FastBond2阶段2-用AD5626设计波形发生器

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. 这次Fastbond2选题很宽，结合模拟电子课程中的实战项目二，这次可以用KiCAD来完成线路和PCB，替代之前用面包板做的项目二。

项目二题目部分核心指标如下：

a. 搭配单片机或FPGA或其它方式的控制逻辑能够产生10Hz到20KHz范围内的正弦波信号

b. 输出信号幅度3Vpp，直流偏移可调1.5V到3.5V，DAC采用ADALP2000套件中的AD5626

c. 供电电压为5V

d. 使用ADALP2000套件中的运算放大器搭建一个Sallen-Key滤波器，滤除40KHz以上的混叠信号

2.对于信号发生器，个人市场有各种消费型的手机等电子产品，工业上各种工控设备，市场应用非常广泛

2.项目思路之硬件实现过程：

硬件设计流程，按自己实际情况，使用这个流程：设计滤波器->处理信号放大和直流偏置->用RP2040连接AD5626生成信号，下面是硬件Block Diagram

Fq8m-FT81NjOHioz6Ch8gFhPsG0z

2.硬件设计重点步骤：

1）结合指标要求，确认为LPF低通滤波器，使用AD公司的滤波器在线设计工具：Analog Filter Wizard，在40Khz处设置为-3db，因为使用ADALP2000套件中的运放来做有源滤波器，因此选用2阶滤波器，滤波器类型选择sallen-key，如下设置的部分过程。

Fvdo1E7j9BPiuswDlPP8W3a8yaO9 FvmgQtKmibqboUkRQYCkfG11nVgr Fl71RfUyMLgPcJf5ZTHcJJG0rFgA

FhVlMKLNQG7NtnbM5WsP_aIGZ36z FgqWfDPiTGZgYjRQjrRPL1z2gPVr

滤波器中运放的供电需要将+5V转换为-5V，选用套件中的LT1054，LT^®1054 是一款单片式、双极、开关电容器电压转换器和稳压器。LT1054 提供的输出电流高于此前上市的转换器，而电压损耗则低得多。一种自适应开关驱动器方案在一个很宽的输出电流范围内优化了效率。100mA 输出电流条件下的总电压损耗通常为 1.1V。这一点在整个电源电压范围内 (3.5V 至 15V) 得到保证。典型静态电流为 2.5mA。

LT1054 还提供了稳压功能，这是以往的开关电容器电压转换器所不具备的。通过增设一个外部阻性分压器，能够获得一个稳定的输出。将根据输入电压和输出电流中的变化对该输出进行相应的调节。另外，也可以通过将反馈引脚接地来关断 LT1054。停机模式中的电源电流小于 100μA。在这里就使用到了LT1054的稳压功能

2）直流偏置选用套件中的AD8226，先使用LTSpice模拟，AD8226 是一款低成本、宽电源电压范围的仪表放大器，仅需一个外部电阻器即可设置 1 至 1000 之间任何增益。

AD8226 可支持多种信号电压。宽输入范围和轨到轨输出允许信号充分利用电源轨。由于输入范围还包括低于负电源电压的能力，因此无需双电源即可放大接近地电压的小信号。AD8226 可采用 ±1.35 V 至 ±18 V 的双电源供电，或采用 2.2 V 至 36 V 的单电源供电。

3）RP2040连接AD5626生成信号：AD5626属于nanoDAC®系列，是一款完整的串行输入、12位电压输出数模转换器(DAC)，采用5V单电源供电。它集成了DAC、输入移位寄存器和锁存、基准电压源和一个轨到轨输出放大器。AD5626单芯片DAC适合仅有5 V电源的系统应用，具有成本低、易于使用的特点。

使用RP2040和AD5626的连接端口关系为：GPIO10->CLK，GPIO11->MOSI，GPIO9->CS，GPIO8->LDAC，GPIO14->CLR

3.项目设计之软件实现过程：

使用Micropython来编译RP2040的程序

载入对应的库：

import machine
import utime
import math

接下来分配对应的GPIO管脚并设置对应的初始状态：

spi = machine.SPI(1, baudrate=6000000, sck=machine.Pin(10), mosi=machine.Pin(11))
cs = machine.Pin(9, machine.Pin.OUT)
ldac = machine.Pin(8, machine.Pin.OUT)
clr = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)
cs.on()
ldac.on()
clr.on()

对AD5626的寄存器位址定义：

# AD5626 command bits
WRITE_DAC = 0b0011
WRITE_INPUT_REG = 0b0111
UPDATE_DAC = 0b1001

接下来初始化AD5626的输出电压还有波形的定义：

# Initialize DAC to output single-ended voltage between 0V and Vref
cs.off()
spi.write(bytearray([WRITE_INPUT_REG, 0x00, 0x00]))  # Set input register to 0V
spi.write(bytearray([UPDATE_DAC, 0x00, 0x00]))  # Update DAC with input register value
cs.on()

def generate_sin_wave(length, amplitude, frequency, sampling_rate):
    data = []
    for i in range(length):
        x = i / sampling_rate
        sample = int(amplitude * math.sin(2 * math.pi * frequency * x))
        sample += 2048  # Offset to center waveform around 0
        data.append(sample >> 2)  # 12-bit DAC, shift right by 4 bits
    return data

最后对需要的波形进行设定，并且将这些需求发给AD5626

# Generate 5 kHz sin wave
wave_data = generate_sin_wave(length=5000, amplitude=2048, frequency=5000, sampling_rate=200000)

# Send wave data to DAC using SPI
while True:
    ldac.off()
    cs.off()
    spi.write(bytearray([WRITE_DAC, 0x00, 0x00]))  # Select DAC A
    for sample in wave_data:
        spi.write(bytearray([(sample >> 8) & 0x0F, sample & 0xFF]))  # 12-bit DAC, MSB first
    ldac.on()
    cs.on()
    utime.sleep_us(0)

二.使用KiCAD制作线路图和PCB

1.KiCAD简介：

KiCad 是一个开源的软件套件，用于创建电子电路原理图、印刷电路板（PCB）和相关的零件描述。KiCad 支持综合设计工作流程，其中原理图和相应的 PCB 一起设计，也支持特殊用途的独立工作流程。KiCad 还包括一些帮助电路和 PCB 设计的实用程序，包括用于确定电路结构电气特性的 PCB 计算器、用于检查制造文件的 Gerber 查看器、用于可视化成品 PCB 的 3D 查看器以及用于检查电路行为的集成 SPICE 仿真器。

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