高分辨率传感器USB接口的设计方案 - 全文

　　本设计中的电路包括一个混合信号微控制器、一只USBUART（通用异步接收器/发射器），还有一个新颖的自适应模拟传感器输入电路。此电路可以将多种类型的传感器接到设计的两个模拟输入通道上，在一个USB主机上控制这些设备，读出测量数据。USB连接为电路提供电源。在计算机上就能用简单指令控制设备；甚至用终端软件也可以做测量工作。8051核有免费的工具， 便于做编程工作， 如IDE（集成开发环境）、调试器以及C编译器。

　　本设计采用了价格为8 美元的8051 架构微控制器， 还有一只PGA（可编程增益放大器），以及一只24位Σ-Δ ADC（图1、2和3）。微控制器IC1有一个输入多工器，可采用差分模式或单端模式。它还有两个DAC输出，可以提供五个未指定的数字I/O脚（图1）。一个输出引脚驱动受程序控制的D1.其它数字引脚则用于配置两个模拟输入口。另外，微控制器的基准输出还可以送给某一个模拟输入端口。其余四个数字引脚与USB的UART芯片相连接。

　　

　　示意图

　　3.3V的线性稳压器IC2为微控制器供电（图2）。从USB端口通过磁珠与滤波器，就可以直接为USB芯片IC1供电。这款芯片是常见而可靠的USBUART芯片，可与使用任何操作系统的计算机通信。运放IC4用作微控制器基准输出的缓冲（图3）。

　　

　　

　　运放IC示意图

　　使用两只三输入连接器，就可以将很多类型传感器连接到两个可配置模拟端口上，每只连接器都有一个接地端（图4）。一个接地端提供3.3V电源，其它则输出经缓冲的基准电压，其额定值为2.5V.两个连接器的中间引脚接到微控制器的模拟输入多工器上。这样，既可以测量两个单端电压，也可以将两只连接器用做差分输入。两个输入端均有独立切换的上拉与下拉电阻R10、R11、R14与R15.

　　

　　模拟输入架构能够直接连接多种类型的传感器。例如，可以在接地端与输入端之间连接热敏电阻或光敏电阻，并接通上拉电阻，构成一个分压器；片上的ADC可以直接对这个分压器的输出做数字化（图5）。这种方案还采用了比率工作方式，意味着ADC使用与分压器驱动电压相同的电压基准。电流输出传感器也可以像光电二极管那样连接，即直接连到接地端与输入端之间。切换到下拉电阻，使光电流能产生一个电压。

　　

　　接地端示意图

　　高分辨率ADC与PGA可以直接连接热电偶（图6）。通过切换一个通道上的上拉电阻和下拉电阻，就可以实现所需的偏置点。关掉所有内置电阻，就可以采用直接连接的桥式传感器（如测压元件和压力传感器）。这些情况下，应使ADC工作在差分模式。让所有开关开路亦适合于采用电位器输入或IC 传感器的场合，如SS49E霍尔效应磁场传感器。

　　

　　连接示意图

　　当使用直接连接的传感器时， 应考虑源阻抗、信号范围、滤波，以及噪声拾取问题。你可能需要增加额外的缓冲放大器，或更精密的电压基准。有了电压基准和模拟端口的3.3V电源，就可以使这种结构成为可能。另外可以使用连接器J 1中的DAC输出来调整值， 或为传感器提供一个任意电压。注意，J1也有五个数字I/O脚（图1）。

　　电路板

　　本设计装在一个2.36英寸×1.38英寸的外壳中（图7），PCB下方有几只无源元件（图8）。提供了详情，能下载到整个设计，以及CAD/CAM文件、物料清单和软件。