基于USB的高精度多通道數據采集卡設計

摘要：詳細敘述了用USB控制器CY7C68013與A／D轉換器ADS8364，構成高精度多路同步數據采集卡的過程，并給出了相應的前端電路和FPGA的控制流程。數據采集卡通過USB協議進行數據傳輸，增加了數據傳輸的有效性和采集卡的通用性。ADS8364可以進行6通道高精度的數據采集，符合大部分的數據采集要求。通過運用FPGA對數據采樣，傳輸等進行控制，并在傳輸過程中進行一些基本的數據處理。
關鍵詞：數據采集；USB；A／D；FPGA

在電子測量中，不僅需要對多路信號進行高精度的采集和預處理，而且要將其快速地傳送到計算機，以便于對測量的監測。文中選用ADS8364來進行多通道信號采集，通過CY7C68013芯片采用USB2．O協議進行數據的快速傳輸。

1 多通道，高精度的A／D轉換
ADS8364是美國TI公司生產的高速、低功耗，6通道同步采樣16位模數轉換器。ADS8364采用+5 V工作電壓，并帶有80 dB共模抑制的全差分輸入通道以及6個4μs連續近似的模數轉換器、6個差分采樣放大器。
當ADS8364采用5 MHz的外部時鐘來控制轉換時，它的取樣率是250 kHz，同時對應于4μs的最大吞吐率，這樣，采樣和轉換共需花費20個時鐘周期。另外，當外部時鐘采用5 MHz時，ADS8364的轉換時間是3．2μs，對應的采集時間是0．8μs。因此，為了得到最大的輸出數據率，讀取數據可以在下一個轉換期間進行。
ADS8364中的采樣／保持模塊以最大吞吐率250 kB工作，它的輸入帶寬大于ADC的奈奎斯特頻率。而典型的小信號帶寬是300 MHz。孔徑延遲時間為5 ns，每次的平均增量為5 ops。這些特性反映了ADS8364接收輸人信號的能力。
1．1 A／D前端信號調理電路
鑒于多通道信號采集的時序的重要性，這里選用差分放大電路對信號進行調理。
采用TI公司的運算放大器OPA2227組成一個電壓放大器，將輸入電壓轉換到ADS8364的差分輸入電壓范圍。根據需要，可以通過調整放大電路中電阻的大小，改變輸入電壓的范圍，其對應的參數表如表1所示。

ADS8364在參考電壓為2．5 V的情況下，其測量范圍為±1．25 V。而實際中的測試信號一般為±2．5 V，±5 V或±lO V，所以，在ADS8364的前端，要經過線性衰減、限幅和濾波。其調理電路原理圖，如圖1所示。

1．2 A／D電源電路
數據采集電路需要完成高精度的數據采集，因此電源部分的設計是相對比較重要的。