一、项目需求

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

• 基于STM32G4系列MCU
• 支持双通道任意波形输出，频率最高为1MHz、幅度能够达到10Vpp
• 支持双通道数据采集，频率最高为1MHz，幅度范围为5mVpp到50Vpp
• 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
• 包括ADI、Maxim、LTC的芯片
• 设计模拟及供电电路并使用LTSpice或PowerCAD进行仿真
• 不要求实际做出板卡，但需要电路的原理图（可以用LTSpice或其它CAD工具绘制）和仿真验证

二、整体设计思路

在本项目中需要在STM32G4系列MCU上实现一个多功能仪器模拟链路和供电系统。

主要包括：

   电源电路。电源电路输入为USB提供的5V电压，此外需要为其他地方的单片机、运放以及各个模拟器件提供一个稳定的双电源电压，同时需要为ADC和DAC提供一个基准源电压。这需要使用开关电源先进行适当的升压，然后使用LDO为其提供一个稳定的电压，ADC和DAC还可以考虑使用基准源芯片为其专门提供基准电压。

   ADC前端采样电路，用于采集需要的模拟信号。ADC前端采样电路需要包括衰减电路、放大器、滤波器等部分。衰减电路可以将输入信号衰减到适当的电压范围内，以保护ADC不受过高电压的影响。放大电路可以放大输入信号的幅度，以便于充分使用ADC的量程。滤波器主要为抗混叠滤波器，用于滤除ADC前可能导致采集信号混叠的高频信号，不过也可以专门设计一个滤波电路用以过滤噪声和杂波。

   输出幅度控制电路，用于控制输出信号的幅度。如果使用FPGA、单片机和DAC产生信号，因为可以直接通过程序在一定程度上控制输出幅度，因此输出幅度控制电路可以只使用一个可切换放大倍数的放大电路来实现。但是如果使用DDS芯片来产生信号，由于大多数DDS芯片不能控制输出信号幅度，因此需要在额外使用一个数字电位器，来控制输出信号的幅度，以满足需求。此外如果生成信号的DDS部分时钟速度较低，DDS产生的波形可能出现一定的失真，这需要通过外加一个低通滤波器来去除高频的镜像噪声。

三、整体电路框图

四、电路设计

4.1 ADC前端采样电路

      首先，使用了800k、200k、20k三种电阻来实现输入电阻为1MΩ。同时提供了5：1和50：1两个衰减挡位。为了切换不同的衰减挡位，使用了两个模拟开关ADG619来切换不同的电阻分压比。该模拟开关是根据所需数据从digikey上挑选得到的。另一个模拟开关用来切换直流和交流的模式。然后从digikey中挑选了一个运放AD8092，来实现跟随器，接着使用LTC6363来将输入信号放大并且提供一个适当的偏置使信号到ADC的采样范围。具体数据使用了ADI公司的Diff-Amp Calculator软件计算得到。

   其中用于提供偏置的1.6V电压可以使用3.3V电压分压，然后经过一个运放跟随得到。最后使用了一个电阻和电容构成一个抗混叠滤波器来为ADC滤去过高频率的信号，以避免产生信号混叠。最后使用了两个肖特基二极管以避免输出信号大于ADC的输入范围，从而损坏ADC芯片。此外由于最后选择使用的是ADC芯片AD9609，该芯片可以单端输入也可以差分输入，如果需要使用差分输入可以从LTC6363的正极再接一个输入。在这种情况下，需要将ADC的正极输入和负极输入分别连接到LTC6363的输出端的两个端点。这样可以更好地抵消噪声和共模干扰，提高信号的稳定性和精度。

4.2 输出幅度控制电路

   由于此处使用的是一块stm32的单片机芯片，如果使用单片机产生dds信号往往要花费大量的cpu运算资源。因此此处决定采用dds芯片，由于输出信号最大为1MHz，如果使用比较常用的DDS芯片AD9963来作为信号源，再输出1MHz的方波的时候在其高频部分会有较大干扰，即使使用一个较为高阶的滤波器，也很难完全避免失真造成的干扰。因此最好使用一个时钟频率较高的DDS，例如AD9850,使用ADI公司的DDS sim可以看出输出波形在5MHz的时候几乎没有失真，说明方波的5次谐波几乎也不存在失真，因此可以不用额外添加滤波电路。同时由于DDS芯片输出恒定，所以需要使用程控放大器来实现输出信号幅度的调节。在digikey中，查找到适合的芯片为AD8337。但是由于LTspice中并没有该芯片的spice模型，因此仿真中使用了与之相似的AD8336芯片来仿真。此外由于放大倍数变化过大，因此还需要再后级加入一个1：2和1：11两种挡位的放大电路，用以扩大输出信号的调节范围。同时在该电路中，有一个用来调节直流偏置的部分，在仿真中使用了ADJ来表示，实际中，由于stm32G4系列都包含DAC可以直接使用单片机内部的DAC来提供该直流偏置，如果使用的stm32没有DAC也可以外加一个DAC芯片来为此处提供一个需要的直流偏置。

4.3 电源电路

  根据项目需求，我们需要提供3.3V、5V、-5V、+12V、-12V这五个电压。由于需要的电流并不大，我们可以选择使用开关电源将USB输入的5V电压升压到13V左右，然后再通过LDO进行分压得到所需的各个电压。需要注意的是，由于需要产生负电压，我们可以使用电荷泵电路或者隔离式开关电源产生负电压，然后再通过负电压线性稳压器得到所需的-5V和-12V电压。在选择电源芯片时，需要考虑输入电压范围、输出电压范围、输出电流等因素。开关电源，可以使用LTpowerCAD等软件进行设计和仿真，以得到合适的元件参数和电路拓扑。

五、测试数据

5.1 ADC前端采样电路

5.2输出幅度控制电路

5.3电源电路

六、主要难题

   设计电路时面临的主要挑战包括ADC前端采样电路和输出幅度控制电路的高精度要求。为了获得理想的频谱，需要花费一定的时间来调整电路中的电阻和电容值。同时，由于电路中使用了多个器件，需要考虑它们的参数和相互影响，并在digikey等器件库中查找合适的器件，以获得适当的价格和参数。

七、改进方向

   在该电路中可以采用更先进的开关电源和LDO芯片，以提高电源的稳定性和效率。同时，在仿真中，电路的频谱中误差最大可达5%左右，但并未更进一步去优化电路，这是由于考虑到仿真本身存在的误差，以及实际器件的一些各自特性以及对应电路板上分布参数的影响，其误差往往远大于该误差，需要实际进行测试。但是由于时间原因，尚未对电路进行详细的实物测试，仿真结果必然存在较大的误差，需要通过实际测试来进行调整。在该项目中，软件设计也是非常重要的一环，需要考虑到硬件的特点和限制，以实现各种功能和操作。需要编写驱动程序、控制程序和界面程序等等，以实现对硬件的控制和操作。然而，由于时间原因，该项目尚未对软件部分进行详细的设计。