X-NUCLEO-IKA01A1扩展板评测
零、前言
STM32 Nucleo系列的开发板很常见,但是关于Nucleo系列的扩展板,还是比较少见的。这里就先带大家一起认识一下ST公司推出的基于运算放大器的多功能扩展板。
评测内容主要包括:
一、Nucleo系列扩展板介绍
二、初见X-NUCLEO-IKA01A1
三、详解X-NUCLEO-IKA01A1
四、X-NUCLEO-IKA01A1测试
一、Nucleo系列扩展板介绍
ST公司针对不同的应用提供了很多STM32 Nucleo系列开发板,包括传感器应用、无线连接、放大器应用、电机控制、电源管理等等。这些扩展板都带有标准化的接口:Arduino UNO R3接口和ST Morpho接口。针对不同的扩展板,ST都提供了丰富的软件库资源,用户可以很方便地实现需要的软件功能。
STM32 Nucleo expansion boards官网地址:
http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/catalog/tools/FM116/CL1620/SC1971
二、初见X-NUCLEO-IKA01A1
X-NUCLEO-IKA01A1扩展板的包装依然是经典的吸塑包装,不过板子较小,包装内部空间较大,以至于板子并不能固定在包装内部。
图1. 包装正面
包装背面是对扩展板功能的简要说明
图2. 包装背面
打开包装可以看到:整个板子深蓝色的背景,Arduio UNO R3接口、USB Type A接口和Micro USB接口,后面再详细介绍接口的使用,另外还有三个运放。同时为了不影响Nucleo开发板的复位按键和用户按键,在扩展板上开了两个孔。
图3. X-NUCLEO-IKA01A1扩展板正面
图4. X-NUCLEO-IKA01A1扩展板背面
图4. X-NUCLEO-IKA01A1扩展板与STM32L476 Nucleo对比
标准的Arduino接口居然和Nucleo板子组装不上,看了一下,X-NUCLEO-IKA01A1扩展板背面的排针似乎有点弯。
三、详解X-NUCLEO-IKA01A1
X-NUCLEO-IKA01A1扩展板是ST公司推出的基于运算放大器的多功能扩展板,板子上采用的三个主要运放芯片都是ST生产的。运放芯片分别是:TSZ124、TSU104、TSV734.
相关介绍链接:
扩展板的主要特点:
1. 7个预定义的配置:
(1)仪表放大器结构
(2)电流测量电路
(3)光电二极管测量电路
(4)缓冲电路
(5)全波整流器电路
(6)恒流驱动电路
(7)窗口比较器电路
2. 1个原型区
3.兼容STM32 Nucleo
4.提供全面免费开发固件库(X-CUBE-ANALOG1)
5.通过Arduino UNO R3接口链接供电
【仪表放大器部分电路】
仪表放大器结构部分是由TSZ124组成的传统的三运放拓扑结构,前一级提供差分放大,后一级消除共模电压。TSZ124为5V供电,因此在运放的输出端还有一个由R37、R38组成的分压结构,能够将5V的电压减小到3.2V,保护STM32的IO口不被损坏。另外,在输入引脚出还连接有ESD保护器件ESDALCL6-2SC6,保护输入引脚。
使用的时候跳线帽JP2、JP4、JP5应该装上,JP6、JP7应该断开;如果输入信号由电容提供,则应该安装上JP6、JP7,提供一个偏置电压。
输入输出关系:
当然也可以通过外部电阻来改变增益,此时,应该断开JP2,将外部电阻连接在Rgain_a和Rgain_b.
该电路输入信号的最大频率由运放的增益带宽积GBP和电路的增益决定。
【电流测量电路】
电流测量电路采用TSZ124运放,通过Rs这个采样电阻,将电流转换成电压。输入端还带有一个单向的ESD保护器件ESDAULC6-1U2,输出部分仍然带有一个由R30、R39组成的分压器将5V电压减小到3.2V,保护STM32芯片引脚。
使用方法:
将电源或PC通过USB type A转Micro USB线连接扩展板的Micro USB接口,再通过扩展板的USB A接口给目标板供电,电源电压不能超过5V,这样就能实现电流的测量。如果没有USB口,也可以通过Iin和Iout来测量。
电流计算方法:
该电流测量电路最大能测量达到2.08A的电流,电流更大将会导致运放饱和,不能反映真正的电流。
电路工作的最大频率:
ADC采样值与电压、电流的对应关系:
【缓冲电路】
缓冲电路由TSV734构成电压跟随器,输入输出接了ESD保护器件ESDALCL6-2SC6。电压跟随器具有高输入阻抗,低输出阻抗。可以用来连接高输出阻抗电路和低输入阻抗,起缓冲的作用,减小信号的损耗。
输入电压范围:0~3.3V
【全波整流电路】
由两个TSV734运放组成的等值电阻型全波整流电路,匹配电阻全部相等。输入电压小于基准电压时,D3截止,D4导通;输入电压大于基准电压时, D3导通,D4截止。基准电压通过P1电位器来调节。
输入输出关系:
【光电二极管测量电路】
这是一个由TSU104组成的电流—电压转换电路,TSU104是低功耗CMOS运放,具有低输入偏置电流,应用在该电路中很合适。光电二极管产生的电流转换成电压后,由A4引脚采样。
【恒流驱动电路】
运放采用TSV734作为反馈,通过输出PWM来控制运放同相输入端的电压,进而控制电流大小。如果采用场效应管,得到的电流会更精确。可以通过LED_A和LED_K并联更多的LED来测试,负载较多时建议使用外部电源。
【窗口比较器电路】
电路由两个TSU104组成双限比较器,高低阈值电压通过P2来调节,输入端带有单向ESD保护器件。
低阈值电压:
高阈值电压:
Vin < Vthreshold_low:
D2:high state
D4:low state
Vthreshold_low < Vin < Vthreshold_high:
D2:high state
D4:high state
Vthreshold_high < Vin:
D2:low state
D4:high state
四、X-NUCLEO-IKA01A1测试
X-NUCLEO-IKA01A1配套的软件库X-CUBE-ANALOG1中提供的测试例程能直接使用STM32F103RB-Nucleo、STM32F401RE-Nucleo、STM32L053R8-Nucleo测试。刚好这3个型号的板子我都没有。于是就先直接使用ADALM1000来做简单的测试。
全波整流电路测试:
输入最小值为0V,最大值为2.0V,频率500Hz的正弦波。橙色波形为输出。
电流测量电路测试:
这一部分我测量移动电源给一部旧手机充电的电流,使用ADALM1000的Channel A测量A2引脚的电压为0.9734V(测量值需要校准),对应的充电电流500—600mA左右。
光电二极管测试:
使用ADALM1000的Channel A测量A4引脚的电压值,可以看到无光照环境下和有光照环境下测量值的明显差别。无光照环境下测量值:
有光照环境下测量值:
恒流源驱动电路测试:
直接使用ADALM1000输出占空比为5%和70%的方波测试。占空比为5%时,D2亮度:
占空比为70%时,D2亮度: