毕业设计
整体架构
采用 STM32H750VBT6 作为主控，通过 SPI 和 GPIO 控制所有外设，选用CMOS而不是LVDS控制。
系统由以下五个功能单元构成：
-
主控单元：STM32H750VBT6，负责波形配置、发射触发、增益调节、数据读取、信号处理和通信。
-
发射链路：包括 AD9106 DAC（四通道波形发生器）、ADA4870 功放（每通道一片）以及 MD0100 收发隔离开关。
-
接收链路：包括 AD8334 VGA（四通道可变增益放大器）、LTC2325-16 ADC（四通道同步采样 SAR ADC）。
-
电源管理：提供多路稳压电源：LT3463 产生 ±40V 高压供功放；LT3045 产生超低噪声 +5V_A 和 +3.3V_A 供模拟电路；通用 LDO 产生 +3.3V_D 供数字逻辑。
-
探 头接口：四路独立的超声波探头连接器，配备钳位二极管保护接收前端。
发射流程
波形预存：STM32 通过 SPI 将预设的超声波脉冲波形（如 10 个周期的 100kHz 正弦突发）下载至 AD9106 的内部 SRAM。
触发发射：STM32 输出一个 GPIO 脉冲至 AD9106 的 TRIGGER 引脚，启动波形输出。AD9106 利用外部 50MHz 晶振精确合成信号，从四个通道输出差分电流（IOUTPx / IOUTNx）。
电流-电压转换：差分电流通过外部精密电阻（124Ω）转换为电压信号。
功率放大：电压信号送入 ADA4870（每通道一片），被放大至约 ±40V，驱动能力达 10A，以满足容性探头的大电流需求。
收发隔离：放大后的高压脉冲通过 MD0100 收发开关的 A 端，在发射期间开关断开（内部结构自动响应电压差），将脉冲加至探头。同时，开关隔离了高压与接收前级，保护后续低噪声电路。
接收流程
回波输入：探头接收到的微弱回波（几 μV 至几百 mV）通过 MD0100 的 B 端输出。B 端对地接有 BAT54S 双向钳位二极管，将残余发射尖峰钳位在 ±0.4V 以内，保护后级。
前置放大与增益控制：信号进入 AD8334 的 LNA 输入。AD8334 是四通道 VGA，每个通道包含一个低噪声前置放大器（13dB 增益，单端输入模式）和一个 48dB 范围的可变增益放大器。STM32 通过 DAC 或 PWM 产生 0.04V~1.0V 的控制电压，调节 VGA 增益，实现时间增益补偿（TGC）。
抗混叠滤波：AD8334 的 差分输出经过一阶 RC 低通滤波器（100Ω + 820pF，截止频率约 1.94MHz），滤除带外噪声，防止混叠。
模数转换：滤波后的差分信号直接送入 LTC2325-16 的四对差分输入引脚。该 ADC 配置为 CMOS 接口、SDR 模式，四个通道的转换结果通过四根独立的 SDO 线并行输出。STM32 用四个 SPI 外设同时接收数据，SCK 由 SPI2 统一提供，CNV 由 GPIO 控制同步采样。
数据处理：STM32 利用 DMA 将接收到的数据存入内存，然后进行数字滤波、包络检波、时间提取，最终计算出目标距离或生成图像。
时序与同步
采样同步：STM32 的 GPIO 产生 CNV 脉冲，同时触发四个通道的采样。ADC 转换期间，上一周期的数据通过 SPI 读出，实现流水线操作。
发射与接收的时序协调：STM32 的定时器控制发射脉冲的个数和周期，并在发射结束后延迟预定时间（对应盲区）后启动 ADC 采样，确保回波在窗口内被捕获。
元器件选型以及报价BOM
完整器件清单与参考报价
1. 主控单元
| 器件型号 | 描述 | 封装 | 数量 | 单价(CNY) | 总价(CNY) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| STM32H750VBT6 | ARM Cortex-M7, 480MHz, 128KB Flash | LQFP-100 | 1 | 32.27 | 32.27 | 主控芯片 |
| 25MHz 无源晶振 | HSE 晶振，负载电容 15pF | HC-49S或3225 | 1 | 0.80 | 0.80 | STM32 系统时钟 |
| 50MHz 有源晶振 | 低抖动 CMOS 输出 | 3225 | 1 | 3.50 | 3.50 | AD9106 时钟源 |
2. 发射链路
| 器件型号 | 描述 | 封装 | 数量 | 单价(CNY) | 总价(CNY) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AD9106BCPZ | 四通道 12位 DAC, 180MSPS, 内置波形发生器 | LFCSP-32 | 1 | 52.00 | 52.00 | 核心波形发生芯片 |
