ADALM1000初体验

今天给大家分享一个好玩的小玩意儿，也是未来文章中出现的常客。在我短暂的开发生涯中，我知道了基础学科的专业性，就是在理论的指导下实际的实验才会可能正确。我承认我是一个理论的巨人，实践的矮子，但是不妨碍我现在开始长。

我随便给一个三极管的输出曲线，搞电子的都不陌生，但是我问你，这个就是数据手册上面花的图， 你有几个人是用示波器，稳压电源真实的看到了这些物理现象？估计没几个吧？因为搭建一个测试的平台是需要不少的设备和精力要在里面的。这就是模拟电路的难处，我现在随手和你聊起这些基础的东西，各个电阻的计算，你肯定说不过我，但是我就是搭不好一个模拟电路，我知道它应该是这样的，但是它却是哪样的。

前一段时间写过一个很短的文章，叫学会尊重工程。

“工科理科化”不仅让学生养成了远离工程不爱动手的习惯，更糟糕的是我们还丧失了对工程的兴趣。变得“只会纸上谈兵，也更喜欢纸上谈兵”。学生大一、大二阶段课程中的理论知识量比较大，依赖短期记忆、通过考试拿到学分的学生，三个月左右就会将前一学期的大部分课程知识忘掉。 当他们大三、大四寻找这些知识的用途时，早已忘得干干净净。“很多学校甚至鼓励学生从大一大二就开始准备考研，工科考研侧重基础理论，不考察动手实践能力，进一步加剧了理科化趋势。”工科生的研究能力越来越停留在“仿真层面”。工程师要学会造物，工程包含知识，但不是一个知识体，工程是一个过程，是个迭代变化的过程。工程做到深处，总是要依靠理论知识和对事物的洞察力。最重要的收获，是逐渐学会尊重工程。

在一个月以前研究三极管的时候就看到了一个叫ADALM2000的各种电子学实验，但是2K的价格直接就把我劝退了，然后找了一下发现便宜一些的平替。

还是让我说明一下这个东西是什么吧。

ADALM1000是一款学习工具，旨在让你与周围世界的互动更加轻松、直观。它提供两个模拟通道，允许你获取和测量电压或电流波形，轻松表征任意系统的电压与电流、随时间和随频率的关系。为了提供此功能，它使用了许多构建块来采用USB的固定电源和数字接口，并提供 0 至 5 伏 ( V )、-200 至 200 毫安 ( mA ) 的电压和电流操作，具有精确度和精度。精度优于 100μV、100μA 和 10μS。 经济实惠的仪器结合了分析仪、发生器、曲线追踪器和电流/电压系统的功能。提供对工程环境中使用的真实电路和概念的分析能力。免费提供在线实验室和课程，供教育工作者和学生掌握困难的工程概念。结构化的实践活动可以激发和加速学习，并培养对基本工程概念的兴趣。帮助培养职业发展所需的批判性思维技能。 总结一下就是一个ADC+DAC，然后搭配一些比较强大的上位机，我最心动的地方在于，它里面的所有东西都是开源的，从硬件到固件。

