CN102638266A - 一种带隔离且小尺寸、低功耗的a/d模拟通道电路 - Google Patents

Abstract

一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，涉及一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路。它为了解决现有的A/D采集模拟通道用于需隔离，电路板密度过大，增加了布线难度，可靠性差，成本高的问题。本发明的第一运算放大器的双相电源的正极端接+5V，该电源的负极端接地，第一运算放大器的正相输入端与第一电阻R₁的一端连接，第一电阻R₁的另一端为差分信号Hi输入端，第一运算放大器的负相输入端同时与第二电阻R₂的一端和第一运算放大器的输出端连接，该第二电阻R₂的另一端为基准电压Vref输入端，同时也是差分信号Li输入端，第一运算放大器的输出端为模拟通道电路的输出端Vout。本发明适用于电子领域。

Description

一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路

技术领域

本发明涉及一种模拟通道电路，具体涉及一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路。

背景技术

随着数字信号处理技术的发展以及数字器件性能的不断提高，对信号的分析逐渐从模拟信号过渡到数字信号，而作为连接数字信号与模拟信号的桥梁——A/D数据采集系统，在信号分析中具有重要作用。完整的数据采集系统以模数转换器(ADC)为界，分为模拟部分和数字部分，传感器输出的模拟信号通过模拟部分的调理后进入ADC转换为数字信号，再由控制器对该数字信号进行存储、显示等操作。模拟量的幅度和ADC的量程越接近，进行模数转换的精度越高。模拟通道的核心功能是将传感器输出范围内任意的模拟信号按比例调整为与ADC量程接近的信号，传统的数据采集的模拟通道通常由模拟衰减电路，阻抗变换电路等组成。

以ACQ公司的A/D数据采集M模块M392为例，其允许采集信号范围为0～5V、±5V、0～10V、±10V，最大采样率为100kSPS。在数据采集系统中，一般要求输入阻抗为兆欧级，故将信号送入ADC之前需要进行阻抗变换。

由图1可知，第二运算放大器2的型号为LT1114，第二运算放大器2以及第一电阻R₁组成电压跟随电路实现阻抗转换，第二电阻R₂及lnF电容C₂构成截止频率为1kHz的低通滤波器，用于滤除输入信号的高频噪声。由于输入信号存在负电压，故使用双电源运放，后端ADC采用的单5V供电。若电路需要隔离，则±12V及+5V均需要使用DC-DC进行隔离，当通道数较多时要求DC-DC功率较大，而此类DC-DC一般体积均较大，且电源转换效率不高(一般为80％)，而M模块对功耗及电路板尺寸有极其严格的要求(5V输出要求功率低于5W，±12V输出要求功率低于5W)，若采用图1中传统的模拟通道设计方式，很难满足需隔离且对电路板尺寸、功耗有要求的M模块。

另一方面，若输入信号为差分信号而后端ADC等电路不做改动，传统信号调理电路无法有效兼容此种情况，需在前端加入电压跟随电路将差分信号转换为单端信号，如ACQ公司M392的姊妹型号M393如图2所示，其与M392仅在输入信号类型和通道数有差别。

与图1相比，该电路中加入了由第三运算放大器3组成的差分转单端信号电路，该第三运算放大器3的型号为AD622，新加入的电路占用了更多的电路板尺寸以及消耗了更多的功率，增加电路板密度的同时也不利于布局布线，降低了电路板的可靠性，受M模块尺寸以及功耗的限制，测量通道由M392的16通道缩减为8通道，降低了设计指标。

由上述分析可知，现有的A/D采集模拟通道用于需隔离，采集信号包含正负电压成分且对电路板尺寸、功耗有要求的场合(如M模块)时造成电路板密度过大，增加了布局布线难度，降低了系统可靠性，且带来成本提升甚至牺牲采样通道数，以及无法同时兼容差分信号与单端信号的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的A/D采集模拟通道用于需隔离，采集信号包含正负电压成分且对电路板尺寸、功耗有要求的场合时造成电路板密度过大，增加了布局布线难度，降低了系统可靠性，且带来成本提升甚至牺牲采样通道数的问题，从而提出了一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路。

