基于USB2.0的高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬電路設(shè)計(jì)

杜改麗

（河南職工醫(yī)學(xué)院 河南 鄭州 451191）

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，在對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能日益提高的要求下，在一些高速、高精度的測量和應(yīng)用中，需要進(jìn)行高速高精度數(shù)據(jù)采集，并且要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠做到高速高精度、結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高可靠性?，F(xiàn)在通用的高速數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源限制，可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)[1]。針對這些問題，文中對基于USB2.0高速高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究和設(shè)計(jì)，特別是著重設(shè)計(jì)了模擬前端電路。

1 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

目前市場上幾乎所有的計(jì)算機(jī)都配有USB（Universal Serial Bus）接口，所以它是數(shù)據(jù)采集應(yīng)用非常好的選擇。我們可以在臺式計(jì)算機(jī)上開發(fā)用于USB數(shù)據(jù)采集設(shè)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(xiàn)場執(zhí)行測量任務(wù)[2]。USB不僅是一種非常流行的總線，它還十分易于使用。USB數(shù)據(jù)采集設(shè)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(xiàn)有USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分5部分：

1）模擬前端信號調(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

3）時鐘電路：為系統(tǒng)中各單元電路提供工作時鐘，特別是模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)提供與PC的高速通訊。

5）電源管理電路：為系統(tǒng)中各單元電路提供穩(wěn)定的工作電源。

此論文重點(diǎn)闡述了硬件電路設(shè)計(jì)部分，如圖2所示（方框內(nèi)）。

3 模擬前端放大器選型

一個系統(tǒng)設(shè)計(jì)得成功與否，除了有好的理論設(shè)計(jì)外，更加重要的是對器件的選型，不合理的選型會導(dǎo)致一系列的后續(xù)設(shè)計(jì)問題，有時甚至?xí)乖O(shè)計(jì)失敗，合理的選型不光可以避免設(shè)計(jì)問題，而且可以提高系統(tǒng)的性價比，延長產(chǎn)品的生命周期，獲得預(yù)想不到的經(jīng)濟(jì)效果，同時選擇一個好的器件除了能夠幫助提高系統(tǒng)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(jié)約很多的PCB空間，而且相應(yīng)的價格也不是很貴。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)部分（方框內(nèi)）Fig.2 Hardware circuit design part Inside the box

在對模擬前端信號調(diào)理電路的調(diào)理中，包括放大、衰減、滿足ADC輸入動態(tài)范圍、電源供電等諸多因素的考慮[3]。所以把對信號調(diào)理中的運(yùn)算放大器的選擇作了詳細(xì)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(qū)動運(yùn)算放大器方面就顯得很重要，那如何選擇一款好的驅(qū)動放大器呢？根據(jù)設(shè)計(jì)中提到的關(guān)鍵指標(biāo)和ADI推薦的驅(qū)動放大器，選擇了ADI很優(yōu)秀的一款差分放大器AD8138來完成ADC的輸入驅(qū)動[4]。

AD8138技術(shù)指標(biāo)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(zhuǎn)換。

-3 dB帶寬320 MHz，可調(diào)整共模輸出電壓。

外部可調(diào)整增益和低的諧波失真，在5 MHz和800歐姆負(fù)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(zhuǎn)換數(shù)率為1 150 V/μs，過驅(qū)動恢復(fù)時間為4 ns。

使用ADC輸入驅(qū)動，單端到差分轉(zhuǎn)換，IF和基帶增益區(qū)，差分緩沖器和線路驅(qū)動器。

在與ADC相連接的時候運(yùn)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(zhuǎn)換產(chǎn)生的瞬態(tài)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(jù)自己的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

完成了對驅(qū)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(guān)鍵技術(shù)的選擇要求更加嚴(yán)格，經(jīng)過使用ADI的運(yùn)放選擇軟件的選擇和人為的技術(shù)參數(shù)，選擇了ADI具有代表性的AD811作為前端放大器[5]。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下：

1）小信號帶寬：增益G=1時，-3 dB帶寬=140 MHz

圖3 設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換數(shù)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(yōu)秀的運(yùn)算放大器，所以它特別適合做前端信號的放大和衰減等調(diào)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(diào)理電路

模擬前端信號調(diào)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(diào)，自動觸發(fā)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(jīng)過電壓射隨器到達(dá)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(dá)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(jīng)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(fù)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(yùn)放，但是要注意技術(shù)參數(shù)）

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(shè)計(jì)中，為了不降低系統(tǒng)整體性能，達(dá)到高速高精度的設(shè)計(jì)目的，精心的選擇了器件。

其中，關(guān)于ADC9244與ADC采樣電路，AD9244公司推出的一款14高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由+5 V模擬電壓供電，也可以在+3 V或+5 V的數(shù)字電壓下正常工作。AD9244提供有片內(nèi)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(dá)到65MSPS。AD9244內(nèi)部使用多級差分電路結(jié)構(gòu)，并帶有自動糾錯的邏輯電路，可以在65MSPS的輸入數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)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(tǒng)獲得最好的性能。14位數(shù)字輸出信號可以表示為直接二進(jìn)制的形式，也可以是二進(jìn)制補(bǔ)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(diào)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(shù)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(dá)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(dá)到74 dB的信噪比；

⑥片內(nèi)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(nèi)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(shè)定；

⑧具有溢出表示位（OTR），當(dāng)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(dāng)輸入信號為100 MHz，抽樣頻率為65MSPS時，SNR可以達(dá)到70dB，SFDR可以達(dá)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(jié) 論

本設(shè)計(jì)采用USB2.0接口做為高速數(shù)據(jù)傳輸接口，前端模擬信號調(diào)理電路通過嚴(yán)密計(jì)算和精細(xì)選型，提高了對輸入信號的采集精度。該設(shè)計(jì)已用于某型號項(xiàng)目的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)際應(yīng)用表明該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集速度快、數(shù)據(jù)采集精度高、便于靈活部署等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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圖5 ADC采樣電路Fig.5 ADC sampling circuit