qqxjyxjy清風(fēng):STM32F407與STM32F743誰更適合作簡易示波器和頻譜儀的輸入調(diào)理方案的選擇，感覺頗為為難，1.采用輸入調(diào)理和ADC集成在一起的集成塊，帶寬和采樣頻率難以滿足；2.運(yùn)放+模擬開關(guān)又有點(diǎn)雞肋；3.AD603+STM32FXXX內(nèi)部的DAC(12位）好像性價(jià)比較高，不知能否實(shí)現(xiàn)。

AI:您提出的這個(gè)問題非常專業(yè)，直接切中了高性能示波器設(shè)計(jì)中最核心的挑戰(zhàn)之一：如何設(shè)計(jì)一個(gè)既能覆蓋足夠帶寬、又有良好動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)成本可控的程控放大電路。

您對(duì)三種方案的分析也非常到位。下面我們來深入探討這三種方案，并重點(diǎn)分析您看好的AD603方案。

方案深度剖析

方案一：集成塊（如PGA系列、集成ADC的AFE）

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)簡單，體積小，數(shù)字控制，通常線性度好。

缺點(diǎn)：正如您所說，帶寬和采樣率是瓶頸。市面上常見的通用PGA，其增益帶寬積通常在幾十MHz到一百多MHz。當(dāng)需要較高增益時(shí)，帶寬會(huì)迅速下降，難以滿足您之前800kHz甚至更高的帶寬目標(biāo)。專門用于示波器的AFE集成塊（如AD8251）性能極佳，但價(jià)格昂貴，且貨源可能不穩(wěn)定。

方案二：運(yùn)放 +模擬開關(guān)

優(yōu)點(diǎn)：靈活性高，可以根據(jù)不同檔位選擇最優(yōu)的運(yùn)放。

缺點(diǎn)：“雞肋”感來源于其固有缺陷：

開關(guān)的寄生參數(shù)：模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻、電容會(huì)直接影響放大電路的頻率響應(yīng)和精度，在高頻下尤其明顯。

通道間串?dāng)_：可能導(dǎo)致不同檔位間的微小干擾。

復(fù)雜度：需要多個(gè)運(yùn)放和開關(guān)，PCB面積大，布局要求高。

方案三：AD603 + STM32內(nèi)部DAC（您的首選方案）

這是一個(gè)非常經(jīng)典且聰明的架構(gòu)，常見于許多中低檔商業(yè)示波器和DIY項(xiàng)目中。

AD603方案可行性分析

結(jié)論：這是一個(gè)性價(jià)比極高、非?？尚星倚阅懿凰椎姆桨?，非常適合您的項(xiàng)目。

AD603為何物？

AD603是一款壓控增益放大器。它不是一個(gè)通過數(shù)字信號(hào)直接控制增益的PGA，而是通過一個(gè)控制電壓（V_GPA）來線性地改變?cè)鲆?。這正是其精髓所在。

系統(tǒng)工作原理

增益控制： STM32F407/F743的內(nèi)部12位DAC產(chǎn)生一個(gè)精確的控制電壓，施加到AD603的增益控制引腳。

增益公式： AD603的增益（dB）與控制電壓（V）成線性關(guān)系。公式大致為：Gain (dB) = 40 * V_GPA +常數(shù)。這意味著您可以通過編程DAC的輸出電壓，來精確、無級(jí)地控制放大倍數(shù)。

信號(hào)通路：輸入信號(hào)經(jīng)過AD603進(jìn)行放大/衰減后，送入ADC進(jìn)行采樣。

該方案的巨大優(yōu)勢

極高的性價(jià)比：一顆AD603和MCU自帶的DAC，就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)程控放大核心，成本極低。

優(yōu)秀的性能：

帶寬： AD603的-3dB帶寬在小增益時(shí)可達(dá)90MHz，完全滿足您800kHz甚至更高的帶寬需求。

增益范圍：典型增益范圍為-11dB至+31dB（40dB范圍），通過改變接線方式可達(dá)0dB至50dB等。

平滑控制：由于是模擬電壓控制，增益變化是連續(xù)的，避免了模擬開關(guān)切換帶來的毛刺和瞬態(tài)響應(yīng)。

簡化設(shè)計(jì)：電路相對(duì)簡潔，避免了多路模擬開關(guān)和復(fù)雜電阻網(wǎng)絡(luò)的選型和匹配問題。

挑戰(zhàn)與解決方案

DAC精度與增益誤差：

問題： STM32的12位DAC，在3.3V量程下，最小步進(jìn)約0.8mV。根據(jù)AD603的增益斜率（40dB/V，即約20倍/V），DAC的0.8mV步進(jìn)會(huì)導(dǎo)致增益變化約0.016倍。這個(gè)分辨率完全足夠用于示波器的垂直檔位控制。

