基于USB2.0的高速高精度数据采集系统模拟电路设计

杜改丽

（河南职工医学院 河南 郑州 451191）

在科学技术迅猛发展的今天，在对数据采集系统的性能日益提高的要求下，在一些高速、高精度的测量和应用中，需要进行高速高精度数据采集，并且要求数据采集系统能够做到高速高精度、结构简单、低成本、高可靠性。现在通用的高速数据采集卡一般多是 PCI卡、PXI卡、ISA卡等，存在着安装麻烦、价格昂贵；受计算机插槽数量、地址、中断资源限制，可扩展性差等缺点[1]。针对这些问题，文中对基于USB2.0高速高精度数据采集系统进行了深入的研究和设计，特别是着重设计了模拟前端电路。

1 USB数据采集系统设计思路

目前市场上几乎所有的计算机都配有USB（Universal Serial Bus）接口，所以它是数据采集应用非常好的选择。我们可以在台式计算机上开发用于USB数据采集设备的测量程序，然后把程序安装到笔记本电脑上，以便到各种工作现场执行测量任务[2]。USB不仅是一种非常流行的总线，它还十分易于使用。USB数据采集设备可以充分利用USB的即插即用功能，从而使其安装变得极为简单。

现有USB数据采集系统设计方案如图1所示。

2 本系统设计

本系统设计分5部分：

1）模拟前端信号调理电路：包括器件的选型，通过信号继电器完成三档控制，信号的放大、衰减、滤波等。

图1 USB数据采集系统设计方案Fig.1 USB data acquisition system design scheme

2）ADC采样电路：ADC采样器件的选型，外部接口电路的设计。

3）时钟电路：为系统中各单元电路提供工作时钟，特别是模数转换（ADC）的工作时钟。

4）高速接口电路：高速USB2.0接口电路，为系统提供与PC的高速通讯。

5）电源管理电路：为系统中各单元电路提供稳定的工作电源。

此论文重点阐述了硬件电路设计部分，如图2所示（方框内）。

3 模拟前端放大器选型

一个系统设计得成功与否，除了有好的理论设计外，更加重要的是对器件的选型，不合理的选型会导致一系列的后续设计问题，有时甚至会使设计失败，合理的选型不光可以避免设计问题，而且可以提高系统的性价比，延长产品的生命周期，获得预想不到的经济效果，同时选择一个好的器件除了能够帮助提高系统的高可靠性和高性能外，还必须在封装尺寸、性价比等方面带来好处。小封装的器件能够节约很多的PCB空间，而且相应的价格也不是很贵。

图2 硬件电路设计部分（方框内）Fig.2 Hardware circuit design part Inside the box

在对模拟前端信号调理电路的调理中，包括放大、衰减、满足ADC输入动态范围、电源供电等诸多因素的考虑[3]。所以把对信号调理中的运算放大器的选择作了详细的讲解。

由于选择了ADI公司的高速14bits的高速高精度的ADC，所以在选择与之匹配的输入驱动运算放大器方面就显得很重要，那如何选择一款好的驱动放大器呢？根据设计中提到的关键指标和ADI推荐的驱动放大器，选择了ADI很优秀的一款差分放大器AD8138来完成ADC的输入驱动[4]。

AD8138技术指标如下：

高性能高速320 MHz差分放大器，采用XFCB双极工艺，容易用作单端到差分放大器转换。

-3 dB带宽320 MHz，可调整共模输出电压。

外部可调整增益和低的谐波失真，在5 MHz和800欧姆负载时，二次为-94 dBc，三次为-114 dBc。

差分输出帮助平衡输入到差分ADC，最大化提高ADC性能和不需要信号变压器，能够保留低频和DC信息。

到0.01%建立时间为16 ns，转换数率为1 150 V/μs，过驱动恢复时间为4 ns。

使用ADC输入驱动，单端到差分转换，IF和基带增益区，差分缓冲器和线路驱动器。

在与ADC相连接的时候运放与AD之间的滤波主要为的是滤除噪声，抗混叠，以及给ADC的转换产生的瞬态能量提供缓冲，一般一阶RC低通滤波即可，或者对于带通滤波，可以根据自己的要求进行设计。设计示意图如图3所示。

完成了对驱动放大器的选择，接下来是要选择前端放大器了，这个放大器的作用是完成前端信号的放大和衰减，其对关键技术的选择要求更加严格，经过使用ADI的运放选择软件的选择和人为的技术参数，选择了ADI具有代表性的AD811作为前端放大器[5]。其关键技术指标如下：

