模拟链路与供电系统设计

在本设计中我们拟借助STM32G4作为主控来实现一个完整的信号采集与发生系统，用以实现双通道任意波形输出与双通道数据采集，模拟部分主要涉及三个部分：输入模拟调理、输出模拟调理与电源。其具体的指标列举如下，系统框图也如下图所示：

• ADC与DAC分辨率均为12Bit，采样率>2Msps；

• 波形输出最高频率1MHz，最大幅度10Vpp；

• 波形采集最高频率1MHz，幅度范围5mVpp~50Vpp；

• 供电端口USB2.0，电压5V。

下面将分三小节依次介绍三部分的主要思路、选型、计算与仿真。

输入调理

本设计要求输入信号幅值范围5mVpp-50Vpp，通过查阅STM32G4数据手册的技术指标得知模拟部分的供电最大3.6V，在这里取3.3V用作模拟部分的供电。故需要进行如下调理操作：

• 信号大于3.3Vpp时将其衰减到0-3.3V的量程范围内，便于ADC采集；

• 信号过小（<50mVpp）时进行放大，避免噪声影响信号采集；

• 输入信号需经抗混叠低通滤波，截止频率应当略高于1MHz；

• STM32G4支持差分ADC输入，在此进行单端转差分操作提高动态范围降低偶次失真；

• 参考示波器的输入阻抗1MΩ，本设计输入阻抗同样为1M并通过电阻分压实现10：1的衰减。

选型

本设计缓冲级运放的选型主要关注三个参数：带宽、压摆率与失调电压。其中带宽（GBW）决定了信号的正确传输，过低的带宽会造成信号高频增益下降与超调，而过高带宽往往意味着单位增益的不稳定；压摆率（SR）决定了信号变化时的上下范围，过低的压摆率会造成信号波形的失真；失调电压（Vos）决定了信号链上的固有直流偏移。参考前文所述的信号调理主要思路，在此对上述指标进行概述：

• 输入信号1MHz 50Vpp，衰减10倍后需要满足压摆率 SR >= 5V/us；

• 输入信号频率1MHz，假设其为方波信号，为了保证较为完整的还原波形其 GBW >= 7MHz；

• 信号最小幅度5mVpp，衰减10倍后为500uVpp，失调电压满足Vos <= 100uV。

在ADI官网进行筛选，最终选用AD8616作为输入缓冲级运放，其具体指标为失调电压65uV、带宽20MHz、压摆率12V/us与单位增益稳定。

差分运放的选型与缓冲级类似，不过差分运放一般拥有更差的失调与噪声，在此选用ADA4940作为差分放大的运放。

模拟开关主要用于通过选择反馈电阻来选择增益倍数。由于模拟开关串接在信号反馈会路上，因此要求该元件可以通过正负电压与较低的导通阻抗（Ron），对于较大反馈电阻的回路也要求模拟开关的漏电流（Is）较小。在本设计中选用ADG1436用作模拟开关，在+-5V供电的情况下电信导通电阻3.3Ω、漏电流50pA，该偏差引入的误差可以通过后期校准来剔除。

仿真

本设计输入模拟调理的电路原理图展示如下图所示：

在该模拟链路中的信号流向与用处说明如下：

• 输入阻抗为900KΩ与100KΩ串联的1MΩ用以最大程度的减小高阻信号源带来的分压误差；

• 信号经过分压电阻衰减10倍后输入到电压跟随器AD8616进行缓冲，用以调整阻抗大小；

• 经过缓冲后的电压信号经过R6输入到全差分运算放大器ADA4940，该放大器的同向与反向输入电阻均为220Ω，通过模拟开关选择不同的反馈电阻来实现不同的增益；

• 最后，经过放大的信号通过一阶RC滤波器输入到STM32的ADC来避免信号采集时的混叠。

具体仿真列举如下：

输入信号VIN峰峰值50Vpp，此时设置VCTRL=3.3V选择220Ω反馈电阻，可以观察到信号经电阻分压衰减后的峰峰值为5Vpp。测量差分输出端的信号VP、VN与VP-VN，可以观察到单端信号均未超过0-3.3V的ADC输入范围，满足设计要求。

输入信号VIN峰峰值5mVpp，此时VCTRL=0V选择22KΩ反馈电阻，可以观察到信号同样被衰减到500uVpp。测量差分输出端信号的差值，VP-VN的峰值为50mVpp，满足10倍的设计放大倍率要求。

输出调理

输出端用于DAC输出信号的直流偏置与放大，在此选用下图所示的差分减法器电路。其中VCM表示直流偏置，DAC_OUT表示STM32的DAC输出，VOUT表示最终的调理输出。

当电路结构对称，即R2=R13、R12=R14时，上述的电路拓扑满足的输出输出方程为：VOUT=(DAC_OUT - VCM) *（R14/R13)，带入上述的电路取值可得VOUT=(DAC_OUT - 1) * 3，即将DAC输出的0-3.3V电压信号转换为-5~5V的电压信号。

运行瞬态仿真，观察放大后的信号波形其峰峰值被放大了3倍，满足设计要求。

由于VCM的输入电阻由R13与R14共同决定，因此此时的电压负载不再为理想负载，同样地因为对3.3V进行电阻分压，此时的电压源也不再为理想源。故需要对VCM进行一次电压缓冲，缓冲电路如下图所示。

电源

该设计使用USB进行供电，出于连接线上的压降特性供电端往往会提供略高于5V的电压，常常为5.1~5.2V，故在此直接使用轨到轨运放即可实现5V的输出。单片机工作电压3.3V，运放负电压-5V均需要通过芯片来额外产生。

因为-5V仅供板上的6颗运放使用，故在此直接使用电荷泵方案产生负电压，电荷泵方案的供电电流小但设计简单且不会产生EMI辐射。本设计中使用LTC1983-5这颗电荷泵芯片，其可产生100mA的最大电流，足够本设计中的运放使用。该电荷泵的电路原理图列举如下，注意由于电荷泵也是开关电源，因此需要在输出端串接一个PI型滤波器以降低输出纹波。

该电荷泵的电路仿真如下图所示，其中绿色曲线表示未经PI型滤波的电压输出，蓝色曲线表示经过PI型滤波的电压输出。可以观察到经过PI型滤波的电压纹波被滤除干净，能较好地避免对模拟器件的干扰。

在设计PI型滤波器的时候，需要注意选择直流电阻较大的电感，这样可以避免较高品质因数带来的谐振峰，通过LTspice运行电阻值R2的扫描可以观察到如下仿真图，可以观察到当串联电阻为1欧时其谐振恰好消除。

总结

本设计通过LTspice实现了一个简易的信号调理与电源仿真，其中输入调理通过电阻衰减、AD8616缓冲、ADA4940放大与ADG1436选择来实现；输出调理通过MAX4434搭建差分减法器实现；电源树中的-5V通过LTC1983-5电荷泵实现，3.3V通过ADP150-3.3实现，其中电荷泵电压输出经过了一级PI型滤波以降低纹波。