【《铝板的电磁超声检测系统的电路设计案例》3800字】

铝板的电磁超声检测系统的电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13973铝板的电磁超声检测系统的电路设计案例 193661.1前置放大电路的设计 1176181.2放大电路的设计 275111.3滤波电路设计 4164611.4电源模块设计 823751.5其他电路 9129211.6PCB板的设计 11的布置，将各器件合理的布置在了PCB板上，并且完成了手动布线。1.1前置放大电路的设计前置放大电路是在信号输入与第一级放大电路之间的模块,可以有效的接收弱信号。前置放大电路的功能主要是提高系统的信噪比，减少外界信号的干扰，选择使用的AD8421芯片，因为设计的电路需要一些放大倍数，通过查表3-1确定电阻大小为1.1KΩ。表3-1AD8421电阻的使用电阻大小增益10KΩ1.992.49KΩ4.981.1KΩ10.00523Ω19.93(1.1)根据表3-1增益为10dB时适合设计的前置放大电路，根据公式我们所需要的G为10计算出RG=1.1KΩ。根据芯片的数据手册，使用±12V的直流电压为AD8421供电。因为电源会产生噪声对芯片的性能造成影响从而影响输出结果，所以在电源傍边添加0.1µF器和10µF电容，因为旁路电容器引线的长度，选择使用高频表面贴装电容器。电路的射频干扰也需要设计，干扰可以表现为直流偏移电压或脉冲串，可以用低通滤波器过滤仪表放大器输入端的网络电阻和电容值的选择取决于在噪声和输入阻抗之间的理想折衷频率、共模抑制比、信号带宽和射频干扰抗扰度等。RC网络限制了差分和共模带宽，如下式所示，(1.2)(1.3)当为AD8421所添加的电压值高于额定的电压过多，这个时候芯片需要有防护措施，使用泄漏二极管，如BAV199或FJH1100，二极管防止放大器输入端的电压超过最大额定值，电阻器限制电流进入二极管。因为大多数外部二极管可以很容易地处理100mA或以上的电流，电阻值不需要很大，所以对芯片的性能的影响较小。通过查看数据手册以及相关内容可设计出如图3-1所示原理图。图3-1前置放大电路如图3-2可看出前半部分为前置放大电路的射频干扰电路，中间二极管处为电源外部保护电路，后面部分为电源的滤波和去耦部分。1.2放大电路的设计因为需要1000倍，5000倍，10000倍三种甚至更多的放大倍数，所以选择增益可调控放大器，根据资料查询选用VCA810增益放大器，根据图2-查看其特点，增益最大为±40分贝，两级放大与前置放大增益结合满足最低1000分贝到10000分贝的要求。且带宽为35MHz完全满足5MHz的需求。VCA810是宽带压控增益放大器，可通过使用STM32编写程序控制其电压变量，从而改变其增益达到我们所需要的数值或通过FPGA编程控制引脚6处电压值改变增益。我们所需要的电路为增益可控的放大电路电路的滤波与去耦部分与上面电路相似，电容大小不同。每个电源引脚上有两个电容器：一个大的电解电容器6.8F，在较低的频率下滤波，以及一个小型陶瓷电容器（0.1μF）用于高频去耦。反向和非反向输入都通过电阻器接地。从每个输入端看，匹配直流电源阻抗将使输入偏移电压误差最小化。最后通过控制芯片三号引脚的电压来控制VCA芯片的增益大小。电压的控制用STM32来完成。设备的增益控制从-40dB到+40dB，控制电压大小从0V到2V可控增益范围广可达到我们所需要的要求。根据上述原理所设计的放大电路如图3-2所示。图3-2可控放大电路1.3滤波电路设计巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波得图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐渐减少，趋向负无穷大贝塞尔滤波器常用作音频系统ADC输入之前的抗混叠滤波器以及DAC输出端的平滑滤波器。在生物医学信号放大与处理过程中也得到广泛的应用椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器。图3-3巴特沃斯滤波器（左上）和同阶第一类切比雪夫滤波器（右上）、第二类切比雪夫滤波器（左下）、椭圆函数滤波器（右下）的频率响应图通过对比对于较大的通频带适合采用巴特沃斯滤波器其响应曲线平坦且失真较小。宽带滤波器选用巴特沃斯滤波器。切比雪夫型阻带衰减相比于巴特沃斯型阻带衰减更大、更陡峭，即切比雪夫响应具有更好的阻带特性，所以更适用于窄通滤波。根据公式（1.4）可设计出如图3-4所示巴特沃斯五阶带通滤波器。(1.4)图3-4巴特沃斯五阶宽带通滤波器图3-5宽带通滤波器连续频率响应根据公式（1.5）计算出图3-6滤波范围在500K-2MHz的切比雪夫滤波器，图3-7为其频率响应曲线。（1.5）图3-6500KHz-2MHz切比雪二阶窄带通滤波器图3-7500KHz-2MHz窄带通滤波器连续频率响应根据公式（1.6）可设计出如图3-8滤波频率范围在2MHz-1.5MHz的窄带通滤波器，其响应曲线如图3-9。（1.6）图3-82MHz-1.5MHz切比雪二阶窄带通滤波器图3-92MHz-1.5MHz窄带通滤波器连续频率响应根据公式（1.7）可设计出如图3-10滤波频率范围在1.5MHz-5MHz的窄带通滤波器，其响应曲线如图3-11。