| ADA4870ARRZ | 1A 输出电流, 40V 供电, 2500V/µs 压摆率 | SOP-20 | 4 | 95.00 | 380.00 | 每通道一片 |
| MD0100 | 双通道超声波收发开关 | DFN-8 | 2 | 28.00 | 56.00 | 每片处理2通道，共需2片 |
| BAT54S,215 | 肖特基二极管，用于 B 端双向钳位 | SOT-23 | 4 | 0.35 | 1.40 | MD0100 B端保护 |
| 电阻 R_IV | 124Ω ±1% 1/10W | 0603 | 4 | 0.03 | 0.12 | AD9106 IV转换 |
| 电阻 R_FILT | 50Ω ±1% 1/10W | 0603 | 4 | 0.03 | 0.12 | 可选输出滤波 |
| 电容 C_FILT | 33pF C0G 50V | 0603 | 4 | 0.08 | 0.32 | 可选滤波电容 |
3. 接收链路
| 器件型号 | 描述 | 封装 | 数量 | 单价(CNY) | 总价(CNY) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AD8334ACPZ | 四通道 VGA, 100MHz 带宽, 48dB 增益范围 | LFCSP-64 | 1 | 110.00 | 110.00 | 接收前端放大 |
| LTC2325CUKG-16#PBF | 四通道 16位 ADC, 5Msps, 同步采样 | QFN-52 | 1 | 328.65 | 328.65 | 模数转换 |
| 电阻 R_IN | 100Ω ±1% 1/10W | 0603 | 8 | 0.03 | 0.24 | 抗混叠滤波（每通道2个） |
| 电容 C_IN | 820pF C0G 50V | 0603 | 4 | 0.20 | 0.80 | 跨接差分线间 |
| 电容 C_LMD | 0.1µF X7R 16V | 0603 | 4 | 0.04 | 0.16 | AD8334 LMD 引脚去耦 |
| 电容 C_IN_COUPLE | 0.1µF X7R 16V | 0603 | 8 | 0.04 | 0.32 | 输入耦合电容 |
4. 电源管理
| 器件型号 | 描述 | 封装 | 数量 | 单价(CNY) | 总价(CNY) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LT3463AEDD#PBF | 双通道 DC-DC, 正负压输出, ±40V | DFN-10 | 2 | 5.64 | 11.28 | 高压电源 (+40V和-40V各一片) |
| LT3045EDD#PBF | 超低噪声 LDO, 500mA, 0.8µV RMS | DFN-10 | 2 | 23.00 | 46.00 | 模拟电源 (+5V_A 和 +3.3V_A) |
| AMS1117-3.3 | 3.3V LDO, 1A | SOT-223 | 1 | 0.60 | 0.60 | 数字电源 +3.3V_D |
| 电感 L1 | 22µH, 饱和电流 >1.2A | 7×7mm | 2 | 2.00 | 4.00 | LT3463 升压电感 |
| 电容 C1 | 1µF X7R 25V | 0805 | 2 | 0.10 | 0.20 | 电荷泵电容 |
| 二极管 D1, D2 | BAS21, 200V, 0.5A | SOT-23 | 4 | 0.35 | 1.40 | 高压整流二极管 |
| 输入电容 CIN | 10µF X7R 25V | 0805 | 4 | 0.25 | 1.00 | 电源输入滤波 |
| 输出电容 COUT | 10µF + 1µF 并联，耐压 50V | 1206/0805 | 各2套 | 2.50 | 5.00 | 高压输出滤波 |
| 反馈电阻 R1 | 309kΩ ±1% | 0603 | 2 | 0.03 | 0.06 | LT3463 正压反馈 |
| 反馈电阻 R2 | 10kΩ ±1% | 0603 | 2 | 0.03 | 0.06 | LT3463 正压反馈 |
| 反馈电阻 R3 | 10kΩ ±1% | 0603 | 2 | 0.03 | 0.06 | LT3463 负压反馈 |
| 反馈电阻 R4 | 324kΩ ±1% | 0603 | 2 | 0.03 | 0.06 | LT3463 负压反馈 |
