中心議題：

• 探討高分辨率傳感器USB接口設計

解決方案：

• 采用差分模式或單端模式
• 采用直接連接的橋式傳感器

本設計中的電路包括一個混合信號微控製器、一隻USBUART（通用異步接收器/發射器），還有一個新穎的自適應模擬傳感器輸入電路。此電路可以將多種類型的傳感器接到設計的兩個模擬輸入通道上，在一個USB主機上控製這些設備
，讀出測量數據。USB連接為電路提供電源。在計算機上就能用簡單指令控製設備
；甚至用終端軟件也可以做測量工作。8051核有免費的工具， 便於做編程工作， 如IDE（集成開發環境）、調試器以及C編譯器。

本設計采用了價格為8 美元的8051 架構微控製器， 還有一隻PGA（可編程增益放大器），以及一隻24位Σ-Δ ADC（圖1、2和3）。微控製器IC1有一個輸入多工器
，可采用差分模式或單端模式。它還有兩個DAC輸出
，可以提供五個未指定的數字I/O腳（圖1）。一個輸出引腳驅動受程序控製的D1.其它數字引腳則用於配置兩個模擬輸入口。另外，微控製器的基準輸出還可以送給某一個模擬輸入端口。其餘四個數字引腳與USB的UART芯片相連接。

示意圖

3.3V的線性穩壓器IC2為微控製器供電（圖2）。從USB端口通過磁珠與濾波器
，就可以直接為USB芯片IC1供電。這款芯片是常見而可靠的USBUART芯片，可與使用任何操作係統的計算機通信。運放IC4用作微控製器基準輸出的緩衝（圖3）。

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運放IC示意圖

使用兩隻三輸入連接器，就可以將很多類型傳感器連接到兩個可配置模擬端口上

，每隻連接器都有一個接地端（圖4）。一個接地端提供3.3V電源，其它則輸出經緩衝的基準電壓

，其額定值為2.5V.兩liang個ge連lian接jie器qi的de中zhong間jian引yin腳jiao接jie到dao微wei控kong製zhi器qi的de模mo擬ni輸shu入ru多duo工gong器qi上shang。這zhe樣yang，既ji可ke以yi測ce量liang兩liang個ge單dan端duan電dian壓ya
，也ye可ke以yi將jiang兩liang隻zhi連lian接jie器qi用yong做zuo差cha分fen輸shu入ru。兩liang個ge輸shu入ru端duan均jun有you獨du立li切qie換huan的de上shang拉la與yu下xia拉la電dian阻zuR10
、R11、R14與R15.

模mo擬ni輸shu入ru架jia構gou能neng夠gou直zhi接jie連lian接jie多duo種zhong類lei型xing的de傳chuan感gan器qi。例li如ru，可ke以yi在zai接jie地di端duan與yu輸shu入ru端duan之zhi間jian連lian接jie熱re敏min電dian阻zu或huo光guang敏min電dian阻zu
，並bing接jie通tong上shang拉la電dian阻zu，構gou成cheng一yi個ge分fen壓ya器qi
；片上的ADC可以直接對這個分壓器的輸出做數字化（圖5）。這種方案還采用了比率工作方式，意味著ADC使(shi)用(yong)與(yu)分(fen)壓(ya)器(qi)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)基(ji)準(zhun)。電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)傳(chuan)感(gan)器(qi)也(ye)可(ke)以(yi)像(xiang)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)那(na)樣(yang)連(lian)接(jie)，即(ji)直(zhi)接(jie)連(lian)到(dao)接(jie)地(di)端(duan)與(yu)輸(shu)入(ru)端(duan)之(zhi)間(jian)。切(qie)換(huan)到(dao)下(xia)拉(la)電(dian)阻(zu)，使(shi)光(guang)電(dian)流(liu)能(neng)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)電(dian)壓(ya)。

接地端示意圖

高分辨率ADC與PGA可以直接連接熱電偶（圖6）。通過切換一個通道上的上拉電阻和下拉電阻，就可以實現所需的偏置點。關掉所有內置電阻，就可以采用直接連接的橋式傳感器（如測壓元件和壓力傳感器）。這些情況下，應使ADC工作在差分模式。讓所有開關開路亦適合於采用電位器輸入或IC 傳感器的場合

，如SS49E霍爾效應磁場傳感器。

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連接示意圖

當使用直接連接的傳感器時， 應考慮源阻抗、信號範圍、濾波，以及噪聲拾取問題。你可能需要增加額外的緩衝放大器，或更精密的電壓基準。有了電壓基準和模擬端口的3.3V電源
，就可以使這種結構成為可能。另外可以使用連接器J 1中的DAC輸出來調整值， 或為傳感器提供一個任意電壓。注意，J1也有五個數字I/O腳（圖1）。

電路板

本設計裝在一個2.36英寸×1.38英寸的外殼中（圖7），PCB下方有幾隻無源元件（圖8）。提供了詳情
，能下載到整個設計，以及CAD/CAM文件、物料清單和軟件。

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