CN105991134A - 一种强电磁环境下的高速ad-da转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强电磁环境下的高速AD‑DA转换器，包括AD转换板、DA转换板及连接AD转换板和DA转换板的传输介质。本发明大大减小了信号延时，且精度完全满足要求，光纤收发正常。在实际使用过程中延时只有大约3us，能够满足高压电源控制系统的实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及AD-DA转换器领域，具体是一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器。
背景技术
目前大部分模拟量采用双绞线传输，在高电压、强电磁环境下传输信号时，由于信号极易受到干扰，所以传输速度和精度很不理想。模拟信号AD转换后再DA转换是一种较好的传输方法，然而由于转化的精度和速度是一对矛盾，在精度要求较高时很难将速度（用延时表示）提高。
在国家大科学工程EAST的中性束注入加热所用100kV/100A高压电源的运行中，需要从高压电源现场采集模拟信号到控制室观察和处理。现有的传输装置信号延时5us左右，这对于实时性要求极高的高压电源监控和控制系统来说有很大的改善必要性。
发明内容
本发明的目的是提供一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，以解决现有技术AD-DA转换器精度难以满足强电磁环境需求的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，其特征在于：包括AD转换板、DA转换板及连接AD转换板和DA转换板的传输介质，其中：
所述AD转换板包括DSP芯片及其最小系统、AD保护电路、数字量输出测试接口、模拟量输入接口、光纤驱动电路、光发送器，其中模拟量输入接口通过AD保护电路接入DSP芯片的信号输入口，DSP芯片的13个GPIO接口一方面通过光纤驱动电路接入13个光发送器，另一方面接到数字量输出测试接口上。所述DSP芯片采用中断方式、启停模式、顺序采样实现AD转换程序；
所述DA转换板包括DA转换芯片、电源电路、光接收器、数字量输入测试接口、模拟量输出接口，其中13个光接收器和数字量输入测试接口均接入DA转换芯片的12位数据输入口和WE引脚，模拟量输出接口接到DA转换芯片的信号输出口，电源电路供电至光接收器和DA转换芯片、同时给DA转换芯片提供参考电压；
所述传输介质采用光纤，光纤一端连接AD转换板中光发送器，光纤另一端连接DA转换板中光接收器，一共需要13根光纤。
所述AD转换板中，DSP芯片采用集成有ADC的TI公司的型号为TMS320F28335的DSP芯片作为整体的控制核心和AD转换核心。
所述AD转换板中，AD保护电路包括同向串联的二极管D1和二极管D2，二极管D1、二极管D2串联后的阴极端连接VDD、阳极端接地AGND，二极管D1、D2之间引出有两路导线，其中一路导线连接至DSP芯片的信号输入口ADCINA0，另一路导线连接至模拟量输入接口，二极管D1、D2之间还通过电容C1接地AGND。
所述AD转换板中，光纤驱动电路由型号为SN75451BP的芯片U1构成，光发送器采用型号为HFBR-1414T的芯片H1，芯片U1的1引脚通过电阻R3接5V电源VDD5.0，芯片U1的2引脚接到DSP的对应GPIO口，芯片U1的3引脚接至H1的2、6和7引脚，同时通过电阻R1接到电源，芯片U1的4引脚接地，电容C8接在电源和地间；芯片H1的2、6、7引脚共接后，再通过电阻R2与芯片H1的3引脚共接接地。而光纤接于H1的光纤插孔上。以上电路共13个，传输13路数字信号。
所述DA转换板中，DA转换芯片采用型号为TLV5619的芯片U2，芯片U2的D0到D11与WE引脚分别接至对应H2的DATA引脚，芯片U2的CS、LDAC引脚接地，芯片U2的PD、VDD引脚接电源，芯片U2的GND引脚接模拟地AGND，芯片U2的REFIN引脚接电源电路产生的标准3.3V参考电平；
所述DA转换板中，光接收器采用型号为HFBR-2412T的芯片H2，芯片H2的VCC引脚连接电压VCC，芯片H2的DATA引脚接入DA转换芯片的数据输入口D0，且电源VCC与地之间连接有电容C5，芯片H2的DATA引脚与VCC引脚之间连接有电阻R6，芯片H3的COM引脚直接接地。芯片H2的DATA引脚还接入对应数字量输入测试接口。而对应光纤接于H2的光纤插孔上。以上电路共13个，传输13路数字信号。
本发明大大减小了信号延时，且精度完全满足要求，光纤收发正常。在实际使用过程中延时只有大约3us，能够满足高压电源控制系统的实际需求。
附图说明
图1为本发明整体结构原理框图。
图2为本发明AD转换板原理框图。
图3为本发明DA转换板原理框图。
图4为本发明AD转换板中AD保护电路图。
图5为本发明AD转换板中光纤驱动电路和光发送器部分电路图。