| SET 电阻 | 33kΩ ±1%（3.3V） | 0603 | 1 | 0.03 | 0.03 | LT3045 输出电压设定 |
| SET 电阻 | 50kΩ ±1%（5V） | 0603 | 1 | 0.03 | 0.03 | LT3045 输出电压设定 |
| SET 旁路电容 | 10µF 钽电容 | 3528 | 2 | 1.20 | 2.40 | LT3045 降噪（必须钽电容） |
| 输出电容（LDO） | 10µF X7R | 0805 | 2 | 0.25 | 0.50 | LT3045 输出电容 |
5. 通用无源元件
| 器件型号/规格 | 描述 | 封装 | 数量 | 单价(CNY) | 总价(CNY) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.1µF X7R 50V | 去耦电容 | 0603 | 40 | 0.04 | 1.60 | 每个芯片电源引脚一个 |
| 10µF X7R 10V | 去耦电容 | 0805 | 10 | 0.25 | 2.50 | 电源输入端 |
| 10kΩ ±1% | 通用上拉/下拉电阻 | 0603 | 10 | 0.03 | 0.30 | |
| 22Ω ±1% | 串联匹配电阻 | 0603 | 10 | 0.03 | 0.30 | |
| SMA 连接器 | 探头接口 | 边缘安装 | 4 | 2.00 | 8.00 | 探头连接 |
| DC 电源插座 | 5V 输入 | 直插 | 1 | 1.50 | 1.50 | |
| 4-pin SWD 排针 | 调试接口 | 1.27mm | 1 | 0.50 | 0.50 |
6. 其他
| 器件型号 | 描述 | 数量 | 单价(CNY) | 总价(CNY) | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| PCB 打样 | 四层板，约 10×10cm | 5片 | 50.00 | 50.00 | 嘉立创/捷配 |
| 焊接费 | 样品手工焊接 | 1套 | 200.00 | 200.00 | 如自己焊可省 |
7. 价格汇总表
| 类别 | 总价(CNY) | 占比 |
|---|---|---|
| 主控单元 | 36.57 | 2.5% |
| 发射链路 | 490.04 | 33.5% |
| 接收链路 | 440.17 | 30.1% |
| 电源管理 | 72.78 | 5.0% |
| 通用无源元件 | 14.70 | 1.0% |
| 其他（PCB、焊接） | 250.00 | 17.1% |
| 小计（不含PCB/焊接） | 1,054.26 | 72.0% |
| 总计（含PCB/焊接） | 1,304.26 | 100% |
连接方式
设计中用到的关键芯片列表
| 芯片型号 | 功能 | 关键参数 | 数量 |
|---|---|---|---|
| STM32H750VBT6 | 主控MCU | ARM Cortex-M7, 480MHz, 128KB Flash, 5×SPI | 1 |
| AD9106BCPZ | 四通道波形发生器 (DAC) | 12位, 180MSPS, 内置DDS和SRAM, 4mA输出 | 1 |
| ADA4870ARRZ | 高速高压功放 | ±40V供电, 1A输出, 2500V/µs压摆率 | 4 |
| MD0100 | 双通道收发开关 | 无源器件, 自动切换, 耐压±100V | 2 |
| AD8334ACPZ | 四通道VGA | 5V供电, 100MHz带宽, 48dB增益范围, 超低噪声 | 1 |
| LTC2325CUKG-16#PBF | 四通道16位ADC | 5Msps同步采样, 8Vpp差分输入, SPI/CMOS接口 | 1 |
| LT3463AEDD#PBF | 双通道DC-DC高压电源 | 输入2.4V-15V, 输出±40V, 集成肖特基二极管 | 2 |
| MT3608 | 升压DC-DC | 输入5V, 输出6V, 1.2MHz开关频率 | 1 |
| LT3045EDD#PBF | 超低噪声LDO | 500mA, 0.8µV RMS噪声, 可调输出 | 2 |
| T1-1T-KK81+ | 1:1宽带变压器 | 80kHz-200MHz, 用于差分转单端 | 4 |
| BAT54S | 肖特基二极管 | 30V, 200mA, 用于MD0100 B端钳位 | 4 |
| BAS21 | 高压肖特基二极管 | 200V, 200mA, 用于LT3463负压部分 | 2 |