设计目标

设计 说明

某些 MSP430™微控制器 (MCU) 包含可配置的集成信号链元件，例如运算放大器、DAC 和可编程增益级。这些元件组成了一个称为智能模拟组合 (SAC) 的外设。有关 SAC 的类型以及如何利用其可配置模拟信号链功能的信息，请访问 MSP430 MCU 智能模拟组合培训。要开始设计，请下载低噪声和远距离 PIR 传感器调节器电路设计文件。

此设计利用了 MSP430FR2355 MCU 中四个集成运算放大器块 (SAC) 中的其中两个模块。两个 SAC_L3 外设在通用模式下被配置为级联运算放大器，以对来自被动红外 (PIR) 传感器的信号进行放大和滤波。此电路包括多个低通和高通滤波器，可降低电路输出端的噪声，从而能够检测出远距离运动并减少误触发。该电路中第二级运算放大器的输出可以从内部或外部连接到 MSP430FR2355 MCU 中的其他集成外设。例如，模数转换器 (ADC) 窗口比较器可以周期性地对该输出进行采样（无需 CPU 干预），并在信号超过阈值时触发中断，以指示运动或警报。

设计说明

• 对于共模电压和输出偏置电压，使用 R₂ 和 R₃（以及 R₇ 和 R₈）之间的电阻分压器进行设置。
• 必须使用两个或更多个放大器级以能够有足够的环路增益。
• 可以添加其他低通和高通滤波器以进一步降低噪声。
• 电容器 C₄ 和 C₈ 通过减小电路带宽来过滤噪声，并帮助稳定放大器。
• 需要在放大器输出端使用 RC 滤波器（例如，R₆ 和 C₅）来降低放大器的总集成噪声。
• 电路的最大增益会受滤波器截止频率的影响。可能需要调整截止频率以实现所需增益。
• 在此设计中，MSP430FR2355 MCU 中的两个 SAC_L3 外设在通用模式下被配置为级联运算放大器。
• 也可以通过将跨阻放大器 (TIA) 和 MSP430FR2311 MCU 中的 SAC_L1 外设配置为级联运算放大器来实现此设计，但是由于 TIA 的最大输入电压限制为 VCC/2，因此共模电压和增益应相应地加以限制。
• 低噪声远距离 PIR 传感器调节器电路设计文件包含一个代码示例，演示如何在 MSP430FR2355 MCU 中正确配置 SAC_L3 和 ADC 窗口比较器外设。

设计步骤

1. 为低通滤波器选择高电容值电容器 C₁、C₅ 和 C₉。应首先选择这些电容器，因为与标准电阻器的值相比，高电容值电容器的可供选择的标准值有限。
${\mathrm{C}}_1={\mathrm{C}}_5={\mathrm{C}}_9=10\mathrm{\mu F}$
2. 计算 R₁、R₆ 和 R₁₁ 的电阻器值以构成低通滤波器。
$$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_6={\mathrm{R}}_{11}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{C}}_1}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{Hz}\times 10\mathrm{\mu F}}=1.592\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_6={\mathrm{R}}_{11}=1.6\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
3. 为高通滤波器选择 C₂、C₃、C₆ 和 C₇ 的电容器值。
${\mathrm{C}}_2={\mathrm{C}}_3={\mathrm{C}}_6={\mathrm{C}}_7=33\mathrm{\mu F}$
4. 为高通滤波器计算 R₄ 和 R₉ 的电阻器值。
$$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_9=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{L}}\times {\mathrm{C}}_2}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 0.7\mathrm{Hz}\times 33\mathrm{\mu F}}=6.89\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_4={\mathrm{R}}_9=6.9\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
5. 使用分压器将放大器的共模电压设置为供电电压的一半。分压器的等效电阻应该等于 R₄，以正确设置高通滤波器的转角频率。
$$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=2\times {\mathrm{R}}_4=2\times 6.9\mathrm{k\Omega }=13.8\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_2={\mathrm{R}}_3={\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=13.8\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
6. 计算每个增益级所需的增益以满足总增益需求。在两个增益级之间平均分配电路的总增益目标。
$\mathrm{Gain}=\frac{90\mathrm{dB}}{2}=45\mathrm{dB}=177.828\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}$
7. 计算 R₅ 以设置第一级的增益。
$$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_5=\left(\mathrm{Gain}-1\right)\times {\mathrm{R}}_4=\left(177.828\frac{\mathrm{V}}{\mathrm{V}}-1\right)\times 6.9\mathrm{k\Omega }=1.22\mathrm{M\Omega } \\ \mathrm{Choose} {\text{R}}_5=1.23\mathrm{M\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
8. 计算 C₄ 以设置低通滤波器截止频率。
$$\begin{gathered} {\mathrm{C}}_4=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{R}}_5}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{Hz}\times 1.23\mathrm{M\Omega }}=12.939\mathrm{nF} \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{C}}_4=13\mathrm{nF} (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$
9. 第一个增益级的增益和截止频率与第二个增益级相等，因此请将两个级的所有组件值设置为彼此相等。
$$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_6=1.6\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_7={\mathrm{R}}_8=13.8\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_9={\mathrm{R}}_4=6.9\mathrm{k\Omega } \\ {\mathrm{R}}_{10}={\mathrm{R}}_5=1.23\mathrm{M\Omega } \\ {\mathrm{C}}_8={\mathrm{C}}_4=13\mathrm{nF} \end{gathered}$$
10. 计算 R₁₁ 以设置电路输出端低通滤波器的截止频率。
$$\begin{gathered} {\mathrm{R}}_{11}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{H}}\times {\mathrm{C}}_9}=\frac{1}{2\mathrm{\pi }\times 10\mathrm{Hz}\times 10\mathrm{\mu F}}=1.592\mathrm{k\Omega } \\ \mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_{11}=1.6\mathrm{k\Omega } (\mathrm{Standard} \mathrm{value}) \end{gathered}$$

设计仿真

交流仿真结果

噪声仿真结果

目标 应用

• 运动检测器
• 占位检测
• 模拟安防摄像机
• IP 网络摄像头
• 照明传感器
• 温控器
• 可视门铃

参考文献

1. 低噪声、远距离 PIR 传感器调节器电路设计文件
2. 《模拟工程师电路设计指导手册》
3. MSP430FR2311 TINA-TI Spice 模型
4. 如何使用 MSP430^TM MCU 中的智能模拟组合
5. MSP430 MCU 智能模拟组合培训

设计首选运算放大器

设计备选运算放大器

MSP430 相关电路