本发明所述的一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，它包括第一电阻R₁、第二电阻R₂和第一运算放大器，所述的第一运算放大器的双相电源的正极端接+5V，该双相电源的负极端接地，所述的第一运算放大器的正相输入端与第一电阻R₁的一端连接，该第一电阻R₁的另一端为差分信号Hi输入端，所述的第一运算放大器的负相输入端同时与第二电阻R₂的一端和第一运算放大器的输出端连接，该第二电阻R₂的另一端为基准电压Vref输入端，同时也是差分信号Li输入端，第一运算放大器的输出端为模拟通道电路的输出端Vout。

本发明提出了一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，在需隔离且对功耗、电路板尺寸有要求的运用场合中，达到了在有效降低电路板的设计密度与功耗，同时兼容单端信号与差分信号，提高了而系统的可靠性，且降低设计成本的同时增强了设计指标的目的。

附图说明

图1为M392前端信号调理电路图，图2为M393前端信号调理电路图，图3为具体实施方式一的模拟电路图，图4为具体实施方式二的模拟电路图，图5为测试误差曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，它包括第一电阻R₁、第二电阻R₂和第一运算放大器1，所述的第一运算放大器1的双相电源的正极端接+5V，该双相电源的负极端接地，所述的第一运算放大器1的正相输入端与第一电阻R₁的一端连接，该第一电阻R₁的另一端为差分信号Hi输入端，所述的第一运算放大器1的负相输入端同时与第二电阻R₂的一端和第一运算放大器1的输出端连接，该第二电阻R₂的另一端为基准电压Vref输入端，同时也是差分信号Li输入端，第一运算放大器1的输出端为模拟通道电路的输出端Vout。

如图3可知，Hi与Li为一对差分信号，Vref为基准电压，采用电压基准芯片产生，与输入信号的低端Li相接，电阻R₁、R₂的选择与对模拟通道的输入阻抗要求有关。根据虚短虚断，可以得到：

Vout＝Hi＝Hi-Li+Li＝(Hi-Li)+Vref    (1)

当输入差分信号幅值范围为±2.5V时，取Vref为2.5V，由式(1)可知运算放大器的输出在0～+5V范围之内，可直接作为后端ADC的输入。若要求ADC输入信号为差分信号，则可将运算放大器的输出与+2.5V参考电压之间看成一对差分信号送入A/D变换器。例如，若高端和低端之间输入1V的电压，由式(1)可知，此1V电压经过量程选择电路后，输出电压Vout为1.5V，再与参考电压2.5V差分，最后输入A/D变换器的信号仍然为1V。

当输入信号为±2.5V的单端信号时，将输入信号的地连接到Li，另一端连接到Hi，依据理想运算放大器工作在负反馈状态时虚短虚断的特性，仍然能够得出式(1)的结论，因此，该电路同样适用于单端信号。类似的，若要求ADC输入信号为差分信号，可将运算放大器的输出与+2.5伏参考电压之间看成一对差分信号送入A/D变换器。

该基本模拟通道电路实现了电路的阻抗变换，且可将±2.5V的单端信号或差分信号转换成0～5V单端信号，输入信号经过模拟通道信号变换之后使得后端ADC可选择单电源供电型模数转换器，达到了统一元器件供电电压的目的，因此减少DC-DC电源的输出路数，降低电路的功耗的同时减小了电路板尺寸，且同时兼容输入信号为单端信号与查分信号。

具体实施方式二、结合图4具体说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路的区别在于，它还包括第三电阻R₃，所述的第三电阻R₃的一端接差分信号Li，该第三电阻R₃的另一端通过导线与第一运算放大器1的正输入端连接。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式二所述的一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路的区别在于，第一运算放大器1的型号为单输入5V供电的AD8630运算放大器，其允许输入最大单端信号幅值为-0.3V～6.3V，增益带宽积为2.5MHz。

