素, 当 背 景 热 量 变 化 时, 直 流 电 压 也 会 随 之 变 化 此 电 路 通 过 2 个 RC 滤 波 器 工 作, 正 输 入 端 具 有 一 个 短 时 间 常 数 滤 波 器, 在 负 ( 参 考 ) 引 脚 上 有 一 个 非 常 长 (10,000x) 的 时 间 常 数 滤 波 器 差 分 放 大 器 从 实 际 运 动 检 测 信 号 中 减 去 背 景 直 流 偏 压 PGA 的 增 益 被 设 置 为 32 此 增 益 太 小, 无 法 使 进 入 SD_ADC 的 信 号 接 近 满 量 程, 但 是 16 位 的 分 辨 率 与 采 样 均 值 结 合 在 一 起, 已 经 足 以 完 成 运 动 检 测 DS A_CN 第 12 页 2014 Microchip Technology Inc.

13 工 业 应 用 桥 接 测 量 常 用 的 工 业 过 程 控 制 测 量 通 常 包 括 桥 接 测 量 这 是 一 种 具 有 4 个 电 阻 的 特 殊 拓 扑 结 构 ( 称 为 Wheatstone 电 桥 ), 其 中 的 3 个 电 阻 值 是 已 知 的, 并 且 值 相 同, 第 4 个 电 阻 是 未 知 的 第 4 个 电 阻 的 值 根 据 所 施 加 的 条 件 而 变 : 气 压 压 力 / 张 力 湿 度 以 及 其 他 许 多 因 素 图 12 中 为 典 型 桥 式 传 感 器 模 型 图 12: VE + 典 型 的 桥 式 传 感 器 R R RG R VOUT 这 些 类 型 的 传 感 器 利 用 精 确 的 比 率 匹 配 电 阻 来 生 成 符 合 公 式 2 的 输 出 电 压 : 公 式 2: VOUT = VE [[ ] 1 2] R R + RG 其 中 VE 称 为 激 励 电 压 ( 可 以 是 交 流 或 直 流 ),RG 对 于 其 他 电 阻 R 来 说 是 变 元 电 阻 R 的 数 值 通 常 为 5K 至 20K 对 于 RG 来 说, 整 个 传 感 器 范 围 内 的 电 阻 变 化 是 很 小 的, 因 此 会 生 成 一 个 很 小 的 差 分 输 出 电 压 : 通 常 指 定 一 个 5-50 mv 满 量 程 变 化 的 值 得 到 的 值 需 要 进 行 放 大, 并 且 直 流 偏 压 在 模 数 转 换 器 输 入 引 脚 之 前 被 移 除 许 多 桥 式 测 量 只 有 5-10 mv 的 满 量 程 输 出, 因 此,32 的 增 益 (PIC24FJ128GC010 器 件 中 PGA 的 最 大 值 ) 不 足 以 产 生 足 够 的 动 态 范 围 来 提 供 必 需 的 读 数 两 个 内 部 运 算 放 大 器 可 以 配 置 为 一 个 仪 表 放 大 器, 其 增 益 通 过 一 个 单 独 的 电 阻 设 置 通 过 在 反 馈 电 阻 两 端 增 加 2 个 电 容, 该 放 大 器 还 可 以 作 为 抗 混 叠 滤 波 器 使 用 PGA 的 增 益 可 以 设 置 为 一 个 较 低 的 值 ( 在 2x-8x 范 围 内 ), 减 小 SD_ADC 的 总 输 入 噪 声 由 于 从 桥 接 传 感 器 处 获 得 的 数 据 趋 向 于 缓 慢 变 化, 因 此 对 多 个 采 样 值 求 平 均 值, 即 可 减 小 噪 声 并 提 高 精 度 图 13 为 使 用 内 部 运 算 放 大 器 的 示 例 图 13: 使 用 带 有 桥 式 传 感 器 的 内 部 运 算 放 大 器 增 益 = 10 OA1 R 高 度 计 10K 10K VDD 40.1K G = 4 RG 9.1K 10 nf 10 nf PGA SD_ADC 10K 10K R 40.1K OA Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 13 页

