4.4.3 电源模块电路设计
由于电路含有多个硬件模块，每个模块都需要有各自对应的电源电路供电，经分析研究，本节设计的检测系统共需要的电源电压分别为：36V、+5V、-5V、3.3V。其中，36V电源为运放OPA552供电；5V为模拟前端供电；设计有两种3.3V电压，第一种是采用TI公司的一款LM2576-3.3V电源芯片进行转换成数字3.3V 电源，LM2576电源芯片的电流最高能达到3A；第二种是采用AMS1117-3.3V 电源芯片进行转换成模拟3.3V 电源，它为系统中模拟电子器件供电。整个检测系统的电源模块可以采用全部由+12V的电源进行系列转换得到，即分别实现由+12V 转换成为+5V，+12V转换成为+36V，+12V转换成数字3.3V，再由+5V 转换-5V，然后再将+5V转换成为模拟+3.3V，最后再由模拟的3.3V 电源转换为模拟1.8V电源，以便给DSP2812芯片的内核供电。
由于本节检测系统采用的是可调谐F-P滤波器解调设计方案，所以需要设计F-P滤波器的驱动电路，以便对F-P滤波器进行扫描。F-P滤波器需要18V的电压对其进行工作驱动，驱动电压采用D/A输出并通过升压芯片进行升压处理的设计方案。经过综合分析，最终决定采用德州仪器开发的一款升压芯片LM2585。其为电源开关内含限流和限热电路保护和欠压锁定电路。其集成电路包含一个内部振荡器，振荡频率为100k Hz。其还具有其他稳压芯片所没有的特性，比如电流模式控制(可以改善输出负载瞬间和周期限流)、软启动模式(可以降低启动时的浪涌电流)。设计电路如图4.13所示。
我们通常使用直流稳压转换电源主要为两种类型：开关电源、线性电源。下面主要是对这两类电源的对比阐述：
图4.13 基于LM2585升压电路
线性电源的原理：线性电源是将工频交流电经过变压器后，然后再经过整流桥将交流电整流成带较大纹波的直流，然后再通过滤波电路，得到未稳定的直流电压[14]。线性电源多个模块，主要有保护电路、输出整流滤波器、工频变压器等。要将未稳定的直流电压达到低纹波、高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整后输出，这种电源技术能让输出的波纹相当小，也可以达到很高的稳定度，而且没有开关电源所具有的噪音[15]。虽然它的唯一缺点就是由于电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上会有一定的管压降，在输出较大的工作电流时，会导致调整管的功耗较大，转换效率较低。但是，如今工艺的进步，技术的提高，一些电源管理芯片公司研发出功耗较小的线性电源芯片，比如凌力尔特公司，其开发的线性电源在便携式消费产品中都是比较常见的。线性电源也具有其自身的优点：线性电源输出的电压波形纹波很小，而且调整效率很高，对外界周边元器件产生的干扰也非常小。
开关电源主要原理可以用一个框图来概括，如图4.14所示，从图中可以看出，开关电源主要分为两部分，一部分为电压转换电路，一部分为控制电路。对于电压转换部分，先将从电网里输入的工频交流电进行整流滤波，然后输入高频变换模块，高频变换模块输入的频率来自控制电路模块，然后将变换后的电压输入到下一级，下一级是由储能元件构成，一般为电感电容等储能元件，当高频变换模块截止时，就意味着不向调宽方波和整流滤波输入电压，此时储能元件便向外界输出直流电压。对于控制电路部分介绍如下：先由采样电路将直流输出的值进行采样，然后输入到与一个基准电压进行比较的比较模块，然后输入到下一级脉宽调制，脉宽调制一般有两种方式的输入波形，一种为一个振荡器，即纯模拟的电路搭建，另一种方式为数字式的，用微控制器产生一个PWM 波，从而用来调整高频开关元件的开关时间比例，来使输出电压稳定。其唯一的缺点就是波纹较大，对于精细控制系统，或者稳定性依赖较大的系统，一般都不适合用开关电源。
图4.14 开关电源原理框图