固件一角

还有官方支持的MATLAB，简直高兴的要死，高级的包都可以使用起来

这些东西简直比我捡钱了都开心，我就是想知道这么复杂的测量系统是如何构建的，而且在上下位机之间是如何工作的，我太想知道了。

看着这些复杂的芯片就激动的不行

这是它的一些参数

内部

密密麻麻的芯片

这个东西可以研究的方面有，这个硬件本身的设计，固件设计，上位机设计，以及各种器件之间的实验。

今天的时间有限，我就想简单的说下本身的硬件配置。太有学习的必要了、

电源

USB规范（可从USB 实施者论坛获取）是一份 600 多页的文档，描述了 USB2.0 设备理想操作的各个方面。 它要求连接的设备从所提供的电源中消耗的电流小于 500mA，允许的范围从高达 5.25v 到低至 4.40v - 对于精密工具来说，如此宽的跨度显然是不可接受的！ 此外， USB端口上的可用功率在电气噪声和电气保护方面可能存在很大差异。连接到共享USB总线的不合格设备可能会给电源电压带来数十甚至数百毫伏的噪声。 制作不良的计算机可能无法处理USB上的过流情况总线上的任何操作都不仅仅是立即完全关闭电源，或者更糟糕的是，永久禁用USB端口。如果在旧计算机上使用 M1k 会降低测量的准确性，那将是不幸的；如果在设备正常操作过程中出现错误导致所连接的计算机面临损坏或丢失数据的风险，那将是不可接受的。 为了解决这些问题并为模拟前端提供受保护的低噪声电压电源，设计了一个复杂的供应链，以确保无论输入如何，输出端均可提供完整的 0-5v 范围，并且无论短路或过压，设备，主机 PC 不会面临不可接受的风险。M1K 电源链总共由三个线性稳压器、两个开关稳压器、一个“热插拔”控制器和一个精密基准电压源组成。USB总线的原始 5V 电源首先用于向微控制器提供 3.3V 电压，该电压是使用ADP7118固定电压线性稳压器生成的。该稳压器及其提供的微控制器始终处于开启状态，因为微控制器负责向主机请求可用的全部 500mA 电流。 设备枚举后，使用ADM1177热插拔控制器启用模拟前端，从而可以正常开启电源部分的其余部分以及过流（短路）保护。ADM1177监视 0.1 欧姆电流检测分流电阻器上的压降并控制 N-FET 功率晶体管的栅极。当热插拔控制器的使能引脚被驱动为高电平时，它会以外部电容器确定的速率将电流泵入开关晶体管的栅极，直到晶体管的栅极远高于输入电压，并且晶体管动作作为具有固定（小）电阻的串联电阻。ADM1177持续监控分流电阻，当分流电阻两端的压降增加到超过 100mV（相当于 1A），持续时间超过 C11 的 100nF 定义的 270μS 时，ADM1177软启动引脚和地，电路板模拟部分的电源被禁用。 USB指定了最大电流以及主机存在潜在风险的点。该控制器还用于控制与位于上游电源和设备模拟部分之间的大型储能电容器相关的浪涌电流。这些组件对于允许本地需求电流在短时间内超过上游电源的能力非常重要，但如果它们没有缓慢上升到工作电压，当设备启动时，它们将在几微秒内消耗潜在的电流。首次连接，可能会导致主机出现故障。 有两种开关模式稳压器使用电感器中的能量存储来完成标准 CMOS（互补金属氧化物晶体管、电阻器、电容器）电路难以（并非完全不可能）完成的任务 - 增加电压并提供负电压。 基于ADP1614的升压转换器用于通过磁通电感器并引起电流突然变化来生成 6.5 V 电源轨，从而产生高于用于在电感器磁芯磁通量中存储能量的电压。这种升压电源的噪声相对较大，其频率成分从开关频率（固定为 1.3MHz）到其数倍，这是由于电压和电流输出波形不一致造成的。pi 拓扑滤波器大输出电容器用于衰减高频噪声分量并平均输出电压。结果是 6.5V 电源具有相对较小的输出噪声和较小的电流消耗。随着电流消耗增加，输出噪声也会增加，并且由于升压转换器固有的噪声拓扑，一些宽带噪声仍然存在。 为了进一步降低噪声，并向模拟前端提供干净的“高”电压轨（必须能够以高达 200mA 的电流提供 5V 电压），ADM7171可调电压调节器用于将约 500mV 的余量电压以及约 50mV 的电噪声转换为热量。可调线性稳压器产生的 6v 输出在整个频谱范围内相对来说没有噪声。