高分辨率傳感器USB接口設(shè)計方案

　　本設(shè)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(fā)射器），還有一個新穎的自適應(yīng)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(shè)計的兩個模擬輸入通道上，在一個USB主機上控制這些設(shè)備，讀出測量數(shù)據(jù)。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(shè)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(fā)環(huán)境）、調(diào)試器以及C編譯器。

　　本設(shè)計采用了價格為8 美元的8051 架構(gòu)微控制器， 還有一只PGA（可編程增益放大器），以及一只24位Σ-Δ 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(shù)字I/O腳（圖1）。一個輸出引腳驅(qū)動受程序控制的D1.其它數(shù)字引腳則用于配置兩個模擬輸入口。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(shù)字引腳與USB的UART芯片相連接。

　　示意圖

　　3.3V的線性穩(wěn)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(tǒng)的計算機通信。運放IC4用作微控制器基準輸出的緩沖（圖3）。

　　運放IC示意圖

　　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(jīng)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(gòu)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(gòu)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(shù)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(qū)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(chǎn)生一個電壓。

　　接地端示意圖

　　高分辨率ADC與PGA可以直接連接熱電偶（圖6）。通過切換一個通道上的上拉電阻和下拉電阻，就可以實現(xiàn)所需的偏置點。關(guān)掉所有內(nèi)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(yīng)使ADC工作在差分模式。讓所有開關(guān)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(yīng)磁場傳感器。

　　連接示意圖

　　當使用直接連接的傳感器時， 應(yīng)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(jié)構(gòu)成為可能。另外可以使用連接器J 1中的DAC輸出來調(diào)整值， 或為傳感器提供一個任意電壓。注意，J1也有五個數(shù)字I/O腳（圖1）。

　　電路板

　　本設(shè)計裝在一個2.36英寸×1.38英寸的外殼中（圖7），PCB下方有幾只無源元件（圖8）。提供了詳情，能下載到整個設(shè)計，以及CAD/CAM文件、物料清單和軟件。