1）小信号带宽：增益G=1时，-3 dB带宽=140 MHz

图3 设计示意图Fig.3 The design sketch

增益G=2时，-3dB带宽=120 MHz

增益G=10时，-3dB带宽=100 MHz

2)转换数率：2 500 V/μs

3)建立时间:0.1%2V阶跃信号建立时间为：25 μs

10阶跃信号建立时间为：50 ns

0.01 %10 V阶跃信号建立时间为：65 ns

由于AD811是一款非常优秀的运算放大器，所以它特别适合做前端信号的放大和衰减等调理使用，通常的连接方式有同向和反向两种，要注意的是对反馈电阻的选择等。

4 模拟前端信号调理电路

模拟前端信号调理电路：电路中包括了防ESD模拟信号输入，三档自动增益可调，自动触发方式，抗混叠滤波等[6]。

三档：通过信号继电器完成三档控制 RG=RF/（GAIN-1）其中电压反馈电阻选择600欧姆。7~10 V档：通过分压电阻完成分压，然后经过电压射随器到达差分放大器完成固定的5倍衰减。1~7 V档 直接通过电压射随器到达差分放大器完成固定的5倍衰减。0.1~1 V档 放大7倍后经差分放大器完成5倍衰减.

AD811：完成放大，以及射随器功能。AD811工作在正负10 V电压下，提供的最大输出电压为7 V（改型可选择轨对轨运放，但是要注意技术参数）

AD8138：完成信号的差分输出，可以提高抗干扰能力，并且完成抗混叠滤波。电路如图4所示。

在前端电路设计中，为了不降低系统整体性能，达到高速高精度的设计目的，精心的选择了器件。

其中，关于ADC9244与ADC采样电路，AD9244公司推出的一款14高精度高速模数转换器。它由+5 V模拟电压供电，也可以在+3 V或+5 V的数字电压下正常工作。AD9244提供有片内参考电压，并集成了高性能的抽样和保持放大器。正常工作情况下，其最高抽样速率可以达到65MSPS。AD9244内部使用多级差分电路结构，并带有自动纠错的逻辑电路，可以在65MSPS的输入数据速率下保证14 bits的精度。此外，该器件还具有很宽的工作温度范围，可以在-40到+85的温度范围内正常工作。AD9244具有750MSPS的模拟输入信号带宽。在5 V供电电压和65MSPS的输入数据速率下，该器件的功耗仅590mW，且差分非线性误差只有±0.6LSB，同时在Nyquist抽样速率下可以获得74dB的SNR和83dB的SFDR。AD9244可专门用来处理峰峰值为1~2 V的模拟小信号。它的输入信号和时钟信号都可以采用差分输入形式，以使系统获得最好的性能。14位数字输出信号可以表示为直接二进制的形式，也可以是二进制补码的形式。一位溢出表示位（OTR）可以用来输出溢出信号，将这一位信号和14位信号中的最高位用一定方式组合起来可判定输入信号是上溢出还是下溢出

图4 模拟前端信号调理电路Fig.4 Analog front-end circuit for signal disposal

AD9244的特性如下：

①采用单一+5 V模拟电源，数字电源有+3 V或者+5 V两种选择；

②高精度，对于1 V小信号输入，AD9244具有14bits的精度；

③高速度，抽样速率最高可以达到65MSPS；

④低功耗，在40MSPS抽样速率下，其功耗仅340 mW，在65MSPS抽样速率下，功耗为590 mW；

⑤输入频带宽，具有750 MHz的模拟输入信号带宽；在最高抽样速率下可达到74 dB的信噪比；

⑥片内集成有高性能的抽样和保持放大器，输入信号可以采用单端输入，也可以采用差分输入；

⑦片内提供有+1 V~+2 V的参考电压，并可通过变换接口的电阻值来设定；

⑧具有溢出表示位（OTR），当输入信号超出正常工作范围时置1；

⑨具有高速并行输出接口；

⑩具有很高的欠采样性能，当输入信号为100 MHz，抽样频率为65MSPS时，SNR可以达到70dB，SFDR可以达到82dB；

ADC采样电路：注意ADC采样芯片的连接方式，本采样电路中使用的是外部REF，注意ADC参考电压的范围，以及差分信号输入的范围，以及差分时钟信号的匹配电阻.电路如图5所示。

5 结 论

本设计采用USB2.0接口做为高速数据传输接口，前端模拟信号调理电路通过严密计算和精细选型，提高了对输入信号的采集精度。该设计已用于某型号项目的实时状态监测系统中，实际应用表明该系统具有数据采集速度快、数据采集精度高、便于灵活部署等特点，达到了设计要求。

[1]覃章健，黄洪全，葛良全.基于 USB2.0的实时数据采集系统研究[J].中国测试技术，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]许永和.8051单片机USB接口程序设计（上、下）[M].北京:北京航空航天大学出版社，2004.

[3]扈啸，张连超.USB2.0控制器 CY7C68013特点与应用[J].单片机与嵌入系统应用，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]胡文静，陈松.基于EZ-USB芯片CY7C68013的驱动程序设计[J].计算机应用研究，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，段晓峰.Protel DXP电路设计与实例精解[M].北京:人民邮电出版社，2006.

[6]杨欣，王玉凤，刘湘黔.电路设计与仿真:基于Multisim 8与Protel 2004[M].北京:清华大学出版社，2006.

图5 ADC采样电路Fig.5 ADC sampling circuit