FastBond2阶段2-用AD7920设计信号采集模块

内容介绍

一.项目介绍和软硬件实现过程

1.项目简介和市场应用介绍：

1. 前端时间参加模拟电子课程，其中的实战项目一使用面包板来完成，这次借用Fastbond2的机会，用KiCAD来完成线路和PCB。

当时项目一的部分指标如下：

a. 搭配单片机或FPGA或其它方式的控制逻辑能够读取到输入的信号

b. 输入的音频信号幅度：0.1mVpp到1Vpp，频率：100Hz到16KHz

c. 供电电压为5V

d. 搭建一个带通滤波器，滤除高频和低频部分

e. 使用AD7920进行信号采集

2.信号采集的需求在社会方方面面都有，比如图像声音拍摄处理，日常生活水电气的使用信息采集，各种门禁传感器，以及智能家居等等。

2.项目思路之硬件实现过程：

1. 硬件设计流程的流程如下：处理带通滤波器以及信号放大->设置必要的供电->用RP2040连接AD7920读取采集的信号，下面是硬件Block Diagram

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2. 硬件介绍和相关注意点：

1）关于带通滤波器的设计以及注意点，在我的另外一份报告中已经详细描述，这是链接，这次更新对带通滤波器使用了-5V，所以主要对更新点和主要器件进行介绍

更新点：对带通滤波器的有源运放使用了+/-5V供电，以补充上次面包板只使用正电压，而导致影响信号采集的精度的问题。

带通滤波器中主要使用AD8542运放，AD8542的主要特征和常见应用如下：

主要特征：

AD8542 是AD854X系列中的一种，分别有单路、双路和四路，这里AD8542是双路的轨到轨输入与输出、单电源放大器，具有极低的电源电流和1 MHz带宽。可以采用2.7 V单电源和5 V电源工作。可提供1 MHz带宽，每个放大器的功耗仅45 μA。

AD854X系列有极低的输入偏置电流，可用于积分器、光电二极管放大器、压电传感器以及其它具有较高源阻抗的应用。因为每个放大器的电源电流仅为45 μA，非常适合电池供电应用。

轨到轨输入与输出则便于设计人员在单电源系统中实现ASIC缓冲。AD854X系列经过优化设计，可以在较低电源电压时保持高增益，因而能够用于有源滤波器和增益级。

AD854X系列的额定温度范围为-40℃至+125℃扩展工业温度范围。AD8542提供8引脚SOIC、8引脚MSOP和8引脚TSSOP表面贴装三种封装。所有MSOP、SC70和SOT封装产品仅提供卷带和卷盘形式。

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如下是ADALP2000套件中的AD8542 BOB模块

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常见应用：

ASIC输入或输出放大器
传感器接口
压电传感器放大器
医疗仪器
移动通信
音频输出
便携式系统

2）因为以上带通滤波器中AD8542以及相关供电需求，除了USB的+5V供电，另外还需要一个2.1V的偏置电压和-5V的供电

a. 偏置电压使用AD584生成，AD584的特征如下：

AD584是一款8引脚精密基准电压源，提供引脚可编程的四种常用输出电压选择：10.000 V、7.500 V、5.000 V和2.500 V。高于、低于或介于四种标准输出之间的其它输出电压，可以通过增加外部电阻来获得。输入电压可在4.5 V和30 V之间变化。

该器件采用激光晶圆调整(LWT)技术来调整引脚可编程的输出电平和温度系数，从而获得较为灵活的单芯片、高精度基准电压源。

除可编程输出电压外，AD584提供一个独特的选通引脚，可以通过它开启或关闭器件。该器件用作电源基准电压源时，利用单个低功耗信号可以关闭电源。在关闭状态，该器件耗用的电流降至约100 µA。在开启状态，总电源电流典型值为750 µA，其中包括输出缓冲放大器。