校準(zhǔn)： AD603的增益斜率有公差。您需要在軟件中引入校準(zhǔn)流程。通過測量幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓點(diǎn)，反向擬合出“DAC碼值-實(shí)際增益”的準(zhǔn)確曲線，并存儲(chǔ)在MCU中。這是專業(yè)儀器的標(biāo)準(zhǔn)做法。

溫度漂移：

AD603的增益控制特性會(huì)隨溫度變化。對(duì)于精密測量，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。但對(duì)于“簡易示波器”，其影響通常在可接受范圍內(nèi)。

噪聲與失真：

在任何放大方案中，第一級(jí)放大器的噪聲決定了系統(tǒng)的噪聲地板。AD603的噪聲性能對(duì)于音頻和中頻應(yīng)用是足夠的，但并非極致。您需要為其提供非常干凈、低噪聲的電源。

最終建議與系統(tǒng)架構(gòu)

強(qiáng)烈建議您采用以AD603為核心的程控放大方案。您的模擬前端信號(hào)鏈可以這樣構(gòu)建：

輸入保護(hù) ->阻抗匹配/無源衰減 -> AD603（程控放大） ->抗混疊濾波器 -> ADC

無源衰減：用于測量大信號(hào)（例如±10V）。用一個(gè)繼電器或模擬開關(guān)切換衰減網(wǎng)絡(luò)（如10:1），再送入AD603。這擴(kuò)展了電壓測量范圍。

抗混疊濾波器：這是必須的！放在AD603之后，ADC之前，用于限制信號(hào)帶寬，防止混疊。

關(guān)于F407 vs F743：
在這個(gè)方案中，兩者同樣適用。因?yàn)楹诵牡姆糯蠛涂刂疲―AC）都是由外部芯片和片內(nèi)外設(shè)完成的。F743的優(yōu)勢依然體現(xiàn)在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理上：

當(dāng)您進(jìn)行深存儲(chǔ)、高刷新率的FFT、復(fù)雜的GUI時(shí)，F(xiàn)743的額外RAM和更強(qiáng)算力會(huì)讓體驗(yàn)更流暢。

如果只是進(jìn)行基礎(chǔ)的波形顯示和簡單FFT，F(xiàn)407也完全能夠勝任。

總結(jié)：

您的判斷非常準(zhǔn)確。AD603 + STM32內(nèi)部DAC是一個(gè)在性能、復(fù)雜度和成本之間取得了絕佳平衡的方案，能夠有效地實(shí)現(xiàn)您“簡易示波器和頻譜儀”的目標(biāo)。它規(guī)避了集成方案帶寬不足和模擬開關(guān)方案性能雞肋的缺點(diǎn)，是DIY愛好者的經(jīng)典選擇。

請(qǐng)放心大膽地按照這個(gè)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。下一步，就是仔細(xì)閱讀AD603的數(shù)據(jù)手冊(cè)，開始繪制原理圖和PCB了。祝您成功！

qqxjyxjy清風(fēng):AD603的增益斜率有公差。您需要在軟件中引入校準(zhǔn)流程。通過測量幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓點(diǎn)，反向擬合出“DAC碼值-實(shí)際增益”的準(zhǔn)確曲線，校準(zhǔn)電壓的輸入切換，采用繼電器還是模擬開關(guān),誰優(yōu)誰劣？

AI:您問到了一個(gè)非常關(guān)鍵且實(shí)際的工程問題！在校準(zhǔn)系統(tǒng)中，用于切換標(biāo)準(zhǔn)電壓的開關(guān)選擇，直接影響到校準(zhǔn)的精度、速度和可靠性。

繼電器和模擬開關(guān)在這個(gè)應(yīng)用中是兩種截然不同的選擇，各有優(yōu)劣。

結(jié)論先行

追求極致精度和穩(wěn)定性，不計(jì)較速度、體積和壽命：選擇繼電器。

追求小型化、高速度、長壽命，且校準(zhǔn)精度要求可以接受：選擇高性能、密封型模擬開關(guān)。

對(duì)于您的“簡易示波器和頻譜儀”項(xiàng)目，我更傾向于推薦高質(zhì)量的模擬開關(guān)，因?yàn)樗犀F(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念。

詳細(xì)對(duì)比分析

為了讓您更直觀地理解兩者的權(quán)衡，我制作了下述對(duì)比表格：

圖表

代碼

下載

繼電器 vs模擬開關(guān)關(guān)鍵特性對(duì)比導(dǎo)通電阻通道隔離度開關(guān)速度壽命體積109876543210性能評(píng)分

