基于USB2.0的高速高精度數據采集系統模擬電路設計

杜改麗

（河南職工醫學院 河南 鄭州 451191）

在科學技術迅猛發展的今天，在對數據采集系統的性能日益提高的要求下，在一些高速、高精度的測量和應用中，需要進行高速高精度數據采集，并且要求數據采集系統能夠做到高速高精度、結構簡單、低成本、高可靠性。現在通用的高速數據采集卡一般多是 PCI卡、PXI卡、ISA卡等，存在著安裝麻煩、價格昂貴；受計算機插槽數量、地址、中斷資源限制，可擴展性差等缺點[1]。針對這些問題，文中對基于USB2.0高速高精度數據采集系統進行了深入的研究和設計，特別是著重設計了模擬前端電路。

1 USB數據采集系統設計思路

目前市場上幾乎所有的計算機都配有USB（Universal Serial Bus）接口，所以它是數據采集應用非常好的選擇。我們可以在臺式計算機上開發用于USB數據采集設備的測量程序，然后把程序安裝到筆記本電腦上，以便到各種工作現場執行測量任務[2]。USB不僅是一種非常流行的總線，它還十分易于使用。USB數據采集設備可以充分利用USB的即插即用功能，從而使其安裝變得極為簡單。

現有USB數據采集系統設計方案如圖1所示。

2 本系統設計

本系統設計分5部分：

1）模擬前端信號調理電路：包括器件的選型，通過信號繼電器完成三檔控制，信號的放大、衰減、濾波等。

圖1 USB數據采集系統設計方案Fig.1 USB data acquisition system design scheme

2）ADC采樣電路：ADC采樣器件的選型，外部接口電路的設計。

3）時鐘電路：為系統中各單元電路提供工作時鐘，特別是模數轉換（ADC）的工作時鐘。

4）高速接口電路：高速USB2.0接口電路，為系統提供與PC的高速通訊。

5）電源管理電路：為系統中各單元電路提供穩定的工作電源。

此論文重點闡述了硬件電路設計部分，如圖2所示（方框內）。

3 模擬前端放大器選型

一個系統設計得成功與否，除了有好的理論設計外，更加重要的是對器件的選型，不合理的選型會導致一系列的后續設計問題，有時甚至會使設計失敗，合理的選型不光可以避免設計問題，而且可以提高系統的性價比，延長產品的生命周期，獲得預想不到的經濟效果，同時選擇一個好的器件除了能夠幫助提高系統的高可靠性和高性能外，還必須在封裝尺寸、性價比等方面帶來好處。小封裝的器件能夠節約很多的PCB空間，而且相應的價格也不是很貴。

圖2 硬件電路設計部分（方框內）Fig.2 Hardware circuit design part Inside the box

在對模擬前端信號調理電路的調理中，包括放大、衰減、滿足ADC輸入動態范圍、電源供電等諸多因素的考慮[3]。所以把對信號調理中的運算放大器的選擇作了詳細的講解。

由于選擇了ADI公司的高速14bits的高速高精度的ADC，所以在選擇與之匹配的輸入驅動運算放大器方面就顯得很重要，那如何選擇一款好的驅動放大器呢？根據設計中提到的關鍵指標和ADI推薦的驅動放大器，選擇了ADI很優秀的一款差分放大器AD8138來完成ADC的輸入驅動[4]。

AD8138技術指標如下：

高性能高速320 MHz差分放大器，采用XFCB雙極工藝，容易用作單端到差分放大器轉換。

-3 dB帶寬320 MHz，可調整共模輸出電壓。

外部可調整增益和低的諧波失真，在5 MHz和800歐姆負載時，二次為-94 dBc，三次為-114 dBc。

差分輸出幫助平衡輸入到差分ADC，最大化提高ADC性能和不需要信號變壓器，能夠保留低頻和DC信息。

到0.01%建立時間為16 ns，轉換數率為1 150 V/μs，過驅動恢復時間為4 ns。

使用ADC輸入驅動，單端到差分轉換，IF和基帶增益區，差分緩沖器和線路驅動器。

在與ADC相連接的時候運放與AD之間的濾波主要為的是濾除噪聲，抗混疊，以及給ADC的轉換產生的瞬態能量提供緩沖，一般一階RC低通濾波即可，或者對于帶通濾波，可以根據自己的要求進行設計。設計示意圖如圖3所示。

完成了對驅動放大器的選擇，接下來是要選擇前端放大器了，這個放大器的作用是完成前端信號的放大和衰減，其對關鍵技術的選擇要求更加嚴格，經過使用ADI的運放選擇軟件的選擇和人為的技術參數，選擇了ADI具有代表性的AD811作為前端放大器[5]。其關鍵技術指標如下：

1）小信號帶寬：增益G=1時，-3 dB帶寬=140 MHz

圖3 設計示意圖Fig.3 The design sketch

增益G=2時，-3dB帶寬=120 MHz

增益G=10時，-3dB帶寬=100 MHz

2)轉換數率：2 500 V/μs

3)建立時間:0.1%2V階躍信號建立時間為：25 μs

10階躍信號建立時間為：50 ns

0.01 %10 V階躍信號建立時間為：65 ns

由于AD811是一款非常優秀的運算放大器，所以它特別適合做前端信號的放大和衰減等調理使用，通常的連接方式有同向和反向兩種，要注意的是對反饋電阻的選擇等。

4 模擬前端信號調理電路

模擬前端信號調理電路：電路中包括了防ESD模擬信號輸入，三檔自動增益可調，自動觸發方式，抗混疊濾波等[6]。

三檔：通過信號繼電器完成三檔控制 RG=RF/（GAIN-1）其中電壓反饋電阻選擇600歐姆。7~10 V檔：通過分壓電阻完成分壓，然后經過電壓射隨器到達差分放大器完成固定的5倍衰減。1~7 V檔 直接通過電壓射隨器到達差分放大器完成固定的5倍衰減。0.1~1 V檔 放大7倍后經差分放大器完成5倍衰減.