该 6.0v 电源用于输出级中的模拟组件。即使在与模拟前端相关的额外压降之后，该 6v电源也提供了超过所需的余量，使输出放大器能够在输出端提供 5v 电压。ADP2442是第二个开关稳压器AN-1269，用于反相降压-升压配置，提供低于 USB 最小电源（0v，接地）的电压。为了提供一直接地 (0v) 的输出操作，以类似于上述 6v5 轨生成的方式生成负一伏轨 (-1v0) - 能量存储在电感器中，电流突然变化创建接地less than电位。类似的 pi 滤波器拓扑用于衰减此过程产生的带外信号，从而产生足够干净的 -1v0 电源，为输出级以及伺服放大器供电。 生成输出级所需的电压后，需要额外的清洁电源来操作模拟系统的其他方面。数据转换器（DAC 和 ADC）要求模拟输出/输入电压小于或等于电源电压，并且都要求电源电压小于 5.5v。 因此，使用ADP7118线性稳压器从上述 6.0v 电源轨生成 5.0v 电源轨，为其余混合信号组件（上述AD5663R数模转换器）提供低噪声、高精度电压源，这两个组件AD7682模数转换器、AD8210电流检测差分放大器和ADG719模拟模式开关。噪声更低的 5.0v 电源又用于为精密电压基准供电，ADR381与 510 欧姆负载电阻结合使用，提供高精度、低噪声 2.5V 电源，能够提供和吸收模拟前端所需的几毫安电流。 之后我们看原理图吧，设计的太叼了。数模转换为了从数字连接设备提供模拟输出，信号从波形的二进制表示转换为模拟近似值。该过程是使用两通道AD5663R数模转换器实现的，提供 16b 转换、快速建立时间（高带宽）和简单的数字接口。 数字接口是使用与串行外设接口（或SPI）密切相关的时钟数字串行协议来实现的。） 标准。包含十六位数据和八个配置位的二十四位字被写入数字线，从高位开始，一直到最后一位。单独的时钟线用于指定数据在哪些时间点有效。同步线被选通以交替后续的 24b 字。锁存线被选通以触发将存储在器件存储器中的字转换为输出线上的模拟电压。对于器件上的每个样本，写入两个 24b 字，选通它们之间的同步线，然后切换锁存线以同时开始模拟值的变化。为了减少模拟值变化的高频成分，在器件的模拟输出端放置了两个串联的单极点低通滤波器，模数转换为了测量来自数字连接设备的模拟信号，模拟信号必须被离散化，因此，构建频率正确、高精度的模拟信号表示形式面临着所有挑战。为了对两个模拟通道（每个通道都有电压和电流测量）进行采样，使用了两个四通道AD768216 位模数转换器，每个转换器接收两个通道的模拟信号，从而可以同时转换任意通道的电压和电流。任一通道的组合。伺服回路M1K 的模拟前端围绕每个通道的单个控制环路构建，其中一个模拟开关用于在电压和电流控制之间切换，另一个模拟开关用于控制通道输出的特性。模拟控制环路用于根据来自数模转换器的输入信号来伺服测量参数。该环路由多个分立组件构成，每个组件都至关重要，并且针对当前的应用精心挑选。该环路需要向外部系统提供至少一瓦的电力或由外部系统提供的电力，并具有高带宽，以便实现高达几百千赫兹的目标信号输出。 此外，环路需要提供与所选 16b 数据转换器相匹配的低噪声和高精度操作。平衡这些参数会导致环路反馈控制和功率输出级的分离。功率级由高输出电流驱动器部件构建 - 由于有限的输入电压范围和即使在低控制下也非零压降，驱动器被配置为增益为 2 的非反相放大器，参考高精度 2.5v供应。 由于在此配置中，功率级将电流吸收至 2.5v 电源轨，并且精密基准能够实现对称性能，因此吸收电流和源电流都很昂贵，因此产生 2.5v 电源的基准采用小型 (500o) 下拉电阻器进行偏置以保持（共享其他组件）参考的正确性能。功率级由高输出电流驱动器部件构建 - 由于有限的输入电压范围和即使在低控制下也非零压降，驱动器被配置为增益为 2 的非反相放大器，参考高精度 2.5v供应。 由于在此配置中，功率级将电流吸收至 2.5v 电源轨，并且精密基准能够实现对称性能，因此吸收电流和源电流都很昂贵，因此产生 2.5v 电源的基准采用小型 (500o) 下拉电阻器进行偏置以保持（共享其他组件）参考的正确性能。