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[进行中] 高分辨率传感器 USB 接口电路图原理

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[LV.4]酱油常客

发表于 2017-9-29 09:33:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
   本设计的高分辨率传感器USB 接口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。
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发表于 2017-11-7 09:08:11 | 显示全部楼层
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