模拟电路工程化第3部分实战:设计一个简易多功能仪器的供电系统
1.设计思路和相关知识点介绍 2.需要用到的硬件和软件实现过程介绍
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嵌入式系统
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DDS
接口
USB
Titan
更新2023-06-30
380

.项目介绍  

1.项目要求介绍以及需求分解

1.  简易仪器的技术指标:
 
a. 基于 STM32G4 系列 MCU 
--> 在ST官网查询G4系列,确定工作电压,选取其中性能好的型号,确定最大工作电流
 
b.  支持双通道任意波形输出,频率最高为 1MHz、幅度能够达到 10Vpp 
-->这个可以参考实战项目二,使用AD5626,结合Analog Filter Wizard工具设计方案
 
c.  支持双通道数据采集,频率最高为 1MHz,幅度范围为 5mVpp 到 50Vpp
-->这个可以参考实战项目一,以及和ADLM2000的官方设计,结合实际需要进行调试

d. USB2.0 端口供电
-->USB2.0的供电说明,供电电压范围是5V±0.25V,电流>=500mA

e. 采用 ADI 公司的电源变换器件,并且这些器件在 Digikey 官网上都有供货,包
括 ADI、 Maxim、 LTC 的芯片 
-->可以采用ADI的多种设计工具和选型工具进行器件选择
 

2.硬件实现过程及相关介绍: 

根据设计需求,按照如下顺序进行设计:

任意波形输出和任意数据采集二选一先开始,接下来根据以上两个功能模块的使用芯片来确认需要的电压,以及供电电流,最终生成电源的Block Diagram

1. 结合实战项目二,确认任意波形输出的方案,DAC也选用AD5626,结合LPF进行处理,是可以达到“频率最高为 1MHz、幅度能够达到 10Vpp ”的要求,要使用两路AD5626+LPF,因为要双通道波形输出

a. 重点是使用Analog Filter Wizard确认LPF方案,按如下一些步骤进行确认:

Fq70wA4xll1SQiBVkPLNaqisRBXPFtHOB8JWe_-DrSV_862lmR-yFaGpFp9uXksmOlA35Ckd4JQ6037XmTwf

FojOfZfFYwbqf8TcBHyWzSJ8_vCOFtEsnnH0YSWlUCkVd6tnKNJxoRHv

b. 搭建滤波器的过程需要注意:

这个LPF方案要兼顾输出波形完整度,-3db点,以及输出波形的电压,因为输出波形幅度需要达到10Vpp,同时是有源滤波,所以运放供电就需要起码+-10V,这会在下部分电源处理部分再详细说明,在已经通过ADI Filter tool处理后,根据自己需求,需要对运放的配置电阻进行调整,如下是演示,最终文件会放在附件中。

FjTt9WRQesHEpqFgfz0asgt8PhITFpujv8dkyabDjaV8PwLSlA6HQ4mtFq1VfU-Xk6Np4XFMOjNWJRFVPIi2FvNhDOeuFP7kR2wpzOxIH48GODp-FoBsvdbA7M_a3dMLBnf11xQ9TOD_

c. 供电处理:

如上一条,需要用到+-10V,这就要用到ADI的LTpowerCAD II v2这个工具,

先使用5V转换为10V输出,按如下顺序来

FoK86wvBUIYCpICbjKWaQe7Na8O1FnyXwR3vWxYz-12PRQoC2yvnRiVHFn6bVu-7Mvk4mywJ7_8xhZpU54X7FkaeCDiPF2Kwls0ifMIyr-D4WXpy

再寻找5V转换为-10V的方案,使用ADI官网中的电源管理选型来,这个链接:

如下的操作:

FurPMS5gSpbAQcuo6NGep1uptw9BFi1-N29yo-AkeNVo3fTTIDsBzF7B

选用第一个LT8333,结合SPEC和LTpowerCAD II v2看到LT8333可以做到-10V,在附件中看到LTSpice是生成正电压,看情况是需要再进行其他部分的设置,但是这些设置目前在SPEC中还没看到,也许对照实物来做会更方便,所以有时候,模拟软件也只能做参考。

FrPnoEImqshUE0zZbOZ6Z4b07i_u

 

2. 结合实战项目一,确认双通道数据采集的方案,这个相对容易一些,可以参考ADALM2000的方案来做 

a. 首先因为采集信号幅度范围为 5mVpp 到 50Vpp ,需要对采集电压进行适当处理,如下这样

Fq03VxQvYF8F68vanci6kMRMaEFb

FvtZcRDdvcIzNAx_wieuFWliPAcGFjnCn0U0MUPv_b5aMgAtlUm1CJ09

b. 结合实际线路,供电采用5V转3.3V,以及5V转-3.3V的方案

其中,5V转3.3V是使用LTpowerCAD II v2进行选型,如下这样

FsEZ4Lfp8KTP47cnOIn35dM-Jg52FidaP1hafqOt6a7YF1hW7bzlJAyz

FvJ-hUn8SqGl24ZG2OFz-XHysVcv

5V转-3.3V的方案参考实战项目二,使用LT1054,这颗芯片在实战项目二中已经做过,是可以稳定输出负电压的,参照SPEC中的reference如下

FnfI0jwxbK98OJtOyhrFHy5wsXKe

LTSpice模拟如下:

FgsfMJKC4xd5q9-nNYF-6XqQIwH8

3.  基于 STM32G4 系列 MCU 
a. CPU因为已经选型好,只需要关注供电和工作电流即可

FtlNr6Ss1Xh2gkGeJyFF5tM1EWI1Fhz09lu0v_W_a1CL12glsaAfAxov

根据SPEC确认到,供电时使用3.3V,这可以使用如上的3.3V

 

.软件工具使用过程及相关介绍:  

在这个实战项目中,使用到了一些工具,包括

1. ADI的网页选型工具switching regulators,用来器件选型

2. ADI的网页工具Filter Design Tool,用来设计滤波器

3. ADI的离线工具LTSpice,用来做各种模拟

4. ADI的离线工具LTpowerCAD II v2,用来对ADI/MAXIM/LTC的电源芯片进行选型和配置

.效果演示

根据如上的器件选型和电源设置,最终可以得到如下的Power Bolck Diagram,详细部分会负载附件中

Fr5YxGaBp5wgJjcaQXYLLiU0cWAo

.第二阶段的学习总结

这是模拟电路前工程化课程第三阶段实战作业,也是这个模拟课程的最后一个实战项目,说实话,从始至终,这个项目干货满满,对于题目的工程化是名副其实,在这个课程中,得到了硬禾老师的很多帮助,把信号处理部分系统的重新复习了一遍,硬禾推出这个项目对新进入工作岗位的同学非常友好,现在硬禾又推出了更专业的课程,希望硬禾越办越好,我们后续还会多多支持。

 

 

附件下载
第三阶段实战文档.zip
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