探索Digilent Analog Shield：高精度模擬電路連接解決方案

引言

在電子電路設(shè)計(jì)中，如何將Arduino或chipKIT與模擬電路進(jìn)行高效、高精度的連接一直是工程師們關(guān)注的問題。Digilent Analog Shield為我們提供了一個(gè)絕佳的解決方案，它不僅具備多種實(shí)用功能，還能顯著提升信號(hào)處理的精度和性能。

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一、產(chǎn)品概述

Digilent Analog Shield是一款能讓Arduino?或chipKIT?與模擬電路輕松連接的設(shè)備。它由Digilent與德州儀器（Texas Instruments?）以及斯坦福大學(xué)的Kovacs / Giovangrandi實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)。該盾牌提供了以下關(guān)鍵特性：

• 電源供應(yīng)：具備可變的+/-7.5V電源和固定的+/-5V電源。
• 面包板：配備小型面包板，方便電路搭建。
• 軟件操作：可通過單行C語言代碼實(shí)現(xiàn)對ADC/DAC的讀寫操作。
• ADC與DAC：擁有4通道、16位、100 ks/s的逐次逼近寄存器（SAR）ADC和4通道、16位、100 ks/s的串行DAC。

與Arduino Uno?或chipKIT UNO32?相比，Analog Shield提供了更靈敏的輸入和輸出，并且具備驅(qū)動(dòng)許多實(shí)用模擬電路所需的雙極性輸入和電源。它通過SPI通信協(xié)議與Arduino進(jìn)行通信，ADC和DAC都使用標(biāo)準(zhǔn)的Arduino外形尺寸SPI總線引腳，并采用獨(dú)立的芯片選擇。

二、應(yīng)用場景

Analog Shield適用于處理那些使用Arduino標(biāo)準(zhǔn)引腳無法可靠記錄或生成的小而敏感的信號(hào)，能提供更高的分辨率。目前已經(jīng)開發(fā)了一些相關(guān)的演示項(xiàng)目：

1. 正弦波/函數(shù)發(fā)生器：利用直接數(shù)字合成技術(shù)生成正弦波或其他函數(shù)波形。
2. FFT頻譜分析儀：對信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。
3. 復(fù)音音樂生成：實(shí)現(xiàn)多聲部音樂的生成。
4. 4通道低帶寬示波器：用于觀察和分析信號(hào)的波形。
5. 李薩如圖形發(fā)生器：生成李薩如圖形。
6. XY模擬示波器顯示驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)示波器進(jìn)行XY顯示。

這些演示項(xiàng)目的詳細(xì)說明可在各自相關(guān)的文檔中找到。

三、硬件結(jié)構(gòu)

1. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接口

ADC接口為2x4引腳頭，包含四個(gè)ADC通道和四個(gè)公共接地引腳。四個(gè)接地引腳位于引腳頭的外側(cè)行，四個(gè)ADC通道位于內(nèi)側(cè)行?？梢允褂胊nalog.read()函數(shù)以16位分辨率讀取4通道數(shù)據(jù)，通道標(biāo)記為A0 - A3。若要了解ADC前的運(yùn)算放大器電路細(xì)節(jié)，可參考盾牌原理圖。

2. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）接口

DAC接口同樣是2x4引腳頭，有四個(gè)DAC通道和四個(gè)公共接地引腳。四個(gè)接地引腳在外側(cè)行，四個(gè)DAC通道在內(nèi)側(cè)行。DAC用于修改Arduino或chipKIT產(chǎn)生的模擬信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的Arduino/chipKIT analogWrite()函數(shù)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制（PWM）方波在許多應(yīng)用中是可行的，但對于更敏感的模擬電路來說不夠理想。而DAC通道設(shè)置值后，會(huì)產(chǎn)生與所提供值對應(yīng)的穩(wěn)定電壓。可以使用analog.write()函數(shù)設(shè)置通道值，通道標(biāo)記為D0 - D4。若要了解DAC后的運(yùn)算放大器電路細(xì)節(jié)，可參考盾牌原理圖。