14 运 算 放 大 器 输 入 滤 波 器 的 增 益 通 过 以 下 公 式 得 出 : 公 式 3: 增 益 = 1 + 2R RG 根 据 上 述 已 知 值, 第 一 级 增 益 约 为 9.8, 而 当 PGA 增 益 为 4 时, 总 增 益 约 为 39 可 以 根 据 所 用 传 感 器 的 类 型 调 节 电 阻 RG, 以 提 供 所 需 的 动 态 范 围 40.1K 的 反 馈 电 阻 和 10 nf 的 电 容 在 400 Hz 处 使 放 大 器 衰 减 实 际 增 益 和 滤 波 器 要 求 将 取 决 于 具 体 应 用 图 中 所 示 的 高 度 计 具 有 60 mv 0 至 20,000 英 尺 的 满 量 程 范 围, 因 此 至 SD_ADC 的 输 入 电 压 为 0-2.4V 如 果 内 部 运 算 放 大 器 的 CMRR 性 能 不 足,Microchip 还 提 供 了 一 个 独 立 的 仪 表 放 大 器 MCP6N11 此 器 件 用 于 血 压 袖 带 一 节 中 的 血 压 计 示 例 关 于 桥 式 测 量 的 其 他 应 用 信 息 可 以 在 Microchip 应 用 笔 记 AN695 Interfacing Pressure Sensors to Microchip s Analog Peripherals (DS00695) 中 找 到 交 流 电 源 线 路 监 控 交 流 电 源 线 路 监 控 被 划 分 为 两 个 部 分 : 盈 利 和 非 盈 利 计 量 交 流 电 源 供 应 商 对 用 来 向 消 费 者 收 电 费 的 电 能 表 采 用 了 严 格 的 标 准 (IEC62052 IEC62053 和 ANSI C12.20) 这 些 电 能 表 必 须 满 足 0.2% 或 0.5% 的 精 度 要 求, 并 且 必 需 经 过 30 次 单 独 的 测 试 / 校 准, 以 满 足 此 精 度 要 求 Microchip 提 供 了 适 用 于 精 确 收 费 计 量 的 电 能 表 的 几 种 参 考 设 计 和 应 用 笔 记 下 面 网 站 中 提 供 了 这 些 资 源 : 下 面 的 例 子 适 用 于 非 盈 利 交 流 电 源 监 控 器, 它 可 以 用 于 设 备 测 试 故 障 查 找 基 本 信 息 或 其 他 用 途 实 际 所 需 的 功 率 计 算 在 PIC18F87J72 单 向 电 表 参 考 设 计 (DS51931A_CN) 的 示 例 代 码 和 设 计 指 南 中 给 出 该 仪 表 的 测 量 部 分 原 理 图 如 下 面 的 图 14 所 示 图 14: 单 相 120V 交 流 电 源 监 控 器 相 线 中 性 线 330Ω 1K 100 nf 60A 分 流 器 SD_ADC CH0 330Ω 1K 100 nf 150K 150K 1K 100 nf SD_ADC CH1 DS A_CN 第 14 页 2014 Microchip Technology Inc.

15 交 流 电 源 监 控 器 的 接 口 很 简 单 对 于 电 压 测 量, 从 中 性 线 处 连 接 一 个 简 单 的 电 阻 分 压 器, 与 一 个 抗 混 叠 滤 波 器 结 合 使 用 (10) 注 意, 这 里 使 用 了 SD_ADC 的 差 分 输 入, 因 为 信 号 是 交 流 的, 并 将 导 致 结 果 的 符 号 位 发 生 变 化 交 流 电 流 测 量 使 用 一 个 低 电 阻 大 功 率 柜 式 安 装 的 分 流 器 在 设 置 PGA 放 大 器 增 益 以 最 大 化 动 态 范 围 时, 可 以 直 接 测 量 压 降 此 设 置 将 取 决 于 所 使 用 的 具 体 分 流 器 5 个 周 期 的 流 水 线 延 迟 ( 由 于 在 电 压 和 电 流 测 量 之 间 切 换 SD_ADC 通 道 多 路 复 用 器 而 导 致 ) 意 味 着 不 能 针 对 收 费 目 的 直 接 计 算 瞬 时 交 流 功 率 流 水 线 延 迟 在 5 个 数 据 速 率 周 期 内 是 固 定 的, 因 此 数 据 速 率 越 快, 相 位 误 差 就 越 小 表 2 中 显 示 了 误 差 与 OSR 的 关 系 注 意, 在 不 使 用 数 据 平 均 值 或 其 它 滤 波 算 法 的 情 况 下,OSR 越 小, 转 换 器 的 精 度 就 越 低 表 2: OSR 值 OSR 函 数 相 位 误 差 % % % % % % % 较 小 的 OSR 设 定 值 将 导 致 抽 取 滤 波 器 的 带 宽 增 加, 这 可 能 会 增 加 最 终 测 量 