功率级由高输出电流驱动器部件构建 - 由于有限的输入电压范围和即使在低控制下也非零压降，驱动器被配置为增益为 2 的非反相放大器，参考高精度 2.5v供应。由于在此配置中，功率级将电流吸收至 2.5v 电源轨，并且精密基准能够实现对称性能，因此吸收电流和源电流都很昂贵，因此产生 2.5v 电源的基准采用小型 (500o) 下拉电阻器进行偏置以保持（共享其他组件）参考的正确性能。 该同相功率放大器级使用电流反馈架构来实现其提供的高带宽和功率。这种拓扑模仿了更传统的电压反馈部件，但有一些额外的注意事项。甚至毫微微法或皮法的寄生电容的存在，加上理想功率放大器级所需的高带宽，很容易产生高频振荡，除非在反馈中添加串联 RC 反馈网络作为高通滤波器，从而降低总体高频增益。放大器，但保持所有负载的稳定性。功率放大器的输出端添加了一个 2 欧姆串联电阻，以设置设备的最小输出阻抗，从而保护 m1000 和任何连接的系统免受过流情况的影响。 该功率放大器采用高精度轨至轨运算放大器，输入和输出电压偏移均较低。ADA4661还可以用作单位增益电流放大器，针对[其他地方]所述的AD8210 电流检测放大器的输出。ADG719 CMOS 模拟开关可以选择将电流检测反馈或电压检测反馈连接到伺服放大器的反相输入。 相比之下，伺服放大器相对轻松，但需要仔细考虑，以确保系统行为，同时在代表极高或极低噪声或阻抗的负载上施加电流。模拟电位器用作可编程全通滤波器，对环路频率响应提供一定程度的控制，并具有可调节的高频增益或衰减。这使得即使在 t=0 时的大电感器等高阻抗设备上也能以更高的精度提供电流，其中小的扰动很容易产生高振幅、高变化率的感测信号。 电流测量任何反馈控制系统的特性（例如 M1K 上的电流力环）至少受到传感器特性的限制。此外，M1K 表征连接系统阻抗的能力依赖于对实际输出电流的精确、高速测量。在类似此类器件的设计中，电流测量是限制性能的主要障碍，而INA213、LT1999 或 MAX9919F等经济高效的测量器件均面临着共模误差、低速或共模非线性的问题。 模式电压范围。这并不令人震惊。所有这些放大器都有一项艰巨的任务 - 在高端检测配置中，它们监视充当分流器的小型精密电阻器上的压降。这些部件必须放大微伏的差分信号，同时抑制快速变化的共模电位。在空载输出上以 10 kHz 扫描 0 至 5 伏的三角波，即使对于这些放大器中最好的放大器来说也是一个挑战，因为它们的工作原理是抑制基波频率许多倍的谐波，跨越整个轨到轨输入范围。 当使用分立元件或集成解决方案实现时，在存在大共模电压的情况下测量小信号的放大器的标准拓扑并没有表现得更好。 规范的四电阻器、单运算放大器差分放大器提供了一种看似有吸引力的解决方案。首次检查时，该系统提供了完美的直流共模抑制、极高的输入阻抗、易于调节的增益以及宽输入电压范围。不幸的是，这些特性只有在使用理想电阻器和完美运算放大器实现拓扑时才存在，而这种拓扑结构非常罕见且昂贵。任何电阻之间小至 0.1% 的失配都会导致共模抑制不超过 66dB，相当于满量程扫描时出现的幻象毫安电流。 运算放大器节点之间的偏置电流、输入阻抗和寄生效应等额外不匹配使得该拓扑很难用于我们的目的。 三运算放大器仪表放大器是另一种在存在大共模电压的情况下经常遇到的小信号测量解决方案，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两个缓冲器/增益级，可提供更高的输入阻抗，并且通过将大多数匹配电阻器与放大器集成在同一芯片上，可以缓解导致共模性能较差的许多问题。通过工厂精确调整进行模式抑制。不幸的是，由于输入后紧接着增益级，因此该拓扑无法在电压源增益的倍数范围内对具有共模电压的信号进行测量。这意味着增益为 20 的三运放仪表放大器， 那么，M1K 是如何解决这一设计挑战的呢？ADI提供一系列适用于汽车发动机控制应用的高性能双向电流检测放大器。AD8210提供 450KHz 的小信号带宽，对于频率高达 100KHz 的 0v 至 5v 共模电压提供 80 至 95dB 的共模抑制，似乎非常适合高端分流信号转换。毫不奇怪，考虑到前面列举的挑战，从这一部分获得可接受的性能并非没有挑战。