3. 電源接口

電源接口為2x5引腳頭，包含正5V軌、負(fù)5V軌、正可變電壓軌、負(fù)電壓軌、2.5V參考電壓軌和五個(gè)公共接地引腳。五個(gè)接地引腳在外側(cè)行，五個(gè)電源供應(yīng)在內(nèi)側(cè)行。+/-5V軌可能會(huì)因USB電源規(guī)格而有所變化，+/-V軌可以通過盾牌右下角的可變電壓電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，還有一個(gè)+2.5V軌可作為參考電壓。

4. 電壓選擇跳線

需要設(shè)置跳線，以確定連接的板卡使用IOREF、3V3還是5V0作為SPI接口的I/O電壓。

5. 可變電壓電位器

該電位器用于調(diào)節(jié)+/-V電源供應(yīng)軌的電壓。

四、軟件使用

Analog Shield附帶了一個(gè)簡單的庫，旨在優(yōu)化可讀性和性能。它提供了與IDE中標(biāo)準(zhǔn)模擬讀寫功能相似的接口。安裝庫的說明包含在庫文件夾和“Analog Shield – 02 First Time Setup”文檔中。成功將庫安裝到IDE后，可以使用以下命令調(diào)用庫：

#include 

包含analogShield庫后，將可以訪問一個(gè)名為analog的類變量，通過該變量可以調(diào)用analogShield庫的函數(shù)。

1. 讀取模擬輸入通道

使用以下函數(shù)讀取模擬輸入通道：

unsigned int read(int channel, bool mode = false);

該函數(shù)返回通道上讀取的電壓，電壓以二進(jìn)制形式表示，范圍從0到65535，對應(yīng)-5V到5V。例如，要讀取通道0（非差分模式），代碼如下：

unsigned int data; 
data = analog.read(0);

‘Mode’是一個(gè)可選參數(shù)，默認(rèn)值為false，表示正常的單端模式，每個(gè)模擬引腳以地為參考；若設(shè)置為true，則啟用‘差分’模式，返回相鄰輸入對（如A0 - A1和A2 - A3）之間的電壓差。signedRead()函數(shù)與read()函數(shù)功能相同，但返回有符號(hào)整數(shù)。

2. 向DAC寫入數(shù)據(jù)

使用write()函數(shù)向DAC寫入數(shù)據(jù)，該函數(shù)允許用戶寫入任意通道：

write(int channel, unsigned int value); 
write(unsigned int value0, unsigned int value1, bool mode); 
write(unsigned int value0, unsigned int value1, unsigned int value2, bool mode); 
write(unsigned int value0, unsigned int value1, unsigned int value2, unsigned int value3, bool mode);

例如，要向通道1寫入一個(gè)值，代碼如下：

unsigned int data = 65535;
analog.write(1, data);

若要同時(shí)向通道0、1和2寫入多個(gè)值并同時(shí)更新，代碼如下：

unsigned int data0 = 65535; 
unsigned int data1 = 256; 
unsigned int data2 = 0; 
analog.write(data0, data1, data2, true);

同時(shí)更新方法適用于高速應(yīng)用，因?yàn)橥ǖ垒敵鲋g的小延遲可能會(huì)產(chǎn)生不需要的信號(hào)或時(shí)序問題。

五、總結(jié)

與Arduino的原生模擬輸入相比，Analog Shield提供了16位的ADC（而Arduino UNO和ChipKIT UNO32提供的是10位），精度提高了約25dB。此外，ADC作為雙極性輸入，可以在不需要額外硬件的情況下感應(yīng)+/-5V范圍內(nèi)的信號(hào)。板載DAC在精度上也有類似的提升，在低頻驅(qū)動(dòng)正弦輸出時(shí)，信噪比提高了多達(dá)25dB。Analog Shield還提供了緊湊的集成電源，具有固定和可調(diào)輸出，可讓各種模擬電路以最小的空間浪費(fèi)和復(fù)雜度進(jìn)行組裝。

你在使用Analog Shield的過程中遇到過哪些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。