摘 要： 在控制系統中經常用到一些模擬信號，通常使用數/模轉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/模轉換器非常便捷。以CY7C68013A和AD558為例，詳細說明了通過USB控制數/模轉換器的電路設計方法。
關鍵詞： USB； 數/模轉換器； 電路設計
在控制系統中,經常需要產生和控制一些模擬信號，例如精確可調的電壓或電流輸出、亮度調節和音量調節等。常用的微處理器外部總線接口為數字信號，無法直接產生需要的模擬信號,需要用到D/A轉換器。D/A轉換器提供了良好的數字接口,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轉換芯片AD558為例，詳細闡述了通過USB控制數/模轉換器輸出的電路設計。
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協議的微處理器，其中應用最普遍的是低功耗芯片CY7C68013A，它具有高性能、低功耗的優點。
CY7C68013A芯片的內部結構包括USB2.0收發器、串行引擎（SIE）、增強型8051內核、16 KB RAM、4 KB FIFO存儲器、I/O接口、數據總線、地址總線和通用可編程接口（GPIF）[1]。
CY7C68013A擁有獨特的結構，其SIE負責完成串行數據的解碼、差錯控制、位填充等與USB協議有關的功能。SIE能夠實現大部分的功能，從而減輕了嵌入式增強型8051內核的負擔，簡化了USB固件程序的開發。其CPU時鐘可以工作在12 MHz、24 MHz和48 MHz頻率上。
需要強調的是，CY7C68013A芯片的固件程序存放在主機上，而不是在芯片內部。因此在該芯片連接到主機時，首先將固件程序下載到片內RAM，再開始執行[2]。
2 D/A轉換原理
D/A轉換器的基本功能是將一個數字量信號按照一定的比例轉換成對應的電壓或者電流模擬量。由于一個數字量是由數字代碼按位組合而成的，每一位數字代表一定的權，一個數字與對應的權相結合，就代表了一個具體的數值。把所有的數值相加，便得到該數的數字量。D/A轉換器正是利用了這一點來實現的。
D/A轉換所采用的基本方法是將數字量轉化成二進制數據。其每一位產生一個相應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的二進制位的權。最后將這些電壓或者電流模擬量數值相加并輸出。
本文以ADI公司推出的8 bit電壓型D/A轉換器AD558為例來介紹D/A轉換器的原理。D/A轉換器的結構原理圖如圖1所示。一個完整的D/A轉換器主要包括3部分，即加權電阻解碼網、數字量控制的電子開關組合和由運算放大器構成的電流電壓轉換器。
在AD558型D/A轉換器中，電子開關組合與輸入二進制數D0～D7相對應。當某個二進制位為1時，對應的電子開關閉合,基準電壓Vref連接加權電阻解碼網絡，使該支路電阻上有電流通過；當某個二進制位為0時，對應的電子開關斷開，該支路電阻上便無電流通過。加權電阻解碼網絡各個分支的電阻值與輸入的二進制數據D0～D7的權成反比關系，權大的電阻值小，權小的電阻值大。D/A轉換器根據各個權位的情況以及輸入的二進制數，通過求和及電流電壓轉換電路，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)內部具有基準電壓源，無須外接基準源。
(7)內部集成數據鎖存器。
(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的數據鎖存
由于數字-模擬量的轉換需要一定的時間來完成，在這段轉換時間內，要求D/A轉換器輸入端的數字量輸入保持不變，以免導致輸出錯誤。因此，為了保證正確的輸出結果，AD558的數字量輸入端口前面設置有鎖存器，將數字量的輸入數據保護起來。
AD558的數據鎖存由片選信號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，其才可以接收數據總線上的數據，實現從數字量到模擬量的轉換。而當CS和CE中有一個為高電平時，鎖存器工作，將輸入端的數據鎖存到內部存儲器，此時輸出電壓不再隨數據總線上的數據變化。因此，通過數據鎖存器和片選信號,可以方便地將多個AD558連接到公共的8 bit數據總線上。
數/模轉換芯片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，轉換速度也很快。而且AD558不需要外接復雜的基準電壓源，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的要求。使用AD558可以節約很多電路設計調試時間，降低電路的復雜性，從而加快設計周期并減輕設計工作量。
6 電路設計
本系統采用USB控制芯片CY7C68013A和D/A轉換器AD558來實現數/模轉換控制。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構成上電復位電路。時鐘振蕩電路由24 MHz晶振和兩個12 pF的電容構成。 CY7C68013A的PB1～PB7連接AD558的數據總線。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，需要進行電壓轉換。如圖6所示。
本系統采用LT1763CS8-3.3電壓調整芯片來實現將5 V電壓轉換為3.3 V。從圖6中可以看出該芯片經過簡單的電阻、電容連接，便可以實現電壓的調整，適合于USB總線供電的系統。
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，應遵守高速USB印刷電路板的要求。為了達到較高的信號質量，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數據傳輸，因此這兩根信號線直接影響USB接口電路的穩定性，在印制電路板布線時需要仔細布置。D+和D-的走線應盡可能短且相等，并且應合理設置D+和D-的導線寬度和間距；D+和D-之間的差分阻抗應該為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.USB應用開發寶典[M].北京:人民郵電出版社,2011.
[2] 胡曉軍,張愛成.USB接口開發技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2005.
[3] 黃爭.數據轉換器應用手冊[M]:基礎知識篇.北京:電子工業出版社,2010.
[4] 黃麗亞, 楊恒新. 數字電路與系統設計學習指導[M]. 北京:北京郵電大學出版社,2006.
[5] 李桂宏,謝世健.集成電路設計寶典[M]. 北京:電子工業出版社,2006.