На рисунке 3 изображена функциональная схема АЦП с интерфейсом USB.
Узел сдвига уровня – предназначен для превращения биполярных (-1,25...+1,25 В) сигналов в однополярные (0…+2,5 В), которые способен обрабатывать АЦП.
АЦП – предназначен для преобразования входного аналогового сигнала в его цифровой эквивалент.
Узел USB – предназначен для комплектации цифрового кода в пакет для последующей передачи его в персональный компьютер.
USB разъём - предназначен для подключения приставки к ПК.
Преобразователь напряжения – предназначен для преобразования напряжения +5В в -5В необходимого для питания операционного усилителя.
Фильтры ИП – предназначен для сглаживания пульсаций входного напряжения.
4 Электрическая схема АЦП с интерфейсом USB
4.1 Выбор микросхем для реализации USB
Микросхема FT232BM (рисунок 4) — однокристальный асинхронный двунаправленный преобразователь USB — последовательный интерфейс (RS232, RS422, RS485). FT232BM включает в себя USB приемопередатчик, UART контроллер и буферы, стабилизатор напряжения, умножитель частоты и другие функциональные узлы, которые делают ее готовым решением для быстрой и недорогой модернизации системы с COM портом для работы с USB интерфейсом [5].
Рисунок 4 - Микросхема FT232BM
FT232BM совместим со спецификациями USB 1.1 и USB 2.0 при скорости передачи до 12 Мбит в секунду (Full Speed) и поддерживает интерфейсы хост-контроллеров UHCI (Universal Host Controller Interface) Intel и OHCI (Open Host Controller Interface) Microsoft, Compaq и новым EHCI (Enhanced Host Controller Interface) Intel. Поддерживается передача данных обычных и управляющих пакетов, передача прерываний и изохронных данных — пакетов передающихся на определенной скорости и не повторяющихся в случае сбоя, например аудио или видео данных.
Буфер передатчика USB составляет 128 байт, приемника — 384 байта с возможностью программирования таймаута по приему данных с периодом от 1 до 255 мс, что позволяет гибко настраивать быстродействие устройства при передаче коротких пакетов данных.
Встроенный стабилизатор напряжения подключается непосредственно к USB и обеспечивает питание 3,3В для USB — приемопередатчика и других узлов микросхемы. Кроме этого, стабилизатор имеет выход внешний нагрузки, для питания других компонентов на плате, требующих напряжение 3,3В и небольшой ток потребления (до 5 мА). Токи потребления FT232BM соответствуют требованиям спецификации USB устройств, питание которых осуществляется непосредственно от USB. Собственный ток потребления FT232BM в активном режиме работы не превышает 25 мА, а согласно спецификации USB — не более 100 мА. В режиме Suspend (приостановка) FT232BM потребляет не более 200 мкА (500 мкА по спецификации).
Компоненты с током потребления более 100 мА должны подключаться через отдельный стабилизатор. Для управления питанием других компонентов схемы в FT232BM предусмотрен вывод "PWREN". "PWREN" подключается в затвор MOSFET ключа и с его помощью подключает и отключает питание компонентов схемы.
Встроенная схема формирования сигнала сброс генерирует импульс длительностью около 5 мс при превышении напряжением питания уровня 3,5 В. Сигнал сброса используется для внутренних цепей FT232BM и имеет дополнительно: вход "RESET" для принудительного сброса микросхемы преобразователя от внешнего устройства и выход "RSTOUT" для сброса других микросхем на плате.
Во время действия сигнала сброс выход "RSTOUT" находится в высокоимпедансном (Z) состоянии, а после окончания сброса на выводе "RSTOUT" устанавливается напряжение 3,3 В. Это позволяет использовать "RSTOUT" для подключения подтягивающего (pull-up) резистора на линию DP USB шины при необходимости применения задержанной энумерации (задержки при подключении и идентификации устройства).
Кроме этого вход "RESET" может быть подключен к USB линии питания через резистивный делитель. В этом случае, при пропадании питания USB хоста или хаба на входе "RESET" будет низкий уровень, FT232BM перейдет в состояние сброса и выводы UART интерфейса перейдут в высокоимпедансное состояние.
FT232BM имеет встроенный интерфейс для подключения EEPROM памяти. Поддерживается 16-битная EEPROM c протоколом Microwire (например 93C46) и быстродействием не менее 1 Мбит/с. Применение EEPROM необходимо для идентификации и спецификации каждого устройства при подключении к хосту нескольких устройств на базе FT232BM.
FT232BM может использоваться без EEPROM в том случае, если к хосту подключено только одно устройство. В этом случае (а также если EEPROM будет незапрограммирована) будут использоваться заданные по умолчанию идентификационные номера VID и PID USB, а серийный номер устройства будет отсутствовать.