图6为本发明DA转换板中DA转换芯片电路图。
图7为本发明DA转换板中光接收器电路图。
图8为本发明输入10kHz正弦波时的输入输出波形图。
图9为本发明输入20kHz正弦波时的输入输出波形图。
图10为本发明输入20kHz三角波时的输入输出波形图。
均为有偏置电压1.5V时的输入输出波形，其中相位超前的为输入波形，滞后的为输出波形。
具体实施方式
如图1所示，一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，包括AD转换板、DA转换板及连接AD转换板和DA转换板的传输介质，其中：
如图2所示，AD转换板包括DSP芯片及其最小系统、AD保护电路、数字量输出测试接口、模拟量输入接口、光纤驱动电路、光发送器，其中模拟量输入接口通过AD保护电路接入DSP芯片的信号输入口，DSP芯片的13个GPIO接口一方面通过光纤驱动电路接入13个光发送器，另一方面接到数字量输出测试接口上。所述DSP芯片采用中断方式、启停模式、顺序采样实现AD转换程序；
如图3所示，DA转换板包括DA转换芯片、电源电路、光接收器、数字量输入测试接口、模拟量输出接口，其中13个光接收器和数字量输入测试接口均接入DA转换芯片的12位数据输入口和WE引脚，模拟量输出接口接到DA转换芯片的信号输出口，电源电路供电至光接收器和DA转换芯片、同时给DA转换芯片提供参考电压；
传输介质采用光纤，光纤一端连接AD转换板中光发送器，光纤另一端连接DA转换板中光接收器，一共需要13根光纤。
AD转换板中，DSP芯片采用集成有ADC的TI公司的型号为TMS320F28335的DSP芯片作为整体的控制核心和AD转换核心。
如图4所示，AD转换板中，AD保护电路包括同向串联的二极管D1和二极管D2，二极管D1、二极管D2串联后的阴极端连接VDD、阳极端接地AGND，二极管D1、D2之间引出有两路导线，其中一路导线连接至DSP芯片的信号输入口ADCINA0，另一路导线连接至模拟量输入接口，二极管D1、D2之间还通过电容C1接地AGND。
如图5所示，AD转换板中，光纤驱动电路由型号为SN75451BP的芯片U1构成，光发送器采用型号为HFBR-1414T的芯片H1，芯片U1的1引脚通过电阻R3接5V电源VDD5.0，芯片U1的2引脚接到DSP的对应GPIO口，芯片U1的3引脚接至H1的2、6和7引脚，同时通过电阻R1接到电源，芯片U1的4引脚接地，电容C8接在电源和地间；芯片H1的2、6、7引脚共接后，再通过电阻R2与芯片H1的3引脚共接接地。而光纤接于H1的光纤插孔上。以上电路共13个，传输13路数字信号。
如图6、图7所示，DA转换板中，DA转换芯片采用型号为TLV5619的芯片U2，芯片U2的D0到D11与WE引脚分别接至对应H2的DATA引脚，芯片U2的CS、LDAC引脚接地，芯片U2的PD、VDD引脚接电源，芯片U2的GND引脚接模拟地AGND，芯片U2的REFIN引脚接电源电路产生的标准3.3V参考电平；
DA转换板中，光接收器采用型号为HFBR-2412T的芯片H2，芯片H2的VCC引脚连接电压VCC，芯片H2的DATA引脚接入DA转换芯片的数据输入口D0，且电源VCC与地之间连接有电容C5，芯片H2的DATA引脚与VCC引脚之间连接有电阻R6，芯片H3的COM引脚直接接地。芯片H2的DATA引脚还接入对应数字量输入测试接口。而对应光纤接于H2的光纤插孔上。以上电路共13个，传输13路数字信号。
模拟量经AD保护电路输入至AD转换板上DSP的ADCINA0口，经AD转换成为12路数字量（再包含一路TLV5619的WE信号，而TLV5619的CS、LDAC可直接接地，PD可固定接高电平）后从IO口输出。13路数字量BIT0到BIT11以及WE连接至光纤驱动电路入口处。信号经过光发送器转化为光信号。将光纤连接至光发送器和DA转换板上的光接收器后，光信号通过光纤传到DA转换板并转化成电信号。电信号连接到TLV5619的数据输入引脚和WE引脚，REFIN接3.3V参考电平。最后，转换完成的模拟信号从模拟输出口输出。
本发明中，模拟量传输由模拟量AD转换后经光纤传输，然后DA转换为模拟量的方法实现。如图1所示，整个装置由AD转换板、传输介质和DA转换板三个子模块组成。
1、AD转换板：
主要包括：DSP芯片TMS320F28335最小系统、AD保护电路、模拟量输入接口、数字量输出测试接口、光纤驱动电路及光发送器。
本发明选择集成有ADC的TI公司DSP芯片TMS320F28335作为整体的控制核心和AD转换核心，其具有12位分辨率、16通道模拟输入、输入电压范围0到3V。DSP的AD转换程序中采用中断方式、启停模式、顺序采样实现，ADC时钟频率25MHz。AD保护电路及模拟量输入接口限制实际进入ADC的模拟电压在安全范围并将其送进ADC。数字量输出测试接口方便了电路的调试与检测。光纤驱动电路以芯片SN75451BP为核心，为光发送器提供足够能量。光发送器型号为HFBR-1414T，作用是根据AD转换后的数字量用“有光”和“无光”表示高低电平。AD转换后的12位数字量和DA芯片WE信号通过DSP的IO口输出。