结 果 中 的 噪 声 由 于 最 终 计 算 可 以 低 速 率 执 行 ( 在 此 应 用 中, 显 示 更 新 速 率 通 常 为 1 Hz), 因 此 可 以 对 数 百 个 采 样 值 进 行 过 滤 / 平 均, 以 便 更 加 精 确 地 计 算 负 载 所 使 用 的 功 率 对 于 更 加 精 确 的 计 量 或 盈 利 级 计 量, 可 以 使 用 12 位 的 流 水 线 模 数 转 换 器 进 行 电 压 测 量, 由 SD_ADC 中 断 标 志 触 发 SD_ADC 用 于 电 流 测 量 应 用 软 件 必 须 精 确 补 偿 12 位 模 数 转 换 器 测 量 结 果 和 SD_ADC 抽 取 滤 波 器 中 的 固 有 延 迟 之 间 的 延 时 这 就 要 求 把 测 量 结 果 放 入 RAM 缓 冲 区, 并 将 计 算 结 果 与 MCU 的 周 期 延 迟 对 齐, 并 使 计 算 结 果 与 电 压 和 电 流 的 正 确 采 样 值 一 致 关 于 带 有 特 别 为 盈 利 功 率 计 设 计 的 相 位 延 迟 补 偿 的 双 通 道 SD_ADC, 请 参 见 Microchip 的 MCP3901 此 器 件 的 信 息 请 参 见 以 下 网 页 : mcp Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 15 页

16 消 费 类 / 家 用 电 器 应 用 全 舒 适 型 恒 温 器 现 代 化 的 恒 温 器 对 过 去 的 温 度 控 制 ( 通 过 旋 转 式 刻 度 盘 进 行 温 度 控 制 ) 进 行 了 改 进 量 它 们 可 以 是 完 整 的 微 型 气 象 站, 记 录 着 温 度 湿 度 二 氧 化 碳 浓 度 和 大 气 压 力 数 据 可 以 通 过 Wi-Fi 或 Bluetooth 用 无 线 方 式 发 送 到 您 的 手 机 或 计 算 机 它 们 可 以 执 行 运 动 检 测, 以 记 录 您 是 在 家 还 是 外 出 了, 还 能 执 行 其 他 任 务 以 下 示 例 显 示 了 将 三 个 这 样 的 传 感 器 连 接 到 PIC24FJ128GC010 上 的 方 法 示 例 如 下 面 的 图 15 所 示 图 15: 连 接 到 PIC24FJ128GC010 的 舒 适 型 恒 温 器 设 置 为 跟 随 器 3.3V MCP1650 6V 二 氧 化 碳 传 感 器 MG811 OA2 10K 100 nf 增 益 = 32 SD_ADC CH0 3.3V 湿 度 传 感 器 HIH K 100 nf 增 益 = 1 SD_ADC CH1 温 度 传 感 器 CTMU 模 块 10K NTC 研 究 表 明, 与 350 ppm 的 室 外 清 洁 浓 度 基 线 相 比, 当 二 氧 化 碳 浓 度 超 过 ~1200 ppm 时, 人 们 将 空 气 质 量 报 告 为 不 新 鲜 或 不 流 畅 (7) 此 例 中 使 用 一 个 专 门 的 传 感 器 来 记 录 二 氧 化 碳 水 平 传 感 器 需 要 一 个 6V 200 ma 的 电 源 该 电 源 由 升 压 稳 压 器 MCP1650 通 过 系 统 3.3V 电 源 获 得 (8) 传 感 器 的 输 出 级 需 要 很 高 的 输 入 阻 抗, 可 由 内 部 CMOS 运 算 放 大 器 提 供 此 阻 抗 通 过 将 SFR 寄 存 器 AMP1CON 中 的 NINSEL<2:0> 位 设 置 为 110, 将 运 算 放 大 器 配 置 为 一 个 电 压 跟 随 器 恒 温 器 通 过 NTC 热 敏 电 阻 利 用 PIC24FJ128GC010 (9) 的 CTMU 电 路 测 量 温 度, 通 过 一 个 连 接 到 SD_ADC 的 直 流 比 例 传 感 器 测 量 相 对 湿 度 PIC24FJ128GC010 收 集 的 数 据 可 以 显 示 在 本 地 LCD 上, 可 以 通 过 USB 传 输, 或 通 过 无 线 适 配 器 模 块 ( 例 如 使 用 SPI 端 口 的 MRF24WG0MA) 发 送 出 去 DS A_CN 第 16 页 2014 Microchip Technology Inc.

