基于USB接口的數模轉換系統設計

摘要：在控制系統中經(jīng)常用到一些模擬信號，通常使用數模轉換器輸出所需的模擬信號。計算機控制數模轉換器需要借助外部總線(xiàn)接口，USB接口是常用的外部總線(xiàn)接口，用來(lái)控制數模轉換器非常便捷。作者以典型的USB接口芯片和D／A轉換器芯片為例，詳細說(shuō)明了基于USB接口的數模轉換系統的電路及程序設計方法。
關(guān)鍵詞：USB接口；數模轉換；電路設計；程序設計

0 引言
在控制系統中經(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(xiàn)接口為數字信號，無(wú)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^(guò)USB接口來(lái)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(xiàn)接口，目前已經(jīng)得到了廣泛的應用，采用USB接口減少了開(kāi)發(fā)的時(shí)間、風(fēng)險以及費用，從而用最快捷的方法實(shí)現最經(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系統電路及程序設計方法。

1 USB接口芯片PDIUSBD12簡(jiǎn)介
本系統選用的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中實(shí)現與微控制器進(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規范；
·集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器；
·完全自治的直接內存存取(DMA)操作；
·集成320字節多結構FIFO存儲器；
·在批量模式和同步模式下均可實(shí)現1MB／s的數據傳輸速率；
·具有良好EMI特性的總線(xiàn)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顯著(zhù)節約了成本，同時(shí)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(guò)總線(xiàn)供電的外設。

2 D／A轉換芯片AD558簡(jiǎn)介
本系統選用的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(diǎn)是沒(méi)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(chǎng)合。
D／A轉換所采用的基本方法是將數字量轉化成二進(jìn)制數據。其每一位產(chǎn)生一個(gè)相應的電壓或者電流，而這個(gè)電壓或者電流的大小正比于相應的二進(jìn)制位的權。最后將這些電壓或者電流相加并輸出。一個(gè)完整的D／A轉換器主要包括3部分，即加權電阻解碼網(wǎng)、數字量控制的電子開(kāi)關(guān)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(lái)說(shuō)，并行D／A轉換器的數字一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字量的輸入端，各個(gè)數字位是同時(shí)輸入到轉換器相應的端口的。整個(gè)器件的轉換時(shí)間取決于電源電壓的建立時(shí)間和各個(gè)權位的求和時(shí)間。而這些時(shí)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(chǎng)合，應該優(yōu)先選用并行D／A轉換器。
在A(yíng)D558型D／A轉換器中，電子開(kāi)關(guān)組和輸入二進(jìn)制數D0～D7相對應。當某個(gè)二進(jìn)制位為1時(shí)，對應的電子開(kāi)關(guān)閉合，基準電壓Vref連接加權電阻解碼網(wǎng)絡(luò )，使該支路電阻上有電流通過(guò)；當某個(gè)二進(jìn)制位為0時(shí)，對應的電子開(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)制數據D0～D7的權成反比關(guān)系。權大的電阻值小，權小的電阻值大。D／A轉換器根據各個(gè)權位的情況以及輸入的二進(jìn)制數，通過(guò)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，數字量的位數也反映了D／A轉換器的分辨率，即輸入數字量發(fā)生單位數字的變化時(shí)，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(mǎn)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(shí)間1us；
·使用單一電源供電，電源電壓范圍+4．5～+16．5V；
·內部具有基準電壓源，無(wú)須外接基準源；
·內部集成有數據鎖存器；
·75mW低功耗。

3 電路設計
本系統采用USB控制芯片PDIUSBD12和D／A轉換器AD558來(lái)實(shí)現DAC控制。計算機可以通過(guò)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的數據總線(xiàn)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。數模轉換部分的電路原理圖如圖3所示。