基于USB接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到一些模擬信號(hào)，通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出所需的模擬信號(hào)。計(jì)算機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要借助外部總線接口，USB接口是常用的外部總線接口，用來(lái)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器非常便捷。作者以典型的USB接口芯片和D/A轉(zhuǎn)換器芯片為例，詳細(xì)說(shuō)明了基于USB接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電路及程序設(shè)計(jì)方法。


0引言

在控制系統(tǒng)中經(jīng)常需要產(chǎn)生和控制一些模擬信號(hào)，而常用的微處理器外部總線接口為數(shù)字信號(hào)，無(wú)法直接產(chǎn)生需要的模擬信號(hào)，這就用到了D/A轉(zhuǎn)換器。可以通過(guò)USB接口來(lái)控制D/A轉(zhuǎn)換器，使其輸出要求的模擬量電壓或模擬量電流。

USB接口作為微處理器常用的外部總線接口，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，采用USB接口減少了開(kāi)發(fā)的時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)以及費(fèi)用，從而用最快捷的方法實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

本文以USB接口芯片PDIUSBD12和電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片AD558為例，詳細(xì)闡述了基于USB接口的DAC系統(tǒng)電路及程序設(shè)計(jì)方法。

1 USB接口芯片

PDIUSBD12簡(jiǎn)介本系統(tǒng)選用的USB接口芯片是Philips公司生產(chǎn)的USB1.1接口芯片PDIUSBD12，它是一款性?xún)r(jià)比很高的USB器件，通常用作微控制器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口。它還支持本地的DMA傳輸。PDIUSBD12芯片的主要特性如下：。符合USB1.1規(guī)范；。集成了SIE、FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器以及電壓調(diào)整器；。完全自治的直接內(nèi)存存?。―MA）操作；。集成320字節(jié)多結(jié)構(gòu)FIFO存儲(chǔ)器；。在批量模式和同步模式下均可實(shí)現(xiàn)1MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率；。具有良好EMI特性的總線供電能力；。可通過(guò)軟件控制與USB的連接；。具有可編程的時(shí)鐘頻率輸出；。符合ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求；。高于8kV的在片靜電防護(hù)電路；。雙電源操作：3.3±0.3V或擴(kuò)展的5V電源，范圍為3.6～5.5V；所有這些特性都為系統(tǒng)顯著節(jié)約了成本，同時(shí)使USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用變得容易。低功耗使它可以應(yīng)用于通過(guò)總線供電的外設(shè)。

2 D/A轉(zhuǎn)換芯片

AD558簡(jiǎn)介本系統(tǒng)選用的DAC芯片是ADI公司推出的8位電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器AD558.電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器主要特點(diǎn)是沒(méi)有放大部分的延遲，可以做到很高的速度，但負(fù)載能力有限，一般用于高阻抗負(fù)載的場(chǎng)合。

D/A轉(zhuǎn)換所采用的基本方法是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)據(jù)。其每一位產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電壓或者電流，而這個(gè)電壓或者電流的大小正比于相應(yīng)的二進(jìn)制位的權(quán)。最后將這些電壓或者電流相加并輸出。一個(gè)完整的D/A轉(zhuǎn)換器主要包括3部分，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、數(shù)字量控制的電子開(kāi)關(guān)組合和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器的原理如圖1所示。

一般來(lái)說(shuō)，并行D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換速度要比串行D/A轉(zhuǎn)換器要高。并行D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快的原因是在數(shù)字量的輸入端，各個(gè)數(shù)字位是同時(shí)輸入到轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的端口的。整個(gè)器件的轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于電源電壓的建立時(shí)間和各個(gè)權(quán)位的求和時(shí)間。而這些時(shí)間一般都很短，一般可以達(dá)到納秒或微秒量級(jí)。因此，對(duì)于速度要求比較高的場(chǎng)合，應(yīng)該優(yōu)先選用并行D/A轉(zhuǎn)換器。