17 采 用 数 模 转 换 器 输 出 的 音 频 两 个 数 模 转 换 器 通 道 可 用 于 生 成 各 种 音 频, 从 使 用 ADPCM 的 语 音 播 放 到 音 频 警 告 / 警 告 音 利 用 适 当 的 缓 冲 放 大 器, 它 们 可 以 驱 动 标 准 的 16Ω 耳 塞 耳 机 图 16 给 出 了 利 用 数 模 转 换 器 通 道 驱 动 小 扬 声 器 或 耳 机 的 简 单 方 法 图 16: 利 用 两 个 数 模 转 换 器 通 道 驱 动 耳 机 DAC1 10K MCP Ω 100 µf + 音 频 输 出 1 nf 由 数 模 转 换 器 生 成 的 音 频 音 调 经 过 低 通 滤 波, 发 送 到 MCP6022 缓 冲 放 大 器 该 运 算 放 大 器 具 有 一 个 高 电 流 输 出 级, 可 以 驱 动 ±20 ma 的 电 流 这 足 以 在 标 准 耳 塞 中 产 生 足 够 大 音 量 串 联 的 15Ω 电 阻 限 制 了 传 送 的 音 量, 并 不 是 所 有 应 用 都 需 要 此 电 阻 交 流 音 频 将 具 有 一 个 直 流 偏 压, 该 偏 压 通 过 一 个 100 µf 的 电 容 消 除 图 示 的 低 通 滤 波 器 的 截 止 频 率 约 为 16 khz 对 于 语 音 输 出, 应 将 它 降 低 到 4 khz 左 右 当 驱 动 家 用 电 器 中 的 扬 声 器 发 出 警 告 声 时, 可 以 根 据 所 需 的 音 量 将 电 阻 值 从 15Ω 降 至 3Ω 左 右 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 17 页

18 医 疗 应 用 本 节 将 描 述 适 用 于 PIC24FJ128GC010 的 两 种 不 同 的 医 疗 应 用 : 血 压 袖 带 和 血 糖 测 量 装 置 器 件 的 LCD USB 和 XLP 特 性, 加 上 通 过 16 位 SD_ADC 实 现 的 精 确 测 量, 使 许 多 小 型 手 持 式 设 计 得 以 实 现 注 : 血 压 袖 带 这 些 示 例 只 是 基 本 的 指 导, 最 终 的 应 用 可 能 还 需 获 得 机 构 批 准 这 些 示 例 只 是 作 为 演 示, 其 目 的 不 是 用 于 医 学 诊 断 现 代 化 的 血 压 测 量 装 置 用 数 字 读 数 代 替 了 玻 璃 管 方 法 中 的 旧 式 汞 柱 血 压 读 数 仍 然 以 mmhg ( 毫 米 汞 柱 ) 给 出, 范 围 为 mmhg 当 袖 带 压 力 变 化 时, 可 用 的 压 力 传 感 器 利 用 一 个 电 阻 桥 拓 扑 结 构 输 出 一 个 小 的 ( 大 约 为 25 mv, 满 量 程 ) 直 流 信 号 传 感 器 被 规 定 为 以 psi ( 磅 每 平 方 英 寸 ) 或 kpa ( 千 帕 斯 卡 ) 为 单 位, 因 此 需 要 将 其 转 换 为 mmhg 转 换 系 数 如 下 : 1 kpa = 7.5 mmhg 1 psi = 51.7 mmhg 压 力 传 感 器 本 身 并 不 位 于 臂 式 袖 带 内 ; 它 位 于 印 刷 电 路 板 上, 通 过 管 道 系 统 连 接 到 袖 带 和 充 气 泵 直 流 充 气 泵 给 袖 带 充 气 以 达 到 预 设 压 力, 一 个 电 磁 阀 在 几 秒 钟 的 周 期 内 以 线 性 方 式 释 放 压 力 对 压 力 变 化 进 行 检 测, 并 由 PIC24FJ128GC010 执 行 一 种 称 为 MWI( 充 气 时 测 量 ) 的 运 算, 以 便 计 算 脉 搏 率 心 脏 收 缩 和 舒 张 压 力 数 据 显 示 在 一 个 液 晶 屏 上, 并 可 以 储 存 在 闪 存 中, 还 可 以 通 过 USB 下 载 到 健 康 监 控 程 序 中 详 细 信 息 请 参 见 Microchip 应 用 笔 记 AN1556 采 用 Microchip PIC24F 单 片 机 和 模 拟 器 件 的 血 压 计 设 计 (DS A_CN) 血 压 袖 带 示 例 原 理 图 如 图 17 所 示 压 力 传 感 器 ( 欧 姆 龙 2SMPP-02) 的 额 定 值 为 0-37 kpa, 看 起 来 像 是 一 个 奇 数 比 例 因 子, 而 大 多 数 传 感 器 的 量 程 都 规 定 为 偶 数, 例 如 0-50 kpa 这 种 特 殊 传 感 器 是 专 门 为 血 压 袖 带 制 造 的, 因 为 未 