USB接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計解析

　　摘 要：在控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到一些模擬信號，通常使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出所需的模擬信號。計算機控制數(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，詳細說明了基于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，而常用的微處理器外部總線接口為數(shù)字信號，無法直接產(chǎn)生需要的模擬信號，這就用到了D/A轉(zhuǎn)換器?？梢酝ㄟ^USB接口來控制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接口減少了開發(fā)的時間、風險以及費用，從而用最快捷的方法實現(xiàn)最經(jīng)濟的解決方案。

　　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，詳細闡述了基于USB接口的DAC系統(tǒng)電路及程序設(shè)計方法。

　　1 USB接口芯片PDIUSBD12簡介

　　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，它是一款性價比很高的USB器件，通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進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存儲器；

　　·在批量模式和同步模式下均可實現(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；

　　·可通過軟件控制與USB的連接；

　　·具有可編程的時鐘頻率輸出；

　　·符合ACPI、OnNOW和USB電源管理的要求；

　　·高于8kV的在片靜電防護電路；

　　·雙電源操作：3.3±0.3V或擴展的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)用于通過總線供電的外設(shè)。

　　2 D/A轉(zhuǎn)換芯片AD558簡介

　　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)換器主要特點是沒有放大部分的延遲，可以做到很高的速度，但負載能力有限，一般用于高阻抗負載的場合。

　　D/A轉(zhuǎn)換所采用的基本方法是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)據(jù)。其每一位產(chǎn)生一個相應(yīng)的電壓或者電流，而這個電壓或者電流的大小正比于相應(yīng)的二進制位的權(quán)。最后將這些電壓或者電流相加并輸出。

　　一個完整的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)字量控制的電子開關(guān)組合和由運算放大器構(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。

　　一般來說，并行D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字-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，各個數(shù)字位是同時輸入到轉(zhuǎn)換器相應(yīng)的端口的。整個器件的轉(zhuǎn)換時間取決于電源電壓的建立時間和各個權(quán)位的求和時間。而這些時間一般都很短，一般可以達到納秒或微秒量級。因此，對于速度要求比較高的場合，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，電子開關(guān)組和輸入二進制數(shù)D0~D7相對應(yīng)。當某個二進制位為1 時，對應(yīng)的電子開關(guān)閉合，基準電壓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；當某個二進制位為0時，對應(yīng)的電子開關(guān)斷開，該支路電阻上便無電流通過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各個分支的電阻值與輸入的二進制數(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)各個權(quán)位的情況以及輸入的二進制數(shù)，通過求和及電流電壓轉(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，對應(yīng)的模擬量輸出值的改變。對于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，模擬量輸出的改變?yōu)閂/255，其中V為電壓輸出的滿量程。

　　AD558的主要性能指標如下：

　　·8位并行接口；

　　·電壓的輸出范圍0~+10V;

　　·相對精度±（1/2）最低有效位；

　　·輸出轉(zhuǎn)換建立時間1 s;

　　·使用單一電源供電，電源電壓范圍+4.5~+16.5V;

　　·內(nèi)部具有基準電壓源，無須外接基準源；

　　·內(nèi)部集成有數(shù)據(jù)鎖存器；

　　·75mW低功耗。

　　3 電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用USB控制芯片PDIUSBD12和D/A轉(zhuǎn)換器AD558來實現(xiàn)DAC控制。計算機可以通過USB接口控制AD558輸出所需的各種模擬信號。由于計算機的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的時候，應(yīng)遵守高速USB印刷電路板的要求。為了達到較高的信號質(zhì)量，需要采用4層板甚至6層板來布線。將USB芯片放置在信號層，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候需要仔細布置。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-信號的下面是完整的GND層。中間斷開的GND層將導(dǎo)致差分阻抗不匹配，并增加信號的干擾。