[硬木课堂] AFE03示波器信号源扩展板

本项目仅供电路设计参考，欢迎大家根据自己的需求进行二次开发设计

本项目的io分配仅适用于硬木课堂的H750核心板，具体分配情况请看原理图

本项目如需打板请直接使用附件中的Gerber文件，防止PCB文件出现问题

 

成品效果如上图所示 👆

软件代码在附件中！

 

 

信号调理电路的实现：

下面我们先简单介绍AFE03板卡上的模拟输入和模拟输出通道，后续我们再详细介绍设计和计算方法。

模拟输入通道介绍：

包括了电阻分压和运算放大器实现的信号调理，和比较器实现的方波输出（供触发和测频使用）。

INA、INB：示波器的输入端，口袋仪器发出模拟信号与此处连接，这里通过电阻串联分压实现1MΩ的输入阻抗，并产生两个信号供选择，一个输入直通，一个衰减为1/20。

gain：选通开关，选择直通信号或衰减为1/20的信号进入第一级同相放大器，同相放大器完成两个工作，第一是将同相端输入信号放大两倍，二是将放大后的信号平移1.65V，计算公式为Vo = 1.65 + 2*Vi。因此，对应电路整体增益为2倍或1/10倍。

AnalogA、AnalogB：经过同相放大器放大和平移后的模拟信号与STM32H750开发板连接，进入H750的ADC中；

TrigerA、TrigerB：AnalogA、AnalogB与直流参考电平（由H750的一路DAC产生）经过比较器后产生的方波信号，进入STM32H750的定时器进行测频。

DAC_OUT2: 直流参考电平，通过STM32H750配置内部DAC2发出。

 

模拟输出通道介绍：

包括了电阻分压和运算放大器实现的信号调理，和比较器实现的方波输出（供触发和测频使用）。

STM32H750的DAC1输出的范围为0-3.3V的波形。

两阶RC滤波器，实现低通滤波器功能。

电阻分压和缓冲器，将5V输入变为低阻的2V输出，后续放大-5倍用于平移输出信号。

输出放大器，完成两个功能，第一将同相端输入放大6倍，第二将放大6倍后信号平移-10V后输出，计算公式为Vo=-10+6*Vi;

分压网络，用于输出小信号时利用模拟电路分压来获得好的效果。

 

 

下面我们来详细介绍一下模拟电路的计算：

模拟输入通道计算：

本节需要大家对运算放大器有一定的基础知识。

首先，我们要认识到当STM32H750的VREF用3.3V供电时，STM32的ADC输入范围为0-3.3V，而我们的输入信号最大是±15V，所以我们需要解决大信号输入不能饱和的问题，让我们来解个方程：

15*a+b = 3.3

-15*a+b = 0

得到a=0.11，b=1.65

也就是说我们需要将输入信号至少衰减到0.11倍（约衰减为1/9），再加上1.65V直流，就能满足ADC的满量程输入。于是我们使用下面的运算放大器电路，电阻网络完成1/20衰减，运算放大器实现x2倍放大器和1.65V电压平移，从而实现了0.1INB+1.65V；

我们可以使用叠加定理来分析这个电路，首先分析输入信号INB对输出Vo的贡献时，将电路中另一路电压源-1.65V接地，这样输入信号经过R14和R18后被分压到1/20，接着被同相放大器电路放大2倍，输入信号的整体增益就是1/10；而分析-1.65V对输出的贡献时，将输入信号AIN接地，-1.65V的放大倍数是-1倍。于是得到输出Vo = -1.65V * (-1) + AIN/10 = 1.65V + AIN/10。

 

上面的-1.65V由-12V经过电阻分压和缓冲器得到：

上面这个电路解决了±15V输入匹配到ADC的0-3.3V输入范围的问题呢，我们还要考虑当输入信号较小时也能够准确采样的问题，例如当10mV信号输入时，经过上面的电路，会衰减到1mV，为了尽可能保证输入信号的信噪比，我们这里在模拟前端加入切换分档的方式，当采集小信号的时候，使用开关选择直通INB进入运放同相端，而不再选择INB衰减后的信号进入运放同相端，这样确保进入ADC的信号尽可能大。再配合16位ADC，可以让采样结果准确可靠。

如上图，在1M欧姆输入分压电阻后面我们加入一个信号开关（继电器或手动开关），用于选择INB是直接进入运放同相端还是分压到1/20之后进入，两种方式对于INB来说输入阻抗都是1M欧姆。当我们需要采集小信号时，我们可以拨动开关使用直通输入来获取更精确的测量结果。

可以计算得到：当选择直通输入时，Vo = 2AIN + 1.65，而当选择衰减输入时，Vo = AIN/10 + 1.65

 

模拟输出通道计算：

当STM32H750的VREF用3.3V供电时，内部DAC的输出范围是0-3.3V，为了达到题目中要求的±10V输出，我们需要解个方程：

0*a + b = -10V

3.3*a + b = 10V

解得a=6.06，b=-10

可以设计出如下的电路：

上图中STM32H750内部的DAC输出的0-3.3V的信号，经过低通滤波器后从TL082的同相端输入，构成了放大倍数为6倍的同相放大器，放大后得到波形为0-19.8V；然后我们利用TL082反相放大器部分的-5倍放大能力，将5V分压得到的+2V经过-5倍放大得到-10V，和同相放大器输出的0-19.8V信号叠加得到约±10V输出。计算公式为：Vout = 6*Vin -10。

跟ADC类似，要使信号源输出覆盖±10mV到±10V，同时兼顾大信号范围和小信号精度，DAC的分辨率是个问题。H750的DAC是12位，DAC满量程（也就是4096个码值都用满时）输出是±10V，当我们靠调小DAC码值输出小信号时，要想波形的电压分辨率达到7位精度，也就是波形的垂直分辨率有128个点，只能将波形衰减128/4096=1/32，换算到输出电压范围±10V/32 =±0.3215V，在±0.3125V以下更小的信号，再靠调小码值输出的话，DAC的分辨率就不足了，波形上的台阶就比较明显。于是我们使用模拟分档的方式，当要输出±0.3125V以下更小的信号的时候，使用开关切换电阻分压将波形衰减1/20输出，确保了小信号下的电压分辨率。同时，R57和R62的组合也使得电路在1/20衰减下的输出电阻为50Ω，R5使得电路在x1档下的输出电阻为50Ω。

 

 

比较器电路：

为了实现触发功能和频率计功能，我们在板上设计了两路比较器通道，将两路模拟输入通道进入ADC前的波形转换为方波信号给H750的定时器输入使用。这里之所以使用进入ADC前的波形进行比较，是因为进入ADC的波形经过前端模拟电路调理已经落到已知的0-3.3V范围之内，这样比较器的比较门限容易设计。

如上图，H750利用内部的DAC2输出一个0-3.3V的直流，来和进入ADC前的通道2波形进行比较，将通道2的波形变为方波，这样H750的定时器功能就可以利用方波信号进行中断处理和定时器捕获处理。