经 校 准 的 输 出 非 常 接 近 于 1 mv = 10 mmhg 满 量 程 范 围 为 mmhg, 此 范 围 中 包 含 了 所 有 可 能 的 读 数 压 力 传 感 器 设 计 为 用 一 个 100 μa 的 电 流 源 驱 动, 该 电 流 源 由 数 模 转 换 器 通 道 和 一 个 内 部 运 算 放 大 器 提 供 数 模 转 换 器 将 约 1V 的 电 压 输 入 到 电 路 中, 以 便 生 成 所 需 的 100 μa 电 流 100 μa 恒 定 电 流 生 成 的 电 压 很 小, 以 致 PGA/SD_ADC 无 法 读 取 因 此, 需 使 用 一 个 固 定 增 益 为 31 的 外 部 仪 表 放 大 器 MCP6N11 通 过 一 个 高 通 滤 波 器 以 及 PIC24FJ128GC010 中 增 益 为 4.6 的 第 二 个 运 算 放 大 器 对 此 信 号 进 行 交 流 耦 合 并 放 大 组 合 增 益 约 为 143, 当 压 力 为 200 mmhg 时, 它 向 SD_ADC 提 供 2.85V 电 压 第 二 个 数 模 转 换 器 通 道 用 于 提 供 直 流 偏 压, 以 便 使 输 入 信 号 处 于 PGA( 其 增 益 被 设 置 为 1, 以 便 使 总 噪 声 电 压 保 持 在 较 低 水 平 ) 的 共 模 范 围 内 计 算 完 成 后, 可 以 通 过 USB 模 块 将 数 据 发 送 到 液 晶 显 示 屏, 还 可 以 利 用 Microchip 无 线 模 块 通 过 无 线 方 式 进 行 发 送 通 过 PIC24FJ128GC010 中 的 RTCC, 可 以 很 容 易 地 对 读 数 标 记 时 间 / 日 期, 以 便 按 照 时 间 顺 序 记 录 血 压 读 数 DS A_CN 第 18 页 2014 Microchip Technology Inc.

19 图 17: 血 压 袖 带 原 理 图 DAC1 OA2 1 nf DAC2 2SMPP-2 MCP6N K 1 µf 1M O OA1 SD_ADC FB 30K 1 µf 10K 0.1% 1K 1K 3.6K 1 µf 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 19 页

20 血 糖 测 量 血 糖 仪 是 糖 尿 病 患 者 日 常 使 用 的 家 用 血 糖 监 测 装 置 的 关 键 部 件 该 技 术 采 用 特 殊 的 试 验 片, 试 验 片 上 添 加 了 特 定 化 学 品, 以 便 在 被 电 流 激 励 时 与 葡 萄 糖 发 生 化 学 反 应 反 应 导 致 电 子 向 一 个 感 测 电 极 移 动, 血 糖 仪 在 一 段 时 间 内 读 取 这 种 移 动, 从 而 计 算 出 血 糖 浓 度, 单 位 为 毫 克 每 分 升 (mg/dl) 或 毫 摩 尔 每 升 (mmol/l) 详 细 的 实 现 示 例, 请 参 见 应 用 笔 记 AN1560 Glucose Meter Reference Design (DS ) 可 用 的 试 验 片 有 多 种 类 型, 它 们 都 有 自 己 特 有 的 匹 配 连 接 器 和 接 口 要 求 本 例 中 是 一 种 常 见 的 3 端 试 验 片, 带 有 地 线 输 入 驱 动 信 号 和 输 出 电 流 引 线 具 体 实 现 方 式 将 以 实 际 选 择 的 试 验 片 为 基 础 请 参 见 下 面 的 图 18 图 18: 血 糖 测 量 100 nf DAC1 100K 100 nf 试 验 片 OA1 10K 1 µf SD_ADC DAC2 10K 100 nf 化 学 反 应 的 激 活 电 流 通 过 DAC1 设 置 产 生 的 电 流 被 OA1 转 换 为 电 压 并 通 过 一 个 2 极 16 Hz 的 噪 声 滤 波 器 送 到 SD_ADC DAC2 调 整 所 有 直 流 失 调, 以 降 低 共 模 噪 声 注 意,SD_ADC 输 入 引 脚 具 有 相 同 的 阻 抗, 将 使 噪 声 保 持 在 最 小 值 为 了 获 得 最 窄 的 带 宽, 软 件 将 OSR 设 置 为 1024 由 于 反 应 需 要 几 秒 钟 的 时 间, SD_ADC 可 以 对 多 个 读 数 求 平 均 值, 以 实 现 精 确 计 算 读 数 利 用 线 性 回 归 法 获 得 最 终 的 血 糖 读 数 DS A_CN 第 20 页 2014 Microchip Technology Inc.

