Vychvalovat USB rozhraní v dnešní době opravdu nepotřebujeme. Jednoduchá dostupnost i masové nasazení nejen ve spotřební nebo výpočetní technice hovoří za všechno. Není tedy žádnou zvláštností, že popisovaný příklad návrhu bude ke své komunikaci využívat právě jeho služeb. Základ a zároveň přechod mezi analogovým a digitálním světem vytváří 16bitový A/D převodník MAX1168 (Maxim), spolupracující s malým modulem USBmicro U421. Výsledkem pak je 16bitové rozlišení osmi vstupních kanálů s možností jednoduchého zobrazení naměřených průběhů na počítači.
Jednoduchý systém sběru dat vystaví na USB rozhraní 16bitový obraz osmi vstupních kanálů
Modul USBmicro U421, vystavěný za výrazného přispění kontroléru Cypress CY7C63743, nabízí až 16 I/O linek s možností konfigurace vybraných I/O jako SPI portu. Ve funkci human interface device (HID) přenese až 800 Bps. SPI lze provozovat s taktovacím kmitočtem 62.5 kHz, 500 kHz, 1 MHz nebo také 2 MHz. Příslušné vstupy / výstupy můžeme ve funkci slave – select linek použít k adresování více SPI obvodů. Jedna taková linka pak třeba řídí výběrový vstup chip – select převodníku MAX1168.
Popis modulu USBmicro U421
Blokový diagram CY7C63743C (Cypress)
Jak již bylo řečeno, rozhraní směrem k analogovému světu obstarává nízkopříkonový, 16bitový A/D převodník MAX1168 se svými osmi vstupními kanály a SPI rozhraním. Obvod vystačí s jednoduchým napájením +5 V, ze kterého si vyrábí referenční napětí 4.096 V a také potřebné taktovací hodiny. V závislosti na nastavení může provádět převod jednotlivých vstupních kanálů, vykonávat vícenásobná měření na jednom kanálu nebo kanály skenovat sekvenčně s možností průběžného (on-chip) ukládání dat.
Blokový diagram A/D převodníku MAX1168
Typické zapojení a ekvivalentní vstupní obvod převodníku MAX1168
Vstupní vzorkovací obvody převodníku musí být buzeny rychlým zesilovačem. Pro tyto účely byly vybrány obvody řady MAX423x, nabízející šířku pásma 10 MHz (GBWP), rychlost přeběhu 10 V/μs nebo také rail to rail vstupy a výstupy při napájení z jednoduchého zdroje +5 V (již od 2.7 V). Vstupní klidový proud 50 pA umožňuje použití velkých vstupních impedancí bez výrazného vlivu na celkovou přesnost. Operační zesilovače jsou dostupné v jednoduchém, dvojitém i čtyřnásobném provedení.
Blokový diagram a fyzické provedení precizního odporového děliče MAX5490
Pro dosažení potřebného napěťového rozsahu (1/11, odporový dělič 10:1) a ochrany před možným vstupním přepětím byly na vstupu každého zesilovače (buffer) ještě použity precizní, vzájemně přizpůsobené, 100 kΩ odporové děliče MAX5490. Zapouzdřit do SOT23 relativně přesný dělič, složený ze dvou rezistorů, rozhodně není revolučním nápadem, nicméně stojí za povšimnutí.
Mezi základní vlastnosti a přednosti odporového děliče MAX5490 patří:
- Poměr odporů 1:1 až 100:1
- Dostupnost zákaznického řešení na vyžádání
- Vysoká výchozí přesnost dělícího poměru
- 0.035 % (MAX5490A)
- 0.05 % (MAX5490B)
- 0.1 % (MAX5490C)
- Malá teplotní závislost poměru odporů
- 1 ppm/°C (typ.)
- Pracovní napětí až 80 V (součet úbytků na R1 a R2)
- 3vývodové pouzdro SOT23
Invertující a neinvertující zapojení operačního zesilovače s využitím děliče MAX5490
Další možnosti jak využít obvod MAX5490
Použitá konfigurace modulu si tak bude rozumět se vstupním napětím až do 45 V při rozlišení pod 1 mV (687.5 μV). Napájení +5 V obstarává USB port. Filtraci a potlačení nežádoucího rušení pak zajišťuje několik dalších pasivních součástek.
Software pro popisované měřicí zařízení umožňuje nastavit provozní parametry a sledovat vybrané kanály
Testovací software byl napsán ve Visual Basic.Net (Standard), přičemž příkazy pro U421 zajišťuje DLL soubor (USBm.dll). V demo programu můžeme nastavit A/D převodník MAX1168 ke skenování všech osmi kanálů a následnému zobrazení naměřených výsledků. Po spuštění lze definovat referenční napětí a scan time, případně také vybrat kterýkoli z osmi kanálů pro vykreslení průběhu na monitoru. Evaluation software je možné stáhnout zde.
Závěr:
Článek popisuje možný návrh USB modulu, který se svým 16bitovým rozlišením poskytne číslicový obraz osmi vstupních kanálů. Zmíněné zapojení může také vhodně posloužit jako inspirace k vývoji podobných zařízení, třeba jednoduchého USB osciloskopu, který snese i výrazně menší vertikální rozlišení. Zdá se, že současná součástková základna s nejrůznějšími mikrokontroléry, jejich podporou USB a zabudovanými, n-kanálovými A/D převodníky může celkový návrh zjednodušit ještě více.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
Domovská stránka Maxim: http://www.maxim-ic.com/
- Distributor pro ČR: http://www.mespraha.cz/
- Navrhujeme měřicí systém s 16bitovým rozlišením (hw.cz)
- Osciloskopické sondy (3 díly, hw.cz)
- Recenze SW pro USBscope50 (hw.cz)
