一、项目要求

• 设计一个简易多功能仪器的模拟链路和供电系统
• -简易仪器的技术指标

 

二、要求分析

1. 支持双通道任意波形输出，频率最高为1MHz、幅度能够达到10Vpp：STM32G4x4系列具有7个12位DAC（最高速率15M samples/s）资源充足，要求幅度能够达到10Vpp，STM32G4采用3.3V供电，无法直接输出10Vpp的波形，需要运放对输出信号做进一步放大，考虑到设计余量，计划使用±6V对运算放大器供电。
2. 支持双通道数据采集，频率最高为1MHz，幅度范围为5mVpp到50Vpp：STM32G4x4系列具有5个超快速12位ADC（4M samples/s）资源充足，要求幅度范围为5mVpp到50Vpp，STM32G4x4系列 ADC参考电压为3.3V，其ADC分辨率为12位，最小监测电压为3.3V/4096=0.80566mV，因此需要设计分压与放大电路；频率最高为1MHz：带宽设计为100KHz。
3. USB2.0端口供电-要求：采用ADI公司的电源变换器件以及模拟调理电路器件，并且这些器件在Digikey官网上都有供货：本次设计主要电源有三个，运放供电的+6V与-6V，STM32供电的+3.3V。在ADI官网寻找芯片设计即可。

 

三、器件选型

1.运算放大器：AD8066

AD8065/AD8066 FastFET™放大器均为电压反馈型放大器，提供FET输入，性能出色、易于使用。AD8065是单路放大器，AD8066是双路放大器。这些放大器采用ADI公司的专有XFCB工艺制造，工作噪声极低（7.0 nV/√Hz和0.6 fA/√Hz），输入阻抗非常高。AD8065/AD8066具有5 V至24 V的宽电源电压范围，可采用单电源供电，带宽为145 MHz，适合各种应用。此外，这些放大器还具有轨到轨输出，使其功能更加多样化。尽管成本很低，但这些器件仍能提供出色的整体性能。这些放大器的差分增益和相位误差分别为0.02%和0.02°，0.1 dB平坦度为7 MHz，堪称视频应用的理想之选。此外，这些器件具有180 V/μs高压摆率、出色的失真性能（1 MHz时无杂散动态范围(SFDR)为−88 dBc）、极高的共模抑制(−100 dB)和低输入失调电压（1.5 mV，预热条件下最大值）。AD8065/AD8066仅采用每个放大器6.4 mA的典型电源电流，能够驱动高达30 mA的负载电流。AD8065/AD8066为高性能高速FET输入放大器，采用小型封装：SOIC-8、MSOP-8和SOT-23-5。额定工作温度范围为–40°C至+85°C工业温度范围。

 

2.模拟开关：ADG1419

ADG1419是一款单芯片iCMOS® 器件，内置一个单刀双掷(SPDT)开关。LFCSP封装器件提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断。最大导通电阻(25°C)：2.4 Ω，极低失真，3 V逻辑兼容数字输入： VINH = 2.0 V, VINL = 0.8 V，连续电流最高达390 mA，额定电源电压：+12 V、±15 V、±5 V。导通电阻曲线在整个模拟输入范围都非常平坦，可确保切换音频信号时拥有出色的线性度和低失真性能。iCMOS 结构可确保功耗极低，因而这些器件非常适合便携式电池供电仪表。当接通时，各开关在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围。在断开条件下，达到电源电压的信号电平被阻止。ADG1419为先开后合式开关，适合多路复用器应用。

 

3.模拟开关：ADG1409

ADG1408/ADG1409均为单芯片 iCMOS模拟多路复用器，分别内置8个单通道和4个差分通道。ADG1408根据3位二进制地址线A0、A1和A2所确定的地址，将8路输入之一切换至公共输出。ADG1409根据2位二进制地址线A0和A1所确定的地址，将4路差分输入之一切换至公共差分输出。两款器件均提供EN输入，用来使能或禁用器件。禁用时，所有通道均关断。导通电阻：4.7 Ω（最大值，25°C），导通电阻平坦度：0.5 Ω，连续电流最高达190 mA，额定电源电压：±15 V/12 V/±5 V，3 V逻辑兼容输入。这些开关具有超低导通电阻和导通电阻平坦度，对于低失真性能至关重要的数据采集和增益切换应用堪称理想解决方案。iCMOS结构可确保功耗极低，因而这些器件非常适合便携式电池供电仪表。

 

4.电源：ADP1612

ADP1612/ADP1613 均为升压DC-DC开关转换器，集成了功率开关，能够提供高达20 V的输出电压。两款器件的封装高度均不到1.1 mm，特别适合空间受限的应用，例如便携式设备或薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)等。限流值：1.4 A，最小输入电压：1.8 V，引脚可选的PWM频率：650 kHz或1.3 MHz。ADP1612/ADP1613以电流模式脉冲宽度调制(PWM)方式工作，效率最高可达94%。可调软启动可以防止器件启用时的涌入电流。引脚可选的开关频率和PWM电流模式架构能提供出色的瞬态响应及简便的噪声滤波，并且允许使用节省成本的小型外部电感和电容。其它重要特性包括欠压闭锁(UVLO)、热关断(TSD)和逻辑控制使能。 ADP1612/ADP1613提供8引脚无铅MSOP封装。

 

5.电源：ADP5073

 