21 拓 展 读 物 1. J. Vanderkooy 和 S.P.Lipshitz Resolution Below the Least Significant Bit in Digital Systems with Dither 听 觉 工 程 学 协 会 会 刊, 第 32 卷, 第 页 2. R. Lyons 和 R. Yates, Reducing ADC Quantization Noise 微 波 和 射 频 杂 志,2005 年 6 月 3. FilterLab 2.0 User s Guide (DS51419) Microchip Technology Inc., 2003 年 4. R. Bristow-Johnson, Fixed-Point DC Blocking Filter with Noise Shaping 5. P. Horowitz 和 W. Hill, The Art of Electronics 剑 桥 大 学 出 版 社, 第 281 页,1989 年 6. M. Ferdjallah R. E. Barr. Adaptive Digital Notch Filter Design on the Unit Circle for the Removal of Power-line Noise from Biomedical Signals IEEE 生 物 医 学 工 程 汇 刊, 第 41 卷, 第 6 版 7. M. Apte W. Fisk 和 J. Daisey, Associations Between Indoor CO 2 Contrations and Sick Building Syndrome Symptoms in U.S. Office Buildings 国 际 室 内 空 气 品 质 与 气 候 学 术 会 议, 第 10 卷, 第 页, 2000 年 8. MCP1650/51/52/ khz 升 压 控 制 器 (DS21876A_CN) Microchip Technology Inc 年 9. P. Yedamale 和 J. Bartling, AN1375 CTMU 的 用 途 (DS01375A_CN) Microchip Technology Inc. 第 7 页, 2011 年 10. B. Baker,AN699, Anti-Aliasing, Analog Filters for Data Acquisition Systems (DS00699) Microchip Technology Inc 年 11. Rodger Richey,AN643, Adaptive Differential Pulse Code Modulation Using PIC Microcontrollers (DS00643) Microchip Technology Inc 年 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 21 页

22 注 : DS A_CN 第 22 页 2014 Microchip Technology Inc.

