TI大學計劃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理與設計總結(jié)手冊

作為世界領先的半導體產(chǎn)品供應商，TI 不僅在 DSP 的市場份額上有超過 65％占有率的絕 對優(yōu)勢；在模擬產(chǎn)品領域，TI 也一直占據(jù)出貨量世界第一的位置。而本手冊是針對中國大學 生創(chuàng)新活動的簡化選型指南，幫助老師和同學們快速了解 TI 的模擬產(chǎn)品。 需要提醒大家的 是， 這本手冊僅僅涵蓋了 TI 模擬產(chǎn)品的一小部分， 如果您需要更為全面細致的選型幫助和 技術文檔，請訪問 www.ti.com/analog 以獲取運算放大器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，電源管理，時鐘， 接口邏輯和 RF 等產(chǎn)品信息，訪問 www.ti.com/mcu 以獲得更多 MSP430,Tiva 和 C2000 的產(chǎn)品 信息。 眾人拾柴火焰高，如果你讀過本手冊的前面幾個版本，一定會對其中略去的幾個章節(jié)耿 耿于懷，也會對其中草草結(jié)束的部分感到不滿，今年在 TI 中國大學計劃工程師團隊的共同努 力下,我們基于 2012 年的版本將本手冊進行了第一階段的充實工作。比如我們加入了原理部 分，解讀了放大器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，電源的指標和選型方案；比如我們完善了應用技巧相關的 章節(jié)，突出了實際操作中需要注意的問題，比如噪聲控制，PCB 設計，等等；比如我們開始 逐步強調(diào)模數(shù)混合系統(tǒng)設計的重要性，畢竟在現(xiàn)代的電子系統(tǒng)中，純模擬的模塊已經(jīng)越來越 少了。諸如這些改進，都是為了把更多的業(yè)界先進技術帶給高校學生，加強同學們的工程實 踐能力，培養(yǎng)系統(tǒng)設計意識。 本手冊將分為以下幾部分介紹信號鏈和電源相關的知識及 TI 產(chǎn)品在大學生創(chuàng)新活動中的 應用： 第一部分：運算放大器的原理和設計，由王沁工程師整理和編寫； 第二部分：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的原理和設計，由崔萌工程師整理和編寫，鐘舒陽和謝勝祥兩位 工程師也參與了其中的部分章節(jié)； 第三部分：線性電源和開關電源的原理和設計，由胡國棟工程師整理和編寫，汪帥工程 師也參與了其中的部分章節(jié)。 全書由黃爭規(guī)劃并進行了校對和修改。但是由于時間倉促，水平有限，手冊中一定存在 不少錯漏，請大家積極給予反饋，提出寶貴意見。 德州儀器中國大學計劃 I TI 概覽 德州儀器公司，Texas Instruments，即 TI，是總部在美國德克薩斯州的一家高科技企業(yè)。實 際上 TI 的中文名字并不是特別的“清晰明了”，一方面是容易跟咱們的山東德州（因扒雞而聞名） 混淆；另一方面，我曾被問到，參加你們的大學計劃，買示波器這類“儀器”打幾折？在這些令人 哭笑不得的問題背后，其實是 TI 近 80 年的悠久歷史。德州是美國的主要石油產(chǎn)地， 1930 年 TI 的前身“Geophysical Service Inc.”在德州成立時的主要目的是研發(fā)地震儀和石油探測儀器，因此 GSI 在 1950 年正式上市時就挑中了德州儀器這個名字。這也就是 TI 名字的由來。 在 1958 年，TI 的工程師 Jack Kailby 先生發(fā)明了世界上首顆集成電路芯片，這項發(fā)明為人類 進步做出了巨大的貢獻， Jack Kailby 先生也因此在 2000 年獲得了諾貝爾物理學獎。從此，半導 體業(yè)務開始在 TI 發(fā)芽。但是，60/70 年代的美國企業(yè)追求的是大而全，TI 也不例外，擁有非常多 的業(yè)務部門，這種情況一直持續(xù)到 90 年代中期。在這 30 年間，TI 在半導體研發(fā)方面一直保持著 創(chuàng)新，從第一顆單芯片微處理器，到最簡單的數(shù)字語音合成芯片“spell & speak”，到 1982 年的 第一個單芯片數(shù)字信號處理器（DSP），到 1993 年發(fā)明的數(shù)字光源處理技術（DLP）片，半導體 業(yè)務開始在 TI 的營收中占據(jù)著越來越重要的地位。