（1.7）图3-101.5MHz-5MHz切比雪二阶窄带通滤波器图3-111.5MHz-5MHz窄带通滤波器连续频率响应由于窄带通滤波器需要分为三个频率范围来进行滤波，根据输入信号的频率选择频率范围，我们选择了CD4051芯片通过单片机来控制电路频率的选择，首先通过3引脚输入信号，再经过9，10，11三个地址端选择一路输出，最后再通过一个CD4051芯片反选进行输出，3引脚变为输出端，连接输出端子。这样就可以实现信号频率的选择。如图3-8为频率选择电路可通过STM32控制。通过以上原理可设计出图3-12频率选择电路通过STM32控制进行滤波器的选择从而筛选频率。图3-12频率选择电路1.4电源模块设计由于实验室内大部分为24V直流输出电源，而上述电路中VCA810需要±5V的电源，AD8421放大器需要±12V的电源，使用电源模块转换电源选择A2405S-2W和A2412S-2WDC-DC隔离模块可满足要求如图3-13所示。表3-2A2405S-2W参数输入电压5，12，15，24VDC输出电压（±）1.3，5，9，12，18VDC电器特性在TE=25°时，为标准数据隔离特性额定电压1000VAC电阻109Ohm电容60pF图3-13±5V，±12V电源模块STM32需要+1.3V进行供电。选择FN2-24S3V3C3为电源模块。设计如图3-14所示。图3-141.3V电源模块1.5其他电路1.5.1电压跟随电路经过了解多级放大电路之间需要连接电压跟随器，使用电压跟随器一般作为缓冲级和隔离级。因为电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中，是信号衰减从而影响信号的准确性。但其实大多数电压跟随器都是放大倍数为1的放大电路，我们选择LM358来设计电压跟随器。设计如图3-15所示。图3-15电压跟随带电路1.5.2数模转换电路单片机输出的为数字信号，将他转换为模拟信号需要数模转换器，选择DAC0808进行转换来完成电压的控制进而控制增益可控放大器（VCA810）。更具其原理设计如图3-16所示。图3-16数模转换电路(8)式中K可由14引脚的输入电压和电阻计算得出。根据公式(4)可以计算出电压范围是0-2V，通过STM32连接DAC芯片控制引脚A1-A8的数值可完成电压的控制。当A1-A8全为0时，输出电压为0V；当全为1时输出电压为2V。1.5.3STM32输入电路单片机需要与电脑连接，输入控制代码进而控制数模转换器产生的电压以及频率选择电路的输出选择，连接电路如图3-17所示。3-17USB连接电路1.6PCB板的设计1.6.1各器件的封装根据电源模块的数据手册设计其封装模型如图3-18所示。图3-18电源模块封装A2405S-2W（左），FN2-24S3V3C3（右）图3-19AD8421封装图3-20DAC0808封装图3-21CD4051封装1.6.2器件布局设计PCB板的大小，封装完成后进行器件布局，以下为布局原则：1）各元件首先按原理摆放，再根据相邻关系尽量使其平行或垂直摆放，各元器件之间禁止相互重叠，这样布置整体上看上去美观整洁；元件排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。在比较靠近板的边缘的元器件应该距离板边3-4厘米的距离，元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。2）合理安排接口元器件的位置和方向。一般来说，作为电路板和外界（电源、信号线）连接的连一般来说，作为电路板和外界（电源、信号线）一般来说接器元器件，通常布置在电路板的边缘3）在电源和芯片周围尽量放置去耦电容和滤波电容。根据以上原则进行器件的布局如图3-22所示。图3-22元器件布局如图3-22为元器件布局完成情况。根据上述各原则进行布置，芯片U1、U2和U3都有滤波和去耦电容并将这些电容贴近他们布置。图中U5和U11都为CD4051芯片连接滤波器与STM32进行滤波器的选择。按照电路模块布局，电源模块放置于一处，其相关的元件采用就近原则布置。电源输入，信号输入输出，以及USB都应该布置再板子的四周，这样可以在制板完成后便于对外的连接。芯片DAC0808布置于STM32左上方，是因为DAC芯片需要连接两个VCA810控制其电压来控制放大电路部分的放大倍数。因为组成滤波器的电容电阻和电感较多分开布置会比较杂乱，所以将三个窄波滤波器布置在同一位置，使其看起来整齐。主芯片STM32应放置在比较中心的位置，因为其需要连接电路中的大部分芯片进行信号的传输，放置在中间便于布线，布线会较为简洁。1.6.3PCB板布线PCB板器件布置完成后进行线路的布置。首先进行了各芯片周围电路的连线，将与芯片相关的元器件相连接。以U1为例，U1为AD8421芯片，他的外围有电源外部保护电路、射频干扰电路和电源的滤波去耦部分，将这些部分按原理相连。然后根据电路各部分的关系连接，按照总体方案设计的各个模块相连接。由于STM32与DAC0808、CD4051连接时线路过于复杂，有些线选择在另一面布置。最后进行电源线路的布置以及连接地线。在我设计PCB板的过程中由于STM32芯片所连的线过多，所以有些线我选择在板的另一面走线，这样使布线难度降低，只是在一面布线，基本无法完成，因为STM3