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一個高分辨率的USB接口設計制作

[日期:2018-02-08] 來源:  作者:湖北 朱少華 [字體: ]

  本設計中的電路包括一個混合信號微控制器、一只USBUART(通用異步接收器/發射器),還有一個新穎的自適應模擬傳感器輸入電路。此電路可以將多種類型的傳感器接到設計的兩個模擬輸入通道上,在一個USB主機上控制這些設備,讀出測量數據。USB連接為電路提供電源。在計算機上就能用簡單指令控制設備:甚至用終端軟件也可以做測量工作。8051核有免費的工具,便于做編程工作,如IDE(集成開發環境)、調試器以及C編譯器。
  
  本設計采用了8051架構微控制器,還有一只PGA(可編程增益放大器),以及一只24位∑-△ADC(圖1、2和3)。微控制器IC1有一個輸入多工器,可采用差分模式或單端模式。它還有兩個DAC輸出,可以提供五個未指定的數字I/O腳(圖1)。一個輸出引腳驅動受程序控制的D1。其它數字引腳則用于配置兩個模擬輸入口。

 

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  另外,微控制器的基準輸出還可以送給某一個模擬輸入端口。其余四個數字引腳與USB的UART芯片相連接。
  
  3.3V的線性穩壓器IC2為微控制器供電(圖2)。從USB端口通過磁珠與濾波器,就可以直接為USB芯片IC1供電。這款芯片是常見而可靠的USBUART芯片,可與使用任何操作系統的計算機通信。
  
  運放IC4用作徽控制器基準輸出的緩沖(圖3)。

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  使用兩只三輸入連接器,就可以將很多類型傳感器連接到兩個可配置模擬端口上,每只連接器都有一個接地端(圖4)。一個接地端提供3.3V電源,其它則輸出經緩沖的基準電壓,其額定值為2.5V。
  
  兩個連接器的中間引腳接到微控制器的模擬輸入多工器上。這樣,既可以測量兩個單端電壓,也可以將兩只連接器用做差分輸入。兩個輸入端均有獨立切換的上拉與下拉電阻R10、R11、R14與R15。
  
  模擬輸入架構能夠直接連接多種類型的傳感器。例如,可以在接地端與輸入端之間連接熱敏電阻或光敏電阻,并接通上拉電阻,構成一個分壓器;片上的ADC可以直接對這個分壓器的輸出做數字化(圖5)。這種方案還采用了比率工作方式,意味著ADC使用與分壓器驅動電壓相同的電壓基準。電流輸出傳感器也可以像光電二極管那樣連接,即直接連到接地端與輸入端之間。切換到下拉電阻,使光電流能產生一個電壓。

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  高分辨率ADC與PGA可以直接連接熱電偶。通過切換一個通道上的上拉電阻和下拉電阻,就可以實現所需的偏置點。關掉所有內置電阻,就可以采用直接連接的橋式傳感器(如測壓元件和壓力傳感器)。這些情況下,應使ADC工作在差分模式。讓所有開關開路亦適合于采用電位器輸入或IC傳感器的場合,如SS49E霍爾效應磁場傳感器。
  
  當使用直接連接的傳感器時,應考慮源阻抗、信號范圍、濾波,以及噪聲拾取問題。你可能需要增加額外的緩沖放大器,或更精密的電壓基準。有了電壓基準和模擬端口的3.3V電源,就可以使這種結構成為可能。另外可以使用連接器Jl中的DAC輸出來調整值,或為傳感器提供一個任意電壓。注意,Jl也有五個數字I/O腳(圖1)。


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