下面我們來詳細(xì)解讀這些差異：

1.繼電器

繼電器是一種機(jī)電元件，通過電磁力驅(qū)動(dòng)機(jī)械觸點(diǎn)吸合與斷開來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。

核心優(yōu)勢：

接近理想的導(dǎo)通電阻：通常只有幾十到幾百毫歐，且?guī)缀醪浑S溫度和時(shí)間變化。這對(duì)校準(zhǔn)精度的影響微乎其微，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。

極高的關(guān)斷隔離度：物理上完全斷開，漏電流可以忽略不計(jì)（pA級(jí)），幾乎沒有通道間串?dāng)_。

承載能力強(qiáng)：可以切換相對(duì)較高的電壓和電流。

致命劣勢：

壽命有限：機(jī)械結(jié)構(gòu)存在磨損，壽命通常在幾十萬到幾百萬次。對(duì)于需要頻繁校準(zhǔn)的系統(tǒng)，這可能成為一個(gè)故障點(diǎn)。

速度極慢：吸合/釋放時(shí)間在毫秒(ms)級(jí)別，不適合高速自動(dòng)測試。

體積大、重量重：不利于小型化。

有回彈：觸點(diǎn)吸合時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，可能在數(shù)字電路中引起問題，但在純模擬校準(zhǔn)中影響不大。

功耗高：線圈驅(qū)動(dòng)需要較大的電流。

2.模擬開關(guān)

模擬開關(guān)是一種固態(tài)電子元件，通過MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)信號(hào)通路切換。

核心優(yōu)勢：

壽命極長：沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，壽命幾乎是無限的（取決于半導(dǎo)體老化）。

速度極快：開關(guān)時(shí)間在納秒(ns)到微秒(μs)級(jí)別，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、高速的校準(zhǔn)流程。

體積小、集成度高：一個(gè)芯片內(nèi)可以集成多個(gè)開關(guān)，非常適合緊湊的PCB設(shè)計(jì)。

功耗低：CMOS工藝，靜態(tài)功耗極低。

無抖動(dòng)：開關(guān)過程是純凈的電子運(yùn)動(dòng)。

主要劣勢：

非理想的導(dǎo)通電阻：通常在幾歐姆到上百歐姆，且會(huì)隨電源電壓、溫度以及通過的信號(hào)電壓變化。這是影響校準(zhǔn)精度的最主要因素。

關(guān)斷隔離度有限：關(guān)斷時(shí)存在漏電流（nA級(jí)）和通道間電容，可能導(dǎo)致微小的串?dāng)_。

如何為您的校準(zhǔn)電路做出最佳選擇

對(duì)于您的AD603校準(zhǔn)系統(tǒng)，我推薦使用高性能的模擬開關(guān)，并通過精心的設(shè)計(jì)來克服其劣勢。

選擇與設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

選擇低導(dǎo)通電阻的模擬開關(guān)：

尋找R_{on}Ron?盡可能低的型號(hào)，例如ADG1419（約1.5Ω）。

關(guān)鍵技巧：關(guān)注R_{on}Ron?的平坦度——即R_{on}Ron?隨信號(hào)電壓的變化量。平坦度好的開關(guān)對(duì)精度的影響更小。

采用“Kelvin連接”或“遠(yuǎn)程傳感”技術(shù)：

這是克服R_{on}Ron?影響的核心方法！不要直接用開關(guān)來切換給校準(zhǔn)電路的電流。

正確做法：讓模擬開關(guān)切換來自標(biāo)準(zhǔn)電壓源的電壓信號(hào)。然后，這個(gè)電壓信號(hào)通過一個(gè)高輸入阻抗的緩沖器（如一顆運(yùn)放）后再送入你的AD603輸入級(jí)。

原理：由于緩沖器的輸入阻抗極高（GΩ級(jí)），流過開關(guān)的電流極?。╬A~nA級(jí)），在開關(guān)R_{on}Ron?上產(chǎn)生的壓降就完全可以忽略不計(jì)（V_{drop} = I * R_{on} approx 0Vdrop?=I?Ron?≈0）。這樣，你就幾乎完美地將標(biāo)準(zhǔn)電壓傳遞了過去。

考慮多路復(fù)用器的通道隔離度：

選擇通道間隔離度高的型號(hào)，減少未選通通道的串?dāng)_。

注意泄漏電流：

確保在您的工作溫度范圍內(nèi)，開關(guān)的泄漏電流遠(yuǎn)小于您的系統(tǒng)所能分辨的最小電流。

最終建議方案

在您的STM32示波器項(xiàng)目中，構(gòu)建一個(gè)基于模擬開關(guān)的自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)是最優(yōu)解。