При подключении к хосту нескольких устройств на базе FT232BM каждому из них назначается свой виртуальный COM-порт, а серийные номера, VID и PID USB, строки с кратким описанием устройства должны быть предварительно запрограммированы в EEPROM. Программирование памяти осуществляется непосредственно в схеме по USB-интерфейсу с помощью специальной утилиты, которую можно переписать с сайта производителя.
FT232BM имеет встроенный умножитель частоты на базе ФАПЧ, который преобразовывает 6 МГц кварцевого генератора в 12 МГц опорный сигнал для USB-контроллера и 48 МГц для цепи ФАПЧ USB приемопередатчика (USB DPLL) и тактового генератора UART. Генератор UART также имеет встроенный 14-битный делитель, позволяющий перестраивать частоту UART от 183 бод до 3 Мбод. Максимальная скорость при работе с RS-232 составляет 1 Мбит, а с RS-422/485 — 3 Мбит.
FT232BM имеет поддержку полного набора квитирования модемного интерфейса и поддерживает различные режимы приемо-передачи по UART: асинхронный 7/8 битный, с 1 или 2 стоп-битами, с четностью/нечетностью, маркером, с паритетом или без паритета. Поддерживаются сигналы готовности к передаче/приему RTS/CTS, DSR/DTR и управляющие символы, сообщающие о начале (X-ON) или окончании (X-OFF) передачи.
4.2 Выбор микросхем для реализации АЦП
AD7495AR (рисунок 5) от 1 до 12 бит, высокая скорость, низкое энергопотребление, упорядоченная аппроксимация ADCs, которая работает от одного (2,7В до 5,25В ) блока питания с показателями производительности вплоть до 1 MSPS. Они содержат низкий шум, большую ширину дорожки полосы частот и усилителя, которые могут прооперировать входные частоты выше одного МГц [6].
Рисунок 5 - АЦП микросхема AD7495AR
Конверсионный процесс данных управляется используя CS вход в реальном времени, позволяя устройству связываться с микропроцессором. Конверсионное время определено частотой SCLK.
Использование AD7495AR предоставило проектные методы достижения очень низкого силового рассеивания при высоких показателях производительности.
4.3 Реализация входа АЦП на базе операционного усилителя
OP747AR (рисунок 6) единственный прецизионный биполярный усилитель. Устанавливает стабильные емкостные нагрузки 500pF. Биполярный п-н-п вход связан с высокочастотным CMOS выходом. Это позволяет представлять входной диапазон напряжения усилителя, включая отрицательное напряжение, в пределах 1 мВ выходных шин. К тому же входной диапазон расширяется в пределы 1 В положительных шин. Входная структура п-н-п обеспечивает высокое напряжение пробоя, высокий прирост, и большое значение входного смещения. Входная структура п-н-п также существенно уменьшает шум [7].
Рисунок 6 - Операционный усилитель OP747AR
Характеристики OP747AR:
-низкое напряжение смещения – 100 В максимально;
-низкий входной ток смещения – 10 нА максимально;
-одинарная задача, напряжение – 2,7В до 30В;
-двойная задача, напряжение – 1,35В до 15В;
-низкий ток – 300мА/А максимально;
-большая стабильность.
5 Описание и принцип работы USB-приставки
5.1 Технические характеристики
Разрядность АЦП - 12 двоичных разрядов
Минимальный период повторения отсчетов - 300мкс.
Интервал входных сигналов(без делителя) - от (-1,25 до +1,25) В.
Входное сопротивление - 1 МОм.
Входная емкость - 30пФ.
5.2 Описание работы устройства ввода аналоговой информации
В большинстве случаев информация о протекании того или иного физического процесса фиксируется датчиками в виде непрерывного изменяющихся величин. Чтобы ввести информацию в ЭВМ, необходимо произвести ее преобразование в цифровой код. Такое преобразование осуществляется с помощью преобразователей типа «аналог – код». Процесс преобразования непрерывной информации в цифровой код можно разбить на два этапа: квантование, кодирование [4].
Квантование – разбиение непрерывно изменяющейся величины на определенное конечное число дискретных элементов или состояний (квантовых уровней), уровней потенциала, последовательности импульсов и др. Количество уровней квантования определяется, с одной стороны, требуемой точностью представления измеряемого параметра, с другой – разрешающей способностью чувствительного элемента, т.е. датчика. На точность представления непрерывной величины дискретными значениями влияет частота квантования.
Кодирование – преобразование соответствующих квантовых уровней параметра Х в форму, удобную для ввода в машину.
В зависимости от принципа кодирования аналого-цифровые преобразователи разделяются на три группы:
а) преобразователи последовательного счета – преобразователи с кодированием по принципу счета квантовых уровней, каждому из которых соответствует электрически импульс, эквивалентный единице младшего разряда цифрового кода;
б) преобразователи считывания – преобразователи с кодированием по принципу прямого счета, при котором каждый квантовый уровень кодируется независимо от других в полнее определенной комбинацией двоичных знаков, эквивалентной аналоговой величине;