23 请 注 意 以 下 有 关 Microchip 器 件 代 码 保 护 功 能 的 要 点 : Microchip 的 产 品 均 达 到 Microchip 数 据 手 册 中 所 述 的 技 术 指 标 Microchip 确 信 : 在 正 常 使 用 的 情 况 下, Microchip 系 列 产 品 是 当 今 市 场 上 同 类 产 品 中 最 安 全 的 产 品 之 一 目 前, 仍 存 在 着 恶 意 甚 至 是 非 法 破 坏 代 码 保 护 功 能 的 行 为 就 我 们 所 知, 所 有 这 些 行 为 都 不 是 以 Microchip 数 据 手 册 中 规 定 的 操 作 规 范 来 使 用 Microchip 产 品 的 这 样 做 的 人 极 可 能 侵 犯 了 知 识 产 权 Microchip 愿 与 那 些 注 重 代 码 完 整 性 的 客 户 合 作 Microchip 或 任 何 其 他 半 导 体 厂 商 均 无 法 保 证 其 代 码 的 安 全 性 代 码 保 护 并 不 意 味 着 我 们 保 证 产 品 是 牢 不 可 破 的 代 码 保 护 功 能 处 于 持 续 发 展 中 Microchip 承 诺 将 不 断 改 进 产 品 的 代 码 保 护 功 能 任 何 试 图 破 坏 Microchip 代 码 保 护 功 能 的 行 为 均 可 视 为 违 反 了 数 字 器 件 千 年 版 权 法 案 (Digital Millennium Copyright Act) 如 果 这 种 行 为 导 致 他 人 在 未 经 授 权 的 情 况 下, 能 访 问 您 的 软 件 或 其 他 受 版 权 保 护 的 成 果, 您 有 权 依 据 该 法 案 提 起 诉 讼, 从 而 制 止 这 种 行 为 提 供 本 文 档 的 中 文 版 本 仅 为 了 便 于 理 解 请 勿 忽 视 文 档 中 包 含 的 英 文 部 分, 因 为 其 中 提 供 了 有 关 Microchip 产 品 性 能 和 使 用 情 况 的 有 用 信 息 Microchip Technology Inc. 及 其 分 公 司 和 相 关 公 司 各 级 主 管 与 员 工 及 事 务 代 理 机 构 对 译 文 中 可 能 存 在 的 任 何 差 错 不 承 担 任 何 责 任 建 议 参 考 Microchip Technology Inc. 的 英 文 原 版 文 档 本 出 版 物 中 所 述 的 器 件 应 用 信 息 及 其 他 类 似 内 容 仅 为 您 提 供 便 利, 它 们 可 能 由 更 新 之 信 息 所 替 代 确 保 应 用 符 合 技 术 规 范, 是 您 自 身 应 负 的 责 任 Microchip 对 这 些 信 息 不 作 任 何 明 示 或 暗 示 书 面 或 口 头 法 定 或 其 他 形 式 的 声 明 或 担 保, 包 括 但 不 限 于 针 对 其 使 用 情 况 质 量 性 能 适 销 性 或 特 定 用 途 的 适 用 性 的 声 明 或 担 保 Microchip 对 因 这 些 信 息 及 使 用 这 些 信 息 而 引 起 的 后 果 不 承 担 任 何 责 任 如 果 将 Microchip 器 件 用 于 生 命 维 持 和 / 或 生 命 安 全 应 用, 一 切 风 险 由 买 方 自 负 买 方 同 意 在 由 此 引 发 任 何 一 切 伤 害 索 赔 诉 讼 或 费 用 时, 会 维 护 和 保 障 Microchip 免 于 承 担 法 律 责 任, 并 加 以 赔 偿 在 Microchip 知 识 产 权 保 护 下, 不 得 暗 中 或 以 其 他 方 式 转 让 任 何 许 可 证 QUALITY MANAGEMENT SYSTEM CERTIFIED BY DNV == ISO/TS == 商 标 Microchip 的 名 称 和 徽 标 组 合 Microchip 徽 标 dspic FlashFlex flexpwr JukeBlox KEELOQ KEELOQ 徽 标 Kleer LANCheck MediaLB MOST MOST 徽 标 MPLAB OptoLyzer PIC PICSTART PIC 32 徽 标 RightTouch SpyNIC SST SST 徽 标 SuperFlash 及 UNI/O 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 他 国 家 或 地 区 的 注 册 商 标 The Embedded Control Solutions Company 和 mtouch 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 注 册 商 标 Analog-for-the-Digital Age BodyCom chipkit chipkit 徽 标 CodeGuard dspicdem dspicdem.net ECAN In-Circuit Serial Programming ICSP Inter-Chip Connectivity KleerNet KleerNet 徽 标 MiWi MPASM MPF MPLAB Certified 徽 标 MPLIB MPLINK MultiTRAK NetDetach Omniscient Code Generation PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail RightTouch 徽 标 REAL ICE SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC USBCheck VariSense ViewSpan WiperLock Wireless DNA 和 ZENA 均 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 和 其 他 国 家 或 地 区 的 商 标 SQTP 为 Microchip Technology Inc. 