USB接口的數(shù)模轉換系統(tǒng)設計解析

　　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)模轉換器輸出所需的模擬信號。計算機控制數(shù)模轉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)模轉換器非常便捷。作者以典型的USB接口芯片和D/A轉換器芯片為例，詳細說明了基于USB接口的數(shù)模轉換系統(tǒng)的電路及程序設計方法。

　　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轉換器?？梢酝ㄟ^USB接口來控制D/A轉換器，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)存存取（DMA）操作；

　　·集成320字節(jié)多結構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功能在外設上的應用變得容易。低功耗使它可以應用于通過總線供電的外設。

　　2 D/A轉換芯片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轉換器AD558.電壓輸出型D/A轉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轉換所采用的基本方法是將數(shù)字量轉化成二進制數(shù)據(jù)。其每一位產(chǎn)生一個相應的電壓或者電流，而這個電壓或者電流的大小正比于相應的二進制位的權。最后將這些電壓或者電流相加并輸出。

　　一個完整的D/A轉換器主要包括3部分，即加權電阻解碼網(wǎng)、數(shù)字量控制的電子開關組合和由運算放大器構成的電流電壓轉換器。D/A轉換器的原理如圖1所示。

　　一般來說，并行D/A轉換器的數(shù)字-模擬轉換速度要比串行D/A轉換器要高。并行D/A轉換器轉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換器相應的端口的。整個器件的轉換時間取決于電源電壓的建立時間和各個權位的求和時間。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，應該優(yōu)先選用并行D/A轉換器。

　　在AD558型D/A轉換器中，電子開關組和輸入二進制數(shù)D0~D7相對應。當某個二進制位為1 時，對應的電子開關閉合，基準電壓Vref連接加權電阻解碼網(wǎng)絡，使該支路電阻上有電流通過；當某個二進制位為0時，對應的電子開關斷開，該支路電阻上便無電流通過。加權電阻解碼網(wǎng)絡各個分支的電阻值與輸入的二進制數(shù)據(jù)D0~D7的權成反比關系。權大的電阻值小，權小的電阻值大。D/A轉換器根據(jù)各個權位的情況以及輸入的二進制數(shù)，通過求和及電流電壓轉換電路，得到總和的模擬電壓值并輸出。

　　在D/A轉換器中，數(shù)字量的位數(shù)也反映了D/A轉換器的分辨率，即輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)字的變化時，對應的模擬量輸出值的改變。對于8位電壓型D/A轉換器，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 電路設計

　　本系統(tǒng)采用USB控制芯片PDIUSBD12和D/A轉換器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)模轉換部分的電路原理圖如圖3所示。

　　在制作PCB的時候，應遵守高速USB印刷電路板的要求。為了達到較高的信號質量，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-的走線應盡可能短且相等，并且合理設置D+和D-的導線寬度和間距。D+和D-之間的差分阻抗應該為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層將導致差分阻抗不匹配，并增加信號的干擾。