基于USB接口的數模轉換系統設計

摘要：在控制系統中經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接口，USB接口是常用的外部總線接口，用來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
在控制系統中經常需要產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字信號，無法直接產生需要的模擬信號，這就用到了D／A轉換器。可以通過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，目前已經得到了廣泛的應用，采用USB接口減少了開發的時間、風險以及費用，從而用最快捷的方法實現最經濟的解決方案。
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簡介
本系統選用的USB接口芯片是Philips公司生產的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中實現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規范；
·集成了SIE、FIFO存儲器、收發器以及電壓調整器；
·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現1MB／s的數據傳輸速率；
·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顯著節約了成本，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字量轉化成二進制數據。其每一位產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、數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，各個數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。加權電阻解碼網絡各個分支的電阻值與輸入的二進制數據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轉換器根據各個權位的情況以及輸入的二進制數，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，即輸入數字量發生單位數字的變化時，對應的模擬量輸出值的改變。對于8位電壓型D／A轉換器，輸入數字量發生單位變化時，模擬量輸出的改變為V／255，其中V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來實現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的數據總線連接到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。數模轉換部分的電路原理圖如圖3所示。