AD811：完成放大，以及射隨器功能。AD811工作在正負10 V電壓下，提供的最大輸出電壓為7 V（改型可選擇軌對軌運放，但是要注意技術參數）

AD8138：完成信號的差分輸出，可以提高抗干擾能力，并且完成抗混疊濾波。電路如圖4所示。

在前端電路設計中，為了不降低系統整體性能，達到高速高精度的設計目的，精心的選擇了器件。

其中，關于ADC9244與ADC采樣電路，AD9244公司推出的一款14高精度高速模數轉換器。它由+5 V模擬電壓供電，也可以在+3 V或+5 V的數字電壓下正常工作。AD9244提供有片內參考電壓，并集成了高性能的抽樣和保持放大器。正常工作情況下，其最高抽樣速率可以達到65MSPS。AD9244內部使用多級差分電路結構，并帶有自動糾錯的邏輯電路，可以在65MSPS的輸入數據速率下保證14 bits的精度。此外，該器件還具有很寬的工作溫度范圍，可以在-40到+85的溫度范圍內正常工作。AD9244具有750MSPS的模擬輸入信號帶寬。在5 V供電電壓和65MSPS的輸入數據速率下，該器件的功耗僅590mW，且差分非線性誤差只有±0.6LSB，同時在Nyquist抽樣速率下可以獲得74dB的SNR和83dB的SFDR。AD9244可專門用來處理峰峰值為1~2 V的模擬小信號。它的輸入信號和時鐘信號都可以采用差分輸入形式，以使系統獲得最好的性能。14位數字輸出信號可以表示為直接二進制的形式，也可以是二進制補碼的形式。一位溢出表示位（OTR）可以用來輸出溢出信號，將這一位信號和14位信號中的最高位用一定方式組合起來可判定輸入信號是上溢出還是下溢出

圖4 模擬前端信號調理電路Fig.4 Analog front-end circuit for signal disposal

AD9244的特性如下：

①采用單一+5 V模擬電源，數字電源有+3 V或者+5 V兩種選擇；

②高精度，對于1 V小信號輸入，AD9244具有14bits的精度；

③高速度，抽樣速率最高可以達到65MSPS；

④低功耗，在40MSPS抽樣速率下，其功耗僅340 mW，在65MSPS抽樣速率下，功耗為590 mW；

⑤輸入頻帶寬，具有750 MHz的模擬輸入信號帶寬；在最高抽樣速率下可達到74 dB的信噪比；

⑥片內集成有高性能的抽樣和保持放大器，輸入信號可以采用單端輸入，也可以采用差分輸入；

⑦片內提供有+1 V~+2 V的參考電壓，并可通過變換接口的電阻值來設定；

⑧具有溢出表示位（OTR），當輸入信號超出正常工作范圍時置1；

⑨具有高速并行輸出接口；

⑩具有很高的欠采樣性能，當輸入信號為100 MHz，抽樣頻率為65MSPS時，SNR可以達到70dB，SFDR可以達到82dB；

ADC采樣電路：注意ADC采樣芯片的連接方式，本采樣電路中使用的是外部REF，注意ADC參考電壓的范圍，以及差分信號輸入的范圍，以及差分時鐘信號的匹配電阻.電路如圖5所示。

5 結 論

本設計采用USB2.0接口做為高速數據傳輸接口，前端模擬信號調理電路通過嚴密計算和精細選型，提高了對輸入信號的采集精度。該設計已用于某型號項目的實時狀態監測系統中，實際應用表明該系統具有數據采集速度快、數據采集精度高、便于靈活部署等特點，達到了設計要求。

[1]覃章健，黃洪全，葛良全.基于 USB2.0的實時數據采集系統研究[J].中國測試技術，2005（9）：33.

QIN Zhang-Jian，HUANG Hong-quan，GE Liang-Quan.Real time data acquisition system based on USB2.0.Test and Technology of China，2005（9）：33.

[2]許永和.8051單片機USB接口程序設計（上、下）[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.

[3]扈嘯，張連超.USB2.0控制器 CY7C68013特點與應用[J].單片機與嵌入系統應用，2002（10）：125.

HU Xiao，ZhANG Lian-chao.Characteristics and application of the USB2.0 controller CY7C68013[J].Microcontroller and Embedded Systems Applications，2002（10）：125.

[4]胡文靜，陳松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驅動程序設計[J].計算機應用研究，2005（9）：220-228.

HU Wen-jing，CHEN Song.Design of USB driver based on EZ-USB CY7C68013[J].Application Research of Computer，2005（9）：220-228.

[5]黎文模，段曉峰.Protel DXP電路設計與實例精解[M].北京:人民郵電出版社，2006.

[6]楊欣，王玉鳳，劉湘黔.電路設計與仿真:基于Multisim 8與Protel 2004[M].北京:清華大學出版社，2006.

圖5 ADC采樣電路Fig.5 ADC sampling circuit