在AD558型D/A轉(zhuǎn)換器中，電子開(kāi)關(guān)組和輸入二進(jìn)制數(shù)D0～D7相對(duì)應(yīng)。當(dāng)某個(gè)二進(jìn)制位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)閉合，基準(zhǔn)電壓Vref連接加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，使該支路電阻上有電流通過(guò)；當(dāng)某個(gè)二進(jìn)制位為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，該支路電阻上便無(wú)電流通過(guò)。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各個(gè)分支的電阻值與輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)D0～D7的權(quán)成反比關(guān)系。權(quán)大的電阻值小，權(quán)小的電阻值大。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)各個(gè)權(quán)位的情況以及輸入的二進(jìn)制數(shù)，通過(guò)求和及電流電壓轉(zhuǎn)換電路，得到總和的模擬電壓值并輸出。

在D/A轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字量的位數(shù)也反映了D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率，即輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)字的變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬量輸出值的改變。對(duì)于8位電壓型D/A轉(zhuǎn)換器，輸入數(shù)字量發(fā)生單位變化時(shí)，模擬量輸出的改變?yōu)閂/255，其中V電壓輸出的滿量程。

AD558的主要性能指標(biāo)如下：。8位并行接口；。電壓的輸出范圍0～+10V；。相對(duì)精度±（1/2）最低有效位；。輸出轉(zhuǎn)換建立時(shí)間1us；。使用單一電源供電，電源電壓范圍+4.5～+16.5V；。內(nèi)部具有基準(zhǔn)電壓源，無(wú)須外接基準(zhǔn)源；。內(nèi)部集成有數(shù)據(jù)鎖存器；。75mW低功耗。

3電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用USB控制芯片PDIUSBD12和D/A轉(zhuǎn)換器AD558來(lái)實(shí)現(xiàn)DAC控制。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)USB接口控制AD558輸出所需的各種模擬信號(hào)。由于計(jì)算機(jī)的USB接口具有向外供電的功能，因此這里采用USB接口的電源為PDIUSBD12芯片供電。USB接口部分的電路原理圖如圖2所示。

AD558的數(shù)據(jù)總線連接到PDIUSBD12.AD558工作于0～+10V模擬電壓輸出模式。電容C9和C10用于改善輸出波形。AD558采用單一的12V供電，不需要外接基準(zhǔn)電壓源。數(shù)模轉(zhuǎn)換部分的電路原理圖如圖3所示。

在制作PCB的時(shí)候，應(yīng)遵守高速USB印刷電路板的要求。為了達(dá)到較高的信號(hào)質(zhì)量，需要采用4層板甚至6層板來(lái)布線。將USB芯片放置在信號(hào)層，并盡可能離GND層近些。

USB接口中的D+和D-用于高速的USB數(shù)據(jù)傳輸，因此這兩根信號(hào)線直接影響USB接口電路的穩(wěn)定性，在印制電路板布線的時(shí)候需要仔細(xì)布置。D+和D-的走線應(yīng)盡可能短且相等，并且合理設(shè)置D+和D-的導(dǎo)線寬度和間距。D+和D-之間的差分阻抗應(yīng)該為90W±10％。保證在D+和D-信號(hào)的下面是完整的GND層。中間斷開(kāi)的GND層將導(dǎo)致差分阻抗不匹配，并增加信號(hào)的干擾。

4程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的程序在VisualC++6.0編譯環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為設(shè)備初始化、USB設(shè)備檢測(cè)、輸出電壓三個(gè)部分，程序代碼分別介紹如下。

4.1設(shè)備初始化

需要先初始化USB設(shè)備變量、控制端點(diǎn)變量和線程變量。主要是在OnInitDialog（）函數(shù)中進(jìn)行。

4.3輸出電壓

用于從文本框中讀取輸入的電壓值，然后轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，接著轉(zhuǎn)換成最接近的并行數(shù)據(jù)，最后通過(guò)自定義請(qǐng)求輸出給USB設(shè)備。

5小結(jié)

本文通過(guò)一個(gè)完整的實(shí)例，講解了如何使用USB接口芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓。D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成為模擬信號(hào)，可以利用成熟的數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制，應(yīng)用非常廣泛。熟練掌握這種方法以后對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作十分有用。