综上所述，通过分析开关电源与线性电源这两种类型的直流电压转换电源，易知两种电源有各自不同的优缺点，然后结合自己电路设计的实际情况，进而综合分析，在对+12V转换为+5V 时，系统需要比较稳定的电压，若选择开关电源进行稳压的话，可能会使整个信号采集与处理系统精度等参数达不到要求，而线性电源噪声干扰小、精度高、纹波小，更能满足设计需求。
出于对以上线性电源与开关电源优缺点与系统设计的参数需求考虑，本节最终选择了凌力尔特公司的一款LT1963线性直流电压转换电源，进行+12V到+5V的转换电路核心电源设计，该电源的主要参数与特点如下：
LT1963A是一款低压差的线性稳压器，其设计是实现快速瞬态响应的优化。其输出电流可达1.5A，输出电压范围为1.21V至20V。仅有1mA工作静态电流，另外在待机模式下可降至1μA以下，功耗极小。它与很多线性低压差稳压器件不同的是，其静态电流可以处于良好受控状态，并且在电压下降时其静态电流并不上升。在自身电路保护方面，其内部保护电路包括反向电流保护、电流限制、热限制、反向电池保护等[18]。LT1963输出噪声非常低，因而其非常适合于要求低纹波、高稳定性的电源设计。
对于电源模块主电压设计，经过多次测试，最终确定了各部分电路图。下面将开关电源LM2576-5以及LT1963的电路图分别如图4.15和图4.16所示，在后续章节，将会对其调试过程进行详细阐述。
图4.15 开关电源LM2576-5.0的+12V转+5V电路
图4.16 线性电源LT1963A的+12V转+5V电路(https://www.daowen.com)
图4.15即为本系统所采用的电路，该电路设计时，主要根据其数据手册里应用电路进行设计，如图4.17所示。
图4.17 LT1963典型应用电路
由图4.17知，该电路设计不复杂，也没有太多元器件，只需改变电阻R2与R1的阻值，就能得到VOUT的值，经过计算，现取R2的阻值为33kΩ，R1的阻值为10kΩ，然后输出电压即为5V。在本系统设计电路中，输入级与输出级都加有220μF的电解电容，其主要作用分别为输入级与输出级的滤波作用，使稳压的效果更好，精度更高，纹波更小。
至于-5V电路设计，异于传统-5V 设计思路，而是采用美信公司的一款电荷泵芯片MAX660，其将+5V电压转换为-5V 电源电压。设计电路如图4.18所示。
图4.18 5V电荷泵电路
+5V转3.3V的电路设计，为了保证转换后的电压的波形质量以及对周围电路的信号影响，因此继续采用了线性电源来减小纹波，选用的芯片型号为AMS1117-3.3，其最大电流为800mA，对于后续电路的驱动完全能满足，具体的电压转换电路设计如图4.19所示。
图4.19 基于AMS1117-3.3的+5V转+3.3V连接电路
由于本设计系统中有较多的数字器件需要3.3V 电源来供电。根据经验研究，若全部以AMS1117-3.3电路转换的电压供电，其电流不能达到这么大，以防烧坏器件。对于+12V 转换3.3V 电源电路的设计，本节中采用的是德州仪器公司开发的一款集成开关型稳压电源，其电流限制可以达到3A。另一方面，为了提高系统稳定性，减少模拟电路与数字电路之间的相互干扰，本节采用将模拟3.3V 电源与数字3.3V 电源分开的设计方案，确保系统长期稳定运行。+12V转换3.3V电源电路设计如图4.20所示。
图4.20 基于LM2576-3.3的+12V转3.3V电路
以上就是整个信号采集与处理系统电路的所有供电电路设计，DSP2812芯片内核的供电电压为1.75～1.8V，因此需要将3.3V 电压再降为1.8V 电压。考虑到这个电压是给核心板供电，所以精度要求更高，并且功耗非常低，不会产生过多的热量，故采用线性稳压芯片进行电压转换，其型号为AMS1117-1.8V，具体设计电路如图4.21所示。
图4.21 AMS1117-1.8的+3.3V转+1.8V连接电路
