摘  要： 在控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到一些模擬信號，通常使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出所需的模擬信號。USB接口是常用的微處理器外部總線接口，通過USB接口控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器非常便捷。以CY7C68013A和AD558為例，詳細說明了通過USB控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞： USB； 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器； 電路設(shè)計

    在控制系統(tǒng)中,經(jīng)常需要產(chǎn)生和控制一些模擬信號，例如精確可調(diào)的電壓或電流輸出、亮度調(diào)節(jié)和音量調(diào)節(jié)等。常用的微處理器外部總線接口為數(shù)字信號，無法直接產(chǎn)生需要的模擬信號,需要用到D/A轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換器提供了良好的數(shù)字接口,可以由微處理器來控制,以輸出要求的模擬量電壓或電流等。
    本文以USB接口芯片CY7C68013A和高速D/A轉(zhuǎn)換芯片AD558為例，詳細闡述了通過USB控制數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的電路設(shè)計。
1 USB接口芯片
　Cypress公司推出的EZ-USB FX2LP系列USB接口芯片是集成了USB2.0協(xié)議的微處理器，其中應(yīng)用最普遍的是低功耗芯片CY7C68013A，它具有高性能、低功耗的優(yōu)點。
　CY7C68013A芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括USB2.0收發(fā)器、串行引擎（SIE）、增強型8051內(nèi)核、16 KB RAM、4 KB FIFO存儲器、I/O接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口（GPIF）[1]。
　CY7C68013A擁有獨特的結(jié)構(gòu)，其SIE負責(zé)完成串行數(shù)據(jù)的解碼、差錯控制、位填充等與USB協(xié)議有關(guān)的功能。SIE能夠?qū)崿F(xiàn)大部分的功能，從而減輕了嵌入式增強型8051內(nèi)核的負擔(dān)，簡化了USB固件程序的開發(fā)。其CPU時鐘可以工作在12 MHz、24 MHz和48 MHz頻率上。
　需要強調(diào)的是，CY7C68013A芯片的固件程序存放在主機上，而不是在芯片內(nèi)部。因此在該芯片連接到主機時，首先將固件程序下載到片內(nèi)RAM，再開始執(zhí)行[2]。
2 D/A轉(zhuǎn)換原理
　D/A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個數(shù)字量信號按照一定的比例轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓或者電流模擬量。由于一個數(shù)字量是由數(shù)字代碼按位組合而成的，每一位數(shù)字代表一定的權(quán)，一個數(shù)字與對應(yīng)的權(quán)相結(jié)合，就代表了一個具體的數(shù)值。把所有的數(shù)值相加，便得到該數(shù)的數(shù)字量。D/A轉(zhuǎn)換器正是利用了這一點來實現(xiàn)的。
    D/A轉(zhuǎn)換所采用的基本方法是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)據(jù)。其每一位產(chǎn)生一個相應(yīng)的電壓或者電流模擬量，而這個電壓或者電流模擬量的大小正比于相應(yīng)的二進制位的權(quán)。最后將這些電壓或者電流模擬量數(shù)值相加并輸出。
　本文以ADI公司推出的8 bit電壓型D/A轉(zhuǎn)換器AD558為例來介紹D/A轉(zhuǎn)換器的原理。D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。一個完整的D/A轉(zhuǎn)換器主要包括3部分，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、數(shù)字量控制的電子開關(guān)組合和由運算放大器構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn)換器。

    在AD558型D/A轉(zhuǎn)換器中，電子開關(guān)組合與輸入二進制數(shù)D0～D7相對應(yīng)。當(dāng)某個二進制位為1時，對應(yīng)的電子開關(guān)閉合,基準電壓Vref連接加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，使該支路電阻上有電流通過；當(dāng)某個二進制位為0時，對應(yīng)的電子開關(guān)斷開，該支路電阻上便無電流通過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各個分支的電阻值與輸入的二進制數(shù)據(jù)D0～D7的權(quán)成反比關(guān)系，權(quán)大的電阻值小，權(quán)小的電阻值大。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)各個權(quán)位的情況以及輸入的二進制數(shù)，通過求和及電流電壓轉(zhuǎn)換電路，得到總和的模擬電壓值并輸出[3]。
3 AD558
　    8 bit電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器AD558的功能框圖如圖2所示，其主要性能指標如下：

　    (1)8 bit并行接口。
　    (2)電壓的輸出范圍0～10 V。
　    (3)相對精度為最低有效位的±1/2。
　    (4)輸出轉(zhuǎn)換建立時間1 ?滋s。
　    (5)使用單一電源供電,電源電壓范圍4.5 V～16.5 V。
　    (6)內(nèi)部具有基準電壓源，無須外接基準源。
　    (7)內(nèi)部集成數(shù)據(jù)鎖存器。
　    (8)75 mW低功耗。
    AD558提供了便于使用的控制接口，其各個引腳的功能如下：
　　

