- 探討高分辨率傳感器USB接口設(shè)計(jì)
- 采用差分模式或單端模式
- 采用直接連接的橋式傳感器
本設(shè)計(jì)中的電路包括一個(gè)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(gè)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(jì)的兩個(gè)模擬輸入通道上，在一個(gè)USB主機(jī)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(jì)算機(jī)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(fèi)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(jì)采用了價(jià)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(gè)輸入多工器，可采用差分模式或單端模式。它還有兩個(gè)DAC輸出，可以提供五個(gè)未指定的數(shù)字I/O腳（圖1）。一個(gè)輸出引腳驅(qū)動(dòng)受程序控制的D1.其它數(shù)字引腳則用于配置兩個(gè)模擬輸入口。另外，微控制器的基準(zhǔn)輸出還可以送給某一個(gè)模擬輸入端口。其余四個(gè)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(jì)算機(jī)通信。運(yùn)放IC4用作微控制器基準(zhǔn)輸出的緩沖（圖3）。
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運(yùn)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(gè)可配置模擬端口上，每只連接器都有一個(gè)接地端（圖4）。一個(gè)接地端提供3.3V電源，其它則輸出經(jīng)緩沖的基準(zhǔn)電壓，其額定值為2.5V.兩個(gè)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(gè)單端電壓，也可以將兩只連接器用做差分輸入。兩個(gè)輸入端均有獨(dú)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(gè)分壓器；片上的ADC可以直接對這個(gè)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(dòng)電壓相同的電壓基準(zhǔn)。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(gè)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(gè)通道上的上拉電阻和下拉電阻，就可以實(shí)現(xiàn)所需的偏置點(diǎn)。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。
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連接示意圖
當(dāng)使用直接連接的傳感器時(shí)， 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(zhǔn)。有了電壓基準(zhǔn)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?yàn)閭鞲衅魈峁┮粋€(gè)任意電壓。注意，J1也有五個(gè)數(shù)字I/O腳（圖1）。
電路板
本設(shè)計(jì)裝在一個(gè)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(gè)設(shè)計(jì)，以及CAD/CAM文件、物料清單和軟件。
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