在 1995 年的時候，TI 的營收達到了 130 億美 元，成為過百億美元的財富 500 強，但有些業(yè)務在市場的排名并不十分理想，比如，筆記本電腦 排名第九，企業(yè)軟件排名第十，打印業(yè)務排名第九，國防工業(yè)排名第十，惟一排到第一位的就是 DSP 業(yè)務。 面對更大的競爭和即將來臨的網(wǎng)絡時代，TI 高層銳意變革，在 90 年代初就非常有遠見的提 出了要做“數(shù)字時代的領導者”。1996 年 Tom Engibous 出任 TI 總裁，確定了 TI 的重點在半導體 業(yè)務上，重中之重是 DSP 和 Analog。在 1996 年到 2000 年間，TI 連續(xù)賣出了 20 余家公司，又買 入了 20 余家，完成了從多樣化業(yè)務到半導體專營業(yè)務的轉(zhuǎn)變。從此，TI 的半導體業(yè)務進入了高 速發(fā)展期，在 DSP 方面，業(yè)界最快的 TMS320CC6000 系列、功耗最低的 TMS320C55xx 系列、第 一顆運算速度超過 1GHz 的 C64x、第一顆 ADSL 調(diào)制解調(diào)芯片、ARM+DSP 雙核架構的 OMAP 處理 器等一系列領先產(chǎn)品的推出，使得 TI 在 DSP 領域奠定了世界第一的地位。 在模擬方面，TI 在 2000 年以當時創(chuàng)紀錄的 60 億美元收購了以設計和制造高端運放和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換器著稱的 Burr-Brown 公司，這項收購非常大膽，因為當時 TI 的年收入也只有 130 億美元。但 是這也充分說明了模擬在 TI 戰(zhàn)略中的重要性。接下來 TI 又收購了 Unitrode、Power Trends 等公 司來壯大自己的電源方面的實力。在 2007 年，TI 收購了 Chipcon，在低功耗無線通信領域又占據(jù) 了市場份額第一的位置。 II 在單片機方面，TI 在 90 年代末把 MSP430 從專供表類客戶的應用中推到通用市場，其業(yè)界 最低的功耗，集成的高性能模擬和數(shù)字外設都倍受客戶青睞；C2000 數(shù)字信號控制器因為其 DSP 的性能，單片機的價格被譽為實時單片機；而在 2009 年 TI 收購了 Luminary Micro，以最快的方 式擁有了 Cortex M3 單片機家族，TI M3 因其低廉的價格，通用的架構，不俗的性能在單片機市 場上迅速占領了一席之地。 從下面的系統(tǒng)框圖中，我們可以清楚看到 TI 在每一個電子系統(tǒng)的每一個角落都占據(jù)著業(yè)界 數(shù)一數(shù)二的地位。而正因為持續(xù)不斷的創(chuàng)新和進取，TI 連續(xù) 7 年被《財富》雜志評為全球和全美 國最受尊敬的半導體公司，評分遠超其他半導體企業(yè)。 數(shù)字信號處理是對理論和實踐都要求極高的一門學科，采樣理論，譜分析，濾波器設計， 抽取，小信號提取，這些概念和算法包含了一大堆讓人頭暈眼花的數(shù)學公式。推導這些理論已經(jīng) 夠讓人頭疼，那么怎么實現(xiàn)它們呢？TI 從第一顆 TMS32010 問世開始就一直致力于簡化工程師實 現(xiàn)數(shù)字信號處理算法的難度。1996 年 TI 進入中國設立辦事處，當時中國熟悉 DSP 理論的人越來 越多，但是如何使用硬件來實現(xiàn)這些理論卻是個巨大的挑戰(zhàn)。TI 管理層敏銳察覺到這個問題， 抓住時機在中國高校中開展 TI DSP 大學計劃，并在 1998 年和教育部簽訂諒解備忘錄，承諾在中 國高校中投資建立 100 個 DSP 實驗室，幫助中國高校掌握和應用世界領先的 DSP 技術。2007 年 10 月，TI CEO 理查德.譚普頓先生來訪中國，宣布核心大學計劃在中國正式啟動，這標志著 TI 將繼續(xù)擴大對中國教育界的投入，比如 TI 中國大學計劃將正式擴展到模擬技術和單片機領域， 與高等學校進行合作，通過建立學生模擬創(chuàng)新實驗室、對教師進行模擬技術和單片機相關的專業(yè) 知識培訓、支持學生參加各種電子設計競賽等形式，強調(diào)模擬及模數(shù)混合電路的重要性。