2、传输介质：
主要指数字信号以光纤为传输介质，将信号从高压电源现场传输到控制计算机。光纤具有很强的抗干扰特性，从最终结果来看，光纤传输加上PCB的抗干扰设计有效地解决了高电压、强电磁环境下的干扰问题。
3、DA转换板：
主要包括：DA转换芯片TLV5619、电源电路、光接收器与外围电路、数字量输入测试接口及模拟量输出接口。
本发明选择了12位高速DA转换芯片TLV5619作为DA转换的核心。使用时CS和LDAC固定为低电平，PD固定为高电平，WE由DSP产生方波上升沿控制更新模拟量。供电电源为5V，DAC的参考电压为3.3V（此时输出为0到6.6V，即输入3V时输出6.6V）。光接收器型号为HFBR-2412T，配合外围电路将光信号转化为高低电平（即数字信号）。数字量输入测试接口方便了电路的调试与检测。模拟量输出接口用于接收最终信号。
如图8-图10所示，图8、图9和图10分别为输入10kHz正弦波、20kHz正弦波和20kHz三角波(均有偏置电压1.5V)时的输入输出波形，可见转换效果良好。
Claims (5)
1.一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，其特征在于：包括AD转换板、DA转换板及连接AD转换板和DA转换板的传输介质，其中：
所述AD转换板包括DSP芯片及其最小系统、AD保护电路、数字量输出测试接口、模拟量输入接口、光纤驱动电路、光发送器，其中模拟量输入接口通过AD保护电路接入DSP芯片的信号输入口，DSP芯片的13个GPIO接口一方面通过光纤驱动电路接入13个光发送器，另一方面接到数字量输出测试接口上，所述DSP芯片采用中断方式、启停模式、顺序采样实现AD转换程序；
所述DA转换板包括DA转换芯片、电源电路、光接收器、数字量输入测试接口、模拟量输出接口，其中13个光接收器和数字量输入测试接口均接入DA转换芯片的12位数据输入口和WE引脚，模拟量输出接口接到DA转换芯片的信号输出口，电源电路供电至光接收器和DA转换芯片、同时给DA转换芯片提供参考电压；
所述传输介质采用光纤，光纤一端连接AD转换板中光发送器，光纤另一端连接DA转换板中光接收器，一共需要13根光纤。
2.根据权利要求1所述的一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，其特征在于：所述AD转换板中，DSP芯片采用集成有ADC的TI公司的型号为TMS320F28335的DSP芯片作为整体的控制核心和AD转换核心。
3.根据权利要求1或2所述的一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，其特征在于：所述AD转换板中，AD保护电路包括同向串联的二极管D1和二极管D2，二极管D1、二极管D2串联后的阴极端连接VDD、阳极端接地AGND，二极管D1、D2之间引出有两路导线，其中一路导线连接至DSP芯片的信号输入口ADCINA0，另一路导线连接至模拟量输入接口，二极管D1、D2之间还通过电容C1接地AGND。
4.根据权利要求1所述的一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，其特征在于：所述AD转换板中，光纤驱动电路由型号为SN75451BP的芯片U1构成，光发送器采用型号为HFBR-1414T的芯片H1，芯片U1的1引脚通过电阻R3接5V电源VDD5.0，芯片U1的2引脚接到DSP的对应GPIO口，芯片U1的3引脚接至H1的2、6和7引脚，同时通过电阻R1接到电源，芯片U1的4引脚接地，电容C8接在电源和地间；芯片H1的2、6、7引脚共接后，再通过电阻R2与芯片H1的3引脚共接接地，而光纤接于H1的光纤插孔上，以上电路共13个，传输13路数字信号。
5.根据权利要求1所述的一种强电磁环境下的高速AD-DA转换器，其特征在于：所述DA转换板中，DA转换芯片采用型号为TLV5619的芯片U2，芯片U2的D0到D11与WE引脚分别接至对应H2的DATA引脚，芯片U2的CS、LDAC引脚接地，芯片U2的PD、VDD引脚接电源，芯片U2的GND引脚接模拟地AGND，芯片U2的REFIN引脚接电源电路产生的标准3.3V参考电平；
所述DA转换板中，光接收器采用型号为HFBR-2412T的芯片H2，芯片H2的VCC引脚连接电压VCC，芯片H2的DATA引脚接入DA转换芯片的数据输入口D0，且电源VCC与地之间连接有电容C5，芯片H2的DATA引脚与VCC引脚之间连接有电阻R6，芯片H3的COM引脚直接接地，芯片H2的DATA引脚还接入对应数字量输入测试接口，而对应光纤接于H2的光纤插孔上，以上电路共13个，传输13路数字信号。
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