通过USB接口控制数/模转换器的电路设计

摘  要： 在控制系统中经常用到一些模拟信号，通常使用数/模转换器输出所需的模拟信号。USB接口是常用的微处理器外部总线接口，通过USB接口控制数/模转换器非常便捷。以CY7C68013A和AD558为例，详细说明了通过USB控制数/模转换器的电路设计方法。
关键词： USB； 数/模转换器； 电路设计
       在控制系统中,经常需要产生和控制一些模拟信号，例如精确可调的电压或电流输出、亮度调节和音量调节等。常用的微处理器外部总线接口为数字信号，无法直接产生需要的模拟信号,需要用到D/A转换器。D/A转换器提供了良好的数字接口,可以由微处理器来控制,以输出要求的模拟量电压或电流等。
     本文以USB接口芯片CY7C68013A和高速D/A转换芯片AD558为例，详细阐述了通过USB控制数/模转换器输出的电路设计。
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协议的微处理器，其中应用最普遍的是低功耗芯片CY7C68013A，它具有高性能、低功耗的优点。
　CY7C68013A芯片的内部结构包括USB2.0收发器、串行引擎（SIE）、增强型8051内核、16 KB RAM、4 KB FIFO存储器、I/O接口、数据总线、地址总线和通用可编程接口（GPIF）[1]。
　CY7C68013A拥有独特的结构，其SIE负责完成串行数据的解码、差错控制、位填充等与USB协议有关的功能。SIE能够实现大部分的功能，从而减轻了嵌入式增强型8051内核的负担，简化了USB固件程序的开发。其CPU时钟可以工作在12 MHz、24 MHz和48 MHz频率上。
　需要强调的是，CY7C68013A芯片的固件程序存放在主机上，而不是在芯片内部。因此在该芯片连接到主机时，首先将固件程序下载到片内RAM，再开始执行[2]。
2 D/A转换原理
　D/A转换器的基本功能是将一个数字量信号按照一定的比例转换成对应的电压或者电流模拟量。由于一个数字量是由数字代码按位组合而成的，每一位数字代表一定的权，一个数字与对应的权相结合，就代表了一个具体的数值。把所有的数值相加，便得到该数的数字量。D/A转换器正是利用了这一点来实现的。
     D/A转换所采用的基本方法是将数字量转化成二进制数据。其每一位产生一个相应的电压或者电流模拟量，而这个电压或者电流模拟量的大小正比于相应的二进制位的权。最后将这些电压或者电流模拟量数值相加并输出。
　本文以ADI公司推出的8 bit电压型D/A转换器AD558为例来介绍D/A转换器的原理。D/A转换器的结构原理图如图1所示。一个完整的D/A转换器主要包括3部分，即加权电阻解码网、数字量控制的电子开关组合和由运算放大器构成的电流电压转换器。
   
       在AD558型D/A转换器中，电子开关组合与输入二进制数D0～D7相对应。当某个二进制位为1时，对应的电子开关闭合,基准电压Vref连接加权电阻解码网络，使该支路电阻上有电流通过；当某个二进制位为0时，对应的电子开关断开，该支路电阻上便无电流通过。加权电阻解码网络各个分支的电阻值与输入的二进制数据D0～D7的权成反比关系，权大的电阻值小，权小的电阻值大。D/A转换器根据各个权位的情况以及输入的二进制数，通过求和及电流电压转换电路，得到总和的模拟电压值并输出[3]。
3 AD558
　    8 bit电压输出型D/A转换器AD558的功能框图如图2所示，其主要性能指标如下：
   
   　    (1)8 bit并行接口。
　    (2)电压的输出范围0～10 V。
　    (3)相对精度为最低有效位的±1/2。
　    (4)输出转换建立时间1 ?滋s。
　    (5)使用单一电源供电,电源电压范围4.5 V～16.5 V。
　    (6)内部具有基准电压源，无须外接基准源。
　    (7)内部集成数据锁存器。
　    (8)75 mW低功耗。
     AD558提供了便于使用的控制接口，其各个引脚的功能如下：
　　
   5 AD558的数据锁存
     由于数字-模拟量的转换需要一定的时间来完成，在这段转换时间内，要求D/A转换器输入端的数字量输入保持不变，以免导致输出错误。因此，为了保证正确的输出结果，AD558的数字量输入端口前面设置有锁存器，将数字量的输入数据保护起来。
　    AD558的数据锁存由片选信号CS和芯片使能信号CE来控制。其控制逻辑功能图如图4所示，控制逻辑真值表如表2所示。