AD584推荐用作需要外部精密基准电压源的8位、10位或12位数模转换器(DAC)的基准电压源。另外，该器件也非常适合最高14位精度的模数转换器(ADC)，无论是逐次逼近型还是集成式ADC，而且其性能通常优于标准独立式基准电压源。

AD584J和AD584K的额定工作温度范围为0°C至+70°C，AD584S和AD584T则为-55℃至+125°C。这些等级产品均采用密封8引脚TO-99金属帽壳封装；AD584J和AD584K还提供8引脚PDIP封装。

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b. -5V的电压采用LT1054生成，关于LT1054的介绍在这个报告中有介绍，在这不赘述。

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3）信号的采集使用AD7920和RP2040连接，读取RP2040的端口数据展示采集的信号。

AD7920的特征如下：

AD7920是12位高速、低功耗、逐次逼近型ADC，采用2.35 V至5.25 V单电源供电，最高吞吐量达250 kSPS。这些器件内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器，可处理6 MHz以上的输入频率。

转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器或DSP接口创造了条件。输入信号在CS的下降沿进行采样，而转换同时在此处启动。该器件无流水线延迟。可在高吞吐量的情况下实现极低的功耗。

基准电压从V _DD获得，从而为ADC提供了最宽的动态输入范围，因此，其模拟输入范围为0至V _DD.。转换速率取决于SCLK。

如下是在ADALP2000套件中的AD7920模块。

3.项目设计中的软件实现过程：

上次使用Micropython来编译RP2040的程序，这次尝试使用Arduino来编译RP2040程序：

首先引用库和定义引脚

#include <Arduino.h>

// 定义SPI相关引脚
const int spi_clk = 2;    // CLK引脚
const int spi_miso = 4;   // MISO引脚
const int spi_cs = 1;     // CS引脚

接着初始化程序，包含串口和引脚初始化等

void setup() {
  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);
  
  // 设置AD7920 CS引脚为输出模式
  pinMode(spi_cs, OUTPUT);
  
  // 延时等待AD7920上电
  delay(100);
}

// 辅助函数：向AD7920发送命令并读取数据
int AD7920_GetRegisterValue() {
  byte data[3] = {0x00, 0x00, 0x00};    // 定义存储数据的数组
  int receivedData = 0x00;             // 初始化接收数据的变量

  // 将spi_cs引脚置为低电平
  digitalWrite(spi_cs, LOW);

  // 通过软件模拟SPI总线读取AD7920返回的数据
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    byte value = 0;

    for (int j = 7; j >= 0; j--) {
      digitalWrite(spi_clk, LOW);
      value |= digitalRead(spi_miso) << j;
      digitalWrite(spi_clk, HIGH);
    }
    
    data[i] = value;
  }

  // 将spi_cs引脚置为高电平
  digitalWrite(spi_cs, HIGH);

  // 将data[1]左移8位后的值加到receivedData上
  receivedData += (data[1] << 8);
  // 将data[2]加到receivedData上
  receivedData += data[2];

  return receivedData;
}

接下来处理数据并且输出

void loop() {
  // 读取AD7920的数据
  int result = AD7920_GetRegisterValue();
  
  // 输出数据到串口
  Serial.print("Register value: ");
  Serial.println(result);
  
  delay(100);    // 等待1秒钟
}

二.使用KiCAD制作线路图和PCB

1.关于KiCAD的介绍和一些基本使用方法，在我们的另外一份报告中提及到了，链接是这个

用AD5626设计波形发生器

2.关于KiCAD画线路的基本步骤和注意点，我也在上面这份报告中提及到，这里主要对这次的线路进行简单的介绍。

a. MIC的声音输出部分，根据MIC的SPEC来处理，这里关于信号处理部分的接地，和供电部分接地是分开的，用磁珠和电阻连接，防止串扰。

供电根据MIC的指标，直接选用+5V，C是根据网上查到，然后根据自己再模拟看，选用了10uF

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