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一个高分辨率的USB接口设计制作

来源:  作者:湖北 朱少华

  本设计中的电路包括一个混合信号微控制器、一只USBUART(通用异步接收器/发射器),还有一个新颖的自适应模拟传感器输入电路。此电路可以将多种类型的传感器接到设计的两个模拟输入通道上,在一个USB主机上控制这些设备,读出测量数据。USB连接为电路提供电源。在计算机上就能用简单指令控制设备:甚至用终端软件也可以做测量工作。8051核有免费的工具,便于做编程工作,如IDE(集成开发环境)、调试器以及C编译器。
  
  本设计采用了8051架构微控制器,还有一只PGA(可编程增益放大器),以及一只24位∑-△ADC(图1、2和3)。微控制器IC1有一个输入多工器,可采用差分模式或单端模式。它还有两个DAC输出,可以提供五个未指定的数字I/O脚(图1)。一个输出引脚驱动受程序控制的D1。其它数字引脚则用于配置两个模拟输入口。

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  另外,微控制器的基准输出还可以送给某一个模拟输入端口。其余四个数字引脚与USB的UART芯片相连接。
  
  3.3V的线性稳压器IC2为微控制器供电(图2)。从USB端口通过磁珠与滤波器,就可以直接为USB芯片IC1供电。这款芯片是常见而可靠的USBUART芯片,可与使用任何操作系统的计算机通信。
  
  运放IC4用作徽控制器基准输出的缓冲(图3)。

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  使用两只三输入连接器,就可以将很多类型传感器连接到两个可配置模拟端口上,每只连接器都有一个接地端(图4)。一个接地端提供3.3V电源,其它则输出经缓冲的基准电压,其额定值为2.5V。
  
  两个连接器的中间引脚接到微控制器的模拟输入多工器上。这样,既可以测量两个单端电压,也可以将两只连接器用做差分输入。两个输入端均有独立切换的上拉与下拉电阻R10、R11、R14与R15。
  
  模拟输入架构能够直接连接多种类型的传感器。例如,可以在接地端与输入端之间连接热敏电阻或光敏电阻,并接通上拉电阻,构成一个分压器;片上的ADC可以直接对这个分压器的输出做数字化(图5)。这种方案还采用了比率工作方式,意味着ADC使用与分压器驱动电压相同的电压基准。电流输出传感器也可以像光电二极管那样连接,即直接连到接地端与输入端之间。切换到下拉电阻,使光电流能产生一个电压。

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  高分辨率ADC与PGA可以直接连接热电偶。通过切换一个通道上的上拉电阻和下拉电阻,就可以实现所需的偏置点。关掉所有内置电阻,就可以采用直接连接的桥式传感器(如测压元件和压力传感器)。这些情况下,应使ADC工作在差分模式。让所有开关开路亦适合于采用电位器输入或IC传感器的场合,如SS49E霍尔效应磁场传感器。
  
  当使用直接连接的传感器时,应考虑源阻抗、信号范围、滤波,以及噪声拾取问题。你可能需要增加额外的缓冲放大器,或更精密的电压基准。有了电压基准和模拟端口的3.3V电源,就可以使这种结构成为可能。另外可以使用连接器Jl中的DAC输出来调整值,或为传感器提供一个任意电压。注意,Jl也有五个数字I/O脚(图1)。


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