在 美 国 的 服 务 标 记 Silicon Storage Technology 为 Microchip Technology Inc. 在 除 美 国 外 的 国 家 或 地 区 的 注 册 商 标 GestIC 为 Microchip Technology Inc. 的 子 公 司 Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 在 除 美 国 外 的 国 家 或 地 区 的 注 册 商 标 在 此 提 及 的 所 有 其 他 商 标 均 为 各 持 有 公 司 所 有 2014, Microchip Technology Inc. 版 权 所 有 ISBN: Microchip 位 于 美 国 亚 利 桑 那 州 Chandler 和 Tempe 与 位 于 俄 勒 冈 州 Gresham 的 全 球 总 部 设 计 和 晶 圆 生 产 厂 及 位 于 美 国 加 利 福 尼 亚 州 和 印 度 的 设 计 中 心 均 通 过 了 ISO/TS-16949:2009 认 证 Microchip 的 PIC MCU 与 dspic DSC KEELOQ 跳 码 器 件 串 行 EEPROM 单 片 机 外 设 非 易 失 性 存 储 器 和 模 拟 产 品 严 格 遵 守 公 司 的 质 量 体 系 流 程 此 外, Microchip 在 开 发 系 统 的 设 计 和 生 产 方 面 的 质 量 体 系 也 已 通 过 了 ISO 9001:2000 认 证 2014 Microchip Technology Inc. DS A_CN 第 23 页

24 全 球 销 售 及 服 务 网 点 美 洲 亚 太 地 区 亚 太 地 区 欧 洲 公 司 总 部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技 术 支 持 : support 网 址 : 亚 特 兰 大 Atlanta Duluth, GA Tel: Fax: 奥 斯 汀 Austin, TX Tel: 波 士 顿 Boston Westborough, MA Tel: Fax: 芝 加 哥 Chicago Itasca, IL Tel: Fax: 克 里 夫 兰 Cleveland Independence, OH Tel: Fax: 达 拉 斯 Dallas Addison, TX Tel: Fax: 底 特 律 Detroit Novi, MI Tel: 休 斯 敦 Houston, TX Tel: 印 第 安 纳 波 利 斯 Indianapolis Noblesville, IN Tel: Fax: 洛 杉 矶 Los Angeles Mission Viejo, CA Tel: Fax: 纽 约 New York, NY Tel: 圣 何 塞 San Jose, CA Tel: 加 拿 大 多 伦 多 Toronto Tel: Fax: 亚 太 总 部 Asia Pacific Office Suites , 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: 中 国 - 北 京 Tel: Fax: 中 国 - 成 都 Tel: Fax: 中 国 - 重 庆 Tel: Fax: 中 国 - 杭 州 Tel: Fax: 中 国 - 香 港 特 别 行 政 区 Tel: Fax: 中 国 - 南 京 Tel: Fax: 中 国 - 青 岛 Tel: Fax: 中 国 - 上 海 Tel: Fax: 中 国 - 沈 阳 Tel: Fax: 中 国 - 深 圳 Tel: Fax: 中 国 - 武 汉 Tel: Fax: 中 国 - 西 安 Tel: Fax: 中 国 - 厦 门 Tel: Fax: 中 国 - 珠 海 Tel: Fax: 台 湾 地 区 - 高 雄 Tel: 台 湾 地 区 - 台 北 Tel: Fax: 台 湾 地 区 - 新 竹 Tel: Fax: 澳 大 利 亚 Australia - Sydney Tel: Fax: 印 度 India - Bangalore Tel: Fax: 印 度 India - New Delhi Tel: Fax: 印 度 India - Pune Tel: 日 本 Japan - Osaka Tel: Fax: 日 本 Japan - Tokyo Tel: Fax: 韩 国 Korea - Daegu Tel: Fax: 韩 国 Korea - Seoul Tel: Fax: 或 马 来 西 亚 Malaysia - Kuala Lumpur Tel: Fax: 马 来 西 亚 Malaysia - Penang Tel: Fax: 菲 律 宾 Philippines - Manila Tel: Fax: 新 加 坡 Singapore Tel: Fax: 泰 国 Thailand - Bangkok Tel: Fax: 奥 地 利 Austria - Wels Tel: Fax: 丹 麦 Denmark-Copenhagen Tel: Fax: 法 国 France - Paris Tel: Fax: 德 国 Germany - Dusseldorf Tel: 德 国 Germany - Munich Tel: Fax: 德 国 Germany - Pforzheim Tel: 意 大 利 Italy - Milan Tel: Fax: 意 大 利 Italy - Venice Tel: 荷 兰 Netherlands - Drunen Tel: Fax: 波 兰 Poland - Warsaw Tel: 西 班 牙 Spain - Madrid Tel: Fax: 瑞 典 Sweden - Stockholm Tel: 英 国 UK - Wokingham Tel: Fax: /25/14 DS A_CN 第 24 页 2014 Microchip Technology Inc.