模拟电路工程化设计-简易多功能仪器模拟链路和供电系统实战

内容介绍

简介

此次项目主要基于STM32G4A1CET6 实现ADC DAC 采集项目，性能指标如下：

1.8bit 双通道ADC 采集功能，通过MAX1193ETI+T 实现数据采集，通过TS3A5017RGY 实现4种增益控制和偏置控制，采集幅度可满足5mv Vpp到50Vpp采集范围

2.双通道任意波形输出，最高频率为1MHz，通道AD5428YRUZ 进行数据输出通过pwm tts 可以实现直流偏置的调整。输出幅度能够达到10Vpp 即±5Vp

整体的设计框架如下：

芯片介绍

1.STM32G4A1CET6

STM32G4A1CET6是一个高性能arm cortex m4内核的32位单片机。最高主频可以达到170MHZ，此单片机支持单精度浮点运算FPU，也有内存保护单元模块，保证应用程序的安全。

有512k flash 112k sram 并且支持四线spi接口。

支持接口如下：

- Three I2Cs

- Three SPIs multiplexed with two half duplex I2Ss

- Three USARTs, two UARTs and one low-power UART.

- Two FDCANs

-One SAI

-USB device

-The STM32G4A1xE devices embed an AES.

我们这里主要使用UART 及spi pwm（定时器）接口，所有管脚都利用起来了，超高性价比。

2.MAX1193ETI+T

MAX1193是一款超低功耗、双路、8位、45Msps模数转换器(ADC)。它具有两个全差分宽带采样/保持(T/H)输入。这些输入具备440MHz带宽，允许全差分或单端信号输入。MAX1193在5.5MHz输入频率和45Msps采样速率下，达到了48.5dB典型的信号与噪声和失真比(SINAD)，仅消耗功率57mW。这款ADC工作于2.7V至3.6V的模拟电源。独立的1.8V至3.6V电源为数字输出驱动供电。除了超低运行功率特性外，MAX1193还具备三种关断模式，以降低空闲期间的功率消耗。其优异的动态性能、超低功率和小尺寸等特性，使MAX1193尤其适合于成像、仪器和数字通讯应用。

内部的1.024V精密带隙基准将ADC的满量程范围设置为±0.512V。灵活的基准结构允许使用内部基准，或者外部输入基准，以满足那些要求提高精度的应用。

MAX1193具有并行、CMOS兼容的三态复用输出。数字输出格式为偏移二进制码。独立的数字电源输入允许1.8V至3.6V的电源电压，以便灵活地接口至不同的逻辑电平。MAX1193采用一个5mm x 5mm、28引脚、薄型QFN封装，满足扩展工业级温度范围(-40°C至+85°C)。

此芯片的性能还是很强劲的就是ADC 采样需要两通道切换，不能同时进行采集

3.AD5428YRUZ

AD5428/AD5440/AD5447分别是双通道、CMOS、8/10/12位、电流输出数模转换器(DAC)。

这些器件均采用+2.5 V至5.5 V电源供电，因此适合电池供电应用及许多其它应用。

利用这些DAC的数据回读功能，用户可以通过DB引脚读取DAC寄存器的内容。上电时，内部寄存器和锁存以零填充，DAC输出处于零电平。

上述器件采用CMOS亚微米工艺制造，能够提供出色的四象限乘法特性，大信号乘法带宽高可达10 MHz。

满量程输出电流由所施加的外部基准输入电压 (V_REF) 决定。与外部电流转电压精密放大器配合使用时，集成的反馈电阻(R_FB) 可提供温度跟踪和满量程电压输出。

AD5428采用20引脚小型TSSOP封装，AD5440/AD5447 DAC则采用24引脚小型TSSOP封装。

我们这里使用了AD5428YRUZ减少接口占用，AD5428内部结构就是2R-R的电阻网络，省了自己搭建电阻网络，性能也比较好，降低PCB 复杂性

4.开关电源

LM27762 提供 ±1.5V 至 ±5V 可调节、超低噪声正负输出。输入电压范围为 2.7V 至 5.5V，输出电流高达 ±250mA。LM27762 的工作电流仅为 390µA并且关断电流的典型值为 0.5µA，因此可为功率放大器、数模转换器 (DAC) 偏置以及其他大电流、低噪声、负电压应用提供理想性能。该器件采用小型解决方案尺寸，所需外部组件很少。

负电压由经过稳压的反相电荷泵生成，该电荷泵紧接一个低噪声、负电压 LDO。LM27762 器件的反相电荷泵在 2MHz（典型值）开关频率下运行，可减少输出阻抗和电压纹波。正电压由低噪声正电压 LDO 的输入生成。

LM27762 的正负电压输出配有专用使能输入。为满足特定的系统电源排序需要，这些输出支持独立的正负电源轨时序。使能输入也可短接在一起并与输入电压相连。LM27762 具有可选的电源正常功能。

-特性

可生成低噪声、可调节的 1.5V 至 5V 的正电源电压和 -5V 至 -1.5V 的负电源电压

输入电压范围为 2.7V 至 5.5V

±250mA 输出电流

反向电荷泵紧接一个负电压低压降稳压器 (LDO)

2MHz 固定频率、低噪声运行

2.5Ω 逆变器输出阻抗，VIN = 5V

电流为 100mA 时的负电压 LDO 压降电压为 30mV，VOUT = -5V

电流为 100mA 时的正电压 LDO 压降电压为 45mV，VOUT = 5V

390µA 静态电流（典型值）

关断时的静态电流降至 0.5µA（典型值）

电流限制和热保护

电源正常引脚（低电平有效）

这里使用LM27762 产生-5V 和3.3 V 然后通过运算放大器产生3.0V 1.5v 电源用于直流偏置调整及运算放大器供电。LM27762 的输入通过USB2.0接口输入5V 电源进行供电

原理图设计

1.电源部分

整体供电通过USB micro 5v进行供电， usb 数据通过CH304E 转换成串口与STM32 进行通讯，可以用于log显示及相关状态控制等，可用于后续的功能控制等。

3.3V 可以通过AMS1117 3.3进行输出，-5v 通过开关电源lm27762产生

1.5v 和3.0v 可以通过运算放大器和电阻分压网络实现，主要用于后续的直流偏置参数电路和运算放大器电路。

2.ADC 前端调理电路

模拟信号输入后通过2.54mm 跳帽选择直流耦合还是交流耦合，此方法简单高效。

输入信号后经过运算放大器衰减并通过TS3A501模拟开关进行不同增益控制及直流偏置选择，然后经过一阶低通滤波器后输入给ADC

直流偏置调整主要通过两阶RC 滤波实现

3.ADC电路设计

ADC 主要需要提供clk 信号，以及8位数据接口以及AB 选择设置接口电源做好滤波和地低阻抗回路设置。

4.DAC电路设计

DAC 直流偏置通过两阶RC 滤波产生直流偏置信号

模拟输出通过运放进行滤波增加输出能力

感悟感想

在这门课程中跟着老师们学习了模拟前端相关的设计，边学边做，印象比较深刻，提高了动手能力，建议将此类课程进行推广到广大嵌入式相关的院校中，成果一定不同凡响。同时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,为以后的工作学习奠定了基础，非常感谢硬禾提供的这次课程学习。