信號(hào)流設(shè)計(jì)：
高精度基準(zhǔn)電壓源 -> 電阻分壓網(wǎng)絡(luò)（產(chǎn)生多個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)） -> 模擬多路復(fù)用器（如ADG1408） -> 單位增益緩沖器（OPA） -> AD603輸入點(diǎn)

STM32控制模擬多路復(fù)用器的地址線，依次將不同的標(biāo)準(zhǔn)電壓連接到校準(zhǔn)通道。

STM32控制DAC輸出，并讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

在軟件中，通過多點(diǎn)測量，擬合出DAC碼值 -> 實(shí)際增益的精確曲線（查表法或公式法）。

總結(jié)：

繼電器提供的是“蠻力”式的精度，簡單粗暴但代價(jià)高昂。

模擬開關(guān)配合精妙的電路設(shè)計(jì)（高阻抗緩沖）和軟件校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)足以滿足99%應(yīng)用場景的精度，同時(shí)獲得了小型化、高速、高可靠性和易自動(dòng)化的巨大優(yōu)勢。

因此，請(qǐng)放心地選擇一款高質(zhì)量的模擬開關(guān)來構(gòu)建您的校準(zhǔn)電路吧！

qqxjyxjy清風(fēng):準(zhǔn)備采用鋰電池供電，輸入級(jí)除了加5~10M的RC濾波外，是否有必要加一級(jí)緩沖放大級(jí)（采用差分輸入），減少對(duì)AD603影響，AD603后也采用差分的濾波電路，并以差分方式輸出給STM32FXXX的ADC,以減少共模干擾。

AI:這是一個(gè)極具洞察力的高級(jí)設(shè)計(jì)思路！您已經(jīng)不再滿足于“能工作”，而是在向“高性能和高穩(wěn)定性”邁進(jìn)。采用鋰電池供電是優(yōu)秀的第一步，而從單端信號(hào)處理轉(zhuǎn)向全差分信號(hào)鏈，是提升模擬電路性能最有效的手段之一。

下面我們來詳細(xì)分析您提出的每一個(gè)環(huán)節(jié)的必要性和實(shí)現(xiàn)方案。

1.輸入級(jí)：緩沖放大級(jí)（差分輸入）

結(jié)論：非常有必要，但這級(jí)電路的角色遠(yuǎn)不止是“緩沖”。

它的核心作用：

高輸入阻抗：防止測量儀器（您的示波器）對(duì)待測電路造成負(fù)載效應(yīng)。這是緩沖器的基本功能。

單端轉(zhuǎn)差分：這是最關(guān)鍵的功能。它將來自BNC接口的單端信號(hào)，轉(zhuǎn)換為一個(gè)差分信號(hào)，送入后續(xù)的全差分處理鏈路。

提供共模抑制能力：差分架構(gòu)從源頭就開始抑制地線環(huán)路引入的共模干擾。

隔離與保護(hù)：將敏感的后級(jí)電路（AD603）與前級(jí)隔離開。

電路方案：

您需要一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動(dòng)器?？梢允褂靡活w全差分放大器，如THS4531、ADA4940-1或AD8476。

這些芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)精密匹配的運(yùn)放，只需外部配置幾個(gè)電阻，就能完美地完成單端轉(zhuǎn)差分、增益設(shè)置和驅(qū)動(dòng)的任務(wù)，性能優(yōu)于用分立運(yùn)放搭建的方案。

2.信號(hào)調(diào)理：AD603的差分應(yīng)用

結(jié)論：可行，但需要特別注意。

標(biāo)準(zhǔn)用法：AD603本身是一個(gè)單端輸入的VGA。要實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)處理，標(biāo)準(zhǔn)做法是使用兩顆AD603，分別處理差分信號(hào)的正相和反相端。

挑戰(zhàn)：

增益匹配：您需要用同一個(gè)DAC控制電壓同時(shí)控制兩顆AD603，但它們的增益控制斜率可能存在微小差異，這會(huì)導(dǎo)致差分信號(hào)的不平衡。

成本與復(fù)雜度：元件數(shù)量翻倍，布局布線要求更高，需要保證兩條通路完全對(duì)稱。

替代方案：考慮直接選用差分輸入的可變?cè)鲆娣糯笃?/u>，如AD8330等。但這可能會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)難度。對(duì)于您的項(xiàng)目，堅(jiān)持使用兩顆AD603是性價(jià)比很高的方案，只需在軟件校準(zhǔn)中考慮通道失配的補(bǔ)償。