6.电源：ADP2370

ADP2370/ADP2371均为高效率、低静态电流、800 mA降压DC-DC转换器，采用小型8引脚、3 mm × 3 mm LFCSP (QFN)封装。 整个解决方案仅需三个小型外部元件。降压调节器采用专有高速电流模式、恒频PWM控制方案，具有出色的稳定性和瞬态响应。这些器件内置高效率同步整流器结构，因而无需外部整流器。这些器件采用3.2 V至15 V输入电压工作，输出电流：800 mA。固定输出：0.8 V、1.2 V、1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V、5 V和可调选项ADP2370/ADP2371提供多种选择来设置工作频率。既可以将这些器件与600 kHz至1.2 MHz外部时钟同步，也可以强制使其通过FSEL引脚采用600 kHz或1.2 MHz频率工作。当噪声比效率更为重要时，可以强制ADP2370/ADP2371采用PWM模式(FPWM)工作。这些器件提供电源良好输出，以指示输出电压何时低于其标称值的92%。其它重要特性包括：欠压闭锁，用来防止电池深度放电；以及软启动，用来防止启动时出现输入过流。短路保护和热过载保护电路可以防止器件在不利条件下受损。ADP2370/ADP2371每个均使用一个0805电容、一个1206电容和一个4 mm × 4 mm电感。整体解决方案尺寸极小，约为53 mm²，适合各种便携式应用。

 

7.电源：LT1761

LT^®1761 系列是微功率、低噪声、低压差稳压器。利用一个外部 0.01μF 旁路电容器，输出噪声将降至 20μV_RMS (在 10Hz 至 100kHz 的带宽之内)。该系列专为在电池供电型系统中使用而设计，20μA 的低静态电流使其成为一种理想的选择。在停机模式中，静态电流减小至 <0.1μA。这些器件可在一个 1.8V 至 20V 的输入电压范围内运作，并能够提供 100mA 输入电流和 300mV 的压差电压。静态电流处于良好受控状态，与采用其他许多稳压器时不同，在压降条件下静态电流并不上升。LT1761 稳压器可在采用低至1μF输出电容器时实现稳定。可以采用小的陶瓷电容器，而不像其他稳压器那样必需使用串联电阻。内部保护电路包括反向电池保护、电流限制、热限制和反向电流保护。这些器件可提供 1.2V、1.5V、1.8V、2V、2.5V、2.8V、3V、3.3V 和 5V 的固定输出电压，并可用作一款具有 1.22V 基准电压的可调型器件。LT1761 稳压器采用 5 引脚 TSOT-23 封装。

 

四、数据采集前端电路

1.整体电路图

分压电路可产生5：1与50：1两种分压。

1. 当IN脚输入低电平时，选择5：1；
2. 当IN脚输入高电平时，选择50：1。

放大电路可产生1：1、1：5、1：10、1：50三种放大倍数。

1. 当A0输入低电平，A1脚输入低电平时，选择1：1；
2. 当A0输入高电平，A1脚输入低电平时，选择1：5；
3. 当A0输入低电平，A1脚输入高电平时，选择1：10；
4. 当A0输入高电平，A1脚输入高电平时，选择1：50。

共计可产生 50：1、10：1、5：1、1：1、1：2、1：10，共6种放大或分压倍数

当信号输入为50Vpp时，可选择 50：1分压，STM32端采集的电压为1Vpp，在3.3V之内。

当信号输入为5mVpp时，可选择1：10放大，STM32端采集的电压为50mVpp，考虑STM32 ADC参考电压为3.3V，其ADC分辨率为12位，最小监测电压为3.3V/4096=0.80566mV，可以准确分辨50mVpp的信号。

实际电路搭建时，V5将使用芯片DAC替换。

 

2.方案验证

50：1分压仿真结果

10：1分压仿真结果

5：1分压仿真结果

1：1仿真结果

1：2放大仿真结果

1：10放大仿真结果

 

输入幅度为5mVpp的波形，放大设为1：10仿真结果

输入幅度为50Vpp的波形，衰减设为50：1仿真结果

 

五、任意波形输出前端电路

1.整体电路图

输出信号经过隔直电容将信号直流偏移滤除，设计了一个3.2倍的放大电路，当输出3.125V的信号时，就会产生幅度为10Vpp的信号。

2.方案验证

放大带宽验证

输出10Vpp的正弦波

 

六、电源电路

1. +6V电路

整体电路图

方案验证

2. -6V电路

整体电路图

方案验证

3. +3.3V电路

整体电路图

数字部分电源方案验证

ADC部分电源方案验证

七、感想感悟

一开始本打算使用LTpowerCAD去设计电源，但是用的时候发现默认带的电源太少了，设计出来的电路导入LTSpice又老是会消失器件，就干脆直接使用LTSpice设计了。

不知不觉模拟电路前端工程化设计课程已经结束了，在这门课程中我学到了许多宝贵的知识和技能。通过这门课程的学习，我对模拟电路的基本原理、前端工程化设计的流程和方法有了更加深入的理解和掌握。在这门课程中，我学会了设计ADC前端电路，如何设计电路拓扑结构，如何选择合适的元件，以及如何进行电路的优化和修正。此外，我还学习了如何在模拟电路中使用各种工具和软件进行设计和分析，例如LTSpice、PowerCAD仿真。在学习过程中，我深刻感受到了模拟电路的魅力和挑战。了解了在设计中需要考虑的各种因素，以及如何权衡各种因素以获得最佳的电路性能，逐渐掌握了模拟电路的设计技巧和方法。非常感谢硬禾提供的这次课程学习。