让我们首先通过查看 AD8210 数据表中的图 1 来考虑 AD82xx 系列的拓扑。解释一下工作原理部分（第 X 页）以及与熟悉该部分的 ADI 人员的对话……由 R1、R2、A1、Q1、Q2 组成的电流模式差分放大器用于将输入端的小电压差转换为通过 Q1 和 Q2 发射极的电流差，Q1 和 Q2 用作从输入到输出增益级的前置放大器和缓冲器。R3 和 R4 将这些电流差转换回接地参考电压差，其中仪表放大器 A2 具有明确定义的操作，并对这些电压进行相减和相乘，从而提供净增益为 20 倍的中点参考输出电压。 该拓扑提供了先前描述的架构的许多优点，同时使用电平转换电流模式拓扑来解决上述架构的固有限制。将所有必要的匹配良好的组件集成在与主放大器相同的硅片上，允许工厂调整以保持所需的高共模抑制，并且电平转换架构可防止仪表放大器在各种范围内饱和。 上述电路的同样有效的表示显示了与负输入串联的 0.5Ω 检测电阻。看到问题了吗？0.5Ω 检测电阻对应于差分放大器输入级引脚之间大约 0.03% 的失配，导致观察到的共模信号衰减约 70dB。幸运的是，解决方案很简单 - 添加一个额外的 0.5Ω 电阻器与每个放大器的正输入串联，从而为“力”电流路径带来平衡。 模数转换器的最大电压输入与放大器的输出范围不匹配导致了额外的复杂性。由 150o 电阻器、600o 电阻器和 10nf 电容器构成直流增益为 4/5 且转折频率略高于 100KHz 的单极低通滤波器。这有助于将动态范围降低至与 ADC 的 4.096v 参考电压相匹配的动态范围，而无需添加额外的参考电压。这还提供了降低 ADC 的有效阻抗和带外噪声的额外好处，并有助于防止 ADC 采样反向耦合到模拟信号路径中。输出级为了寻求一款经济实惠的设备，作为在未知的供电或未供电系统上工作时的首选，我们对设备的输出级进行了仔细的考虑。来自磁通感应线圈的寄生电压尖峰或意外连接到外部电池不应立即对设备造成损坏。提供远远超出自然范围的电压和电流测量应该是微不足道的。 使设备处于能够测量非常小的电流信号的状态也应该是可行的，例如pH探针或热电偶产生的电势。这些看似矛盾的要求催生了围绕四通道低电阻开关构建的多功能输出级，提供五十欧姆连接电阻到半电位和零电位，以及到输出连接和功率驱动器输出的独立连接。这种配置允许单个外部电阻器将电压或电流分压至测量级范围内的水平。