5 AD558的數(shù)據(jù)鎖存
    由于數(shù)字-模擬量的轉(zhuǎn)換需要一定的時間來完成，在這段轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，要求D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量輸入保持不變，以免導(dǎo)致輸出錯誤。因此，為了保證正確的輸出結(jié)果，AD558的數(shù)字量輸入端口前面設(shè)置有鎖存器，將數(shù)字量的輸入數(shù)據(jù)保護起來。
　    AD558的數(shù)據(jù)鎖存由片選信號CS和芯片使能信號CE來控制。其控制邏輯功能圖如圖4所示，控制邏輯真值表如表2所示。

    從圖4中可以看出，只有AD558的CS和CE全部為低電平時，其才可以接收數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。而當(dāng)CS和CE中有一個為高電平時，鎖存器工作，將輸入端的數(shù)據(jù)鎖存到內(nèi)部存儲器，此時輸出電壓不再隨數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)變化。因此，通過數(shù)據(jù)鎖存器和片選信號,可以方便地將多個AD558連接到公共的8 bit數(shù)據(jù)總線上。
    數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片AD558的使用十分簡單方便，覆蓋了常用的電壓輸出范圍，精度及可靠性很高，轉(zhuǎn)換速度也很快。而且AD558不需要外接復(fù)雜的基準電壓源，通過微處理器直接可以獲得所需的模擬輸出電壓，能夠適用于一般的控制系統(tǒng)的要求。使用AD558可以節(jié)約很多電路設(shè)計調(diào)試時間，降低電路的復(fù)雜性，從而加快設(shè)計周期并減輕設(shè)計工作量。
6 電路設(shè)計
    本系統(tǒng)采用USB控制芯片CY7C68013A和D/A轉(zhuǎn)換器AD558來實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換控制。計算機可以通過軟件控制AD558輸出鋸齒波、三角波等各種模擬信號。CY7C68013A外接可編程只讀存儲器EEPROM引導(dǎo)USB啟動，EEPROM芯片型號為AT24C08。電路原理圖如圖5和圖6所示。
　其中,圖5中CY7C68013A的SCL和SDA引腳都是漏極開路輸出和遲滯輸入的，因此必須外接2.2 kΩ的上拉電阻。另外，R5和C7構(gòu)成上電復(fù)位電路。時鐘振蕩電路由24 MHz晶振和兩個12 pF的電容構(gòu)成。 CY7C68013A的PB1～PB7連接AD558的數(shù)據(jù)總線。AD558采用單一的12 V供電，工作于0～10 V模擬電壓輸出模式[4]。
    由于計算機的USB接口具有向外供電的功能，故采用USB接口的電源給CY7C68013A芯片供電。但是CY7C68013A工作需要3.3 V電壓,而USB總線的電壓為5 V，因此不能直接使用，需要進行電壓轉(zhuǎn)換。如圖6所示。

    本系統(tǒng)采用LT1763CS8-3.3電壓調(diào)整芯片來實現(xiàn)將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V。從圖6中可以看出該芯片經(jīng)過簡單的電阻、電容連接，便可以實現(xiàn)電壓的調(diào)整，適合于USB總線供電的系統(tǒng)。
    本電路中所使用的元器件如表3所示。

    最后,在制作PCB印刷電路板時，應(yīng)遵守高速USB印刷電路板的要求。為了達到較高的信號質(zhì)量，需要采用4層板甚至6層板來布線。將USB芯片放置在信號層,并盡可能離GND層近些[5]。
    圖5中，D+和D-用于高速的USB數(shù)據(jù)傳輸，因此這兩根信號線直接影響USB接口電路的穩(wěn)定性，在印制電路板布線時需要仔細布置。D+和D-的走線應(yīng)盡可能短且相等，并且應(yīng)合理設(shè)置D+和D-的導(dǎo)線寬度和間距；D+和D-之間的差分阻抗應(yīng)該為90 W±10%,保證在D+和D-信號的下面是完整的GND層,中間斷開的GND層將導(dǎo)致差分阻抗不匹配，并增加信號的干擾。
參考文獻
[1] 薛園園,趙建領(lǐng).USB應(yīng)用開發(fā)寶典[M].北京:人民郵電出版社,2011.
[2] 胡曉軍,張愛成.USB接口開發(fā)技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.
[3] 黃爭.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用手冊[M]:基礎(chǔ)知識篇.北京:電子工業(yè)出版社,2010.
[4] 黃麗亞, 楊恒新. 數(shù)字電路與系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M]. 北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.
[5] 李桂宏,謝世健.集成電路設(shè)計寶典[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.