如图4所示，Hi与Li为一对差分信号，Vref为基准电压，采用电压基准芯片产生，与输入信号的低端Li相接，R₁与R₃为分压电阻，起信号衰减的作用。依据虚短虚断得到：

对式(2)进行简单的化简、变形后得到：

以输入信号为±15V为例，即Hi-Li＝±15V，取R₁＝500k··，R₃＝100k··，基准电压Vref＝2.5V，则Vout的输出范围为0～5V，与输入信号为±2.5V情况相同，若后端为差分信号输入型ADC，运算放大器的输出与+2.5V参考地之间也构成一对差分信号可作为其输入。与基本模拟通道类似，当输入信号为±15V的单端信号时，将输入信号的地连接到Li，另一端连接到Hi，依据理想运算放大器工作在负反馈时“虚短虚断”的特性，得出式(3)的结论，因此，该电路同样适用于单端信号。

本实施方式中的拓宽了对输入信号范围的要求，通过选择合适的R₁与R₃可将输入信号幅值调整到0～5V的范围。在实际的应用中，选择运算放大器时应该优先选择单电源型、且偏置电流较小(pA级或nA级)、压摆率SR＞2×π×f×Vpk的运算放大器，其中f为输入信号频率，Vpk为输入信号峰峰值；电阻R₁与R₃选择与待测信号的输出阻抗、输入信号的幅值有关，且为了减小电阻的分布电容对信号的影响，应优先选择分布电容较小的贴片类电阻。对于不同幅值、不同输入频率信号，应根据具体需求灵活选择电阻的阻值、基准电压大小、运算放大器的型号，是否需要在运算放大器输出端加入滤波器。以输入信号分别为-2.5V～2.5V、-15V～15V，频率从1～100kHz的正弦波为例，对基本模拟通道电路与改进模拟通道电路测试，分别用示波器记录下波形，将所得结果与理论结果对照，计算出最大满量程误差，测试所得误差曲线如图5所示。

图5中，x轴表示输入频率，单位为10^xHz，y轴表示最大满量程误差，曲线y1代表输入信号幅值为2.5V，曲线y2、y3、y4分别代表输入信号幅值为5V、10V、15V，从图中我们可知：a输入信号频率在1～100kHz范围内时满量程误差在1％以内；b误差随频率升高逐渐增大，且增大速度加快；c同频率下输入信号幅值越大误差越大。出现此结论的原因是：实际情况下电阻并非理想元件，存在一定的分布电容电感，输入信号频率越高对其影响越大；电阻存在±0.001％～±20％的误差，输入信号经电阻衰减后该部分误差也引入其中，且幅值越大引入的误差越大，因此模拟通道误差随输入信号频率和幅值升高而增大。

Claims (3)

1.一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，其特征在于：它包括第一电阻R₁、第二电阻R₂和第一运算放大器(1)，所述的第一运算放大器(1)的双相电源的正极端接+5V，该双相电源的负极端接地，所述的第一运算放大器(1)的正相输入端与第一电阻R₁的一端连接，该第一电阻R₁的另一端为差分信号Hi输入端，所述的第一运算放大器(1)的负相输入端同时与第二电阻R₂的一端和第一运算放大器(1)的输出端连接，该第二电阻R₂的另一端为基准电压Vref输入端，同时也是差分信号Li输入端，第一运算放大器(1)的输出端为模拟通道电路的输出端Vout。

2.根据权利要求1所述的一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，其特征在于：它还包括第三电阻R₃，所述的第三电阻R₃的一端为差分信号Li输入端，该第三电阻R₃的另一端与第一运算放大器(1)的正相输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种带隔离且小尺寸、低功耗的A/D模拟通道电路，其特征在于：第一运算放大器(1)的型号为单输入5V供电的AD8630运算放大器，其允许输入最大单端信号幅值为-0.3V～6.3V，增益带宽积为2.3MHz。

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