CN106059584A - 一种采样电路和提高采样电路采样分辨率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及模拟与数字混合信号处理领域，特别涉及一种采样电路和提高采样电路采样分辨率的方法。所述采样电路包括运算放大器和模数转换器，所述运算放大器和模数转换器之间设有信号分压选择电路，所述信号分压选择电路用于对所述运算放大器输出的第一模拟电压信号进行分压，并对分压后的模拟电压信号进行选择，输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。本发明通过在运算放大器和模数转换器之间设置信号分压选择电路，并增大运算放大器的输出范围，可以实现在不增加ADC采样位数的情况下提高整体采样电路的分辨率，从而扩大采样电路的电流检测范围，同时降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及模拟与数字混合信号处理领域，特别涉及一种采样电路和提高采样电路采样分辨率的方法。
背景技术
在电机控制领域，电流闭环是最基本的控制模式，所有的其它闭环都是建立在电流闭环的基础上，所以系统电流闭环的结果会直接影响整个电机控制的效果，而电流闭环又是建立在最基本的电流信号采样基础上的。现有技术最普遍的做法是在电流回路中串接一只精密电流采样电阻，当有电流流过时会在电阻两端产生一个电压降，通过运算放大电路及模数转换电路ADC的放大及数字化，控制器就可以得到相应的电流值。在整个采样过程中，影响采样电流精确度的因素有两个方面:
1、运算放大器的增益配置；
2、模数转换器ADC的分辨率，即ADC Resolution。
在运算放大器的增益确定，数模转换器的分辨率也确定的情况下，很容易可以计算出采样电路的采样分辨率。以一个增益为10倍的运算放大器和10位ADC组成的采样电路为例，10位ADC的参考电压Vref为1.18V，因此所述10位ADC的分辨率LSB＝1.18V/210＝1.15mV，再对应到运算放大器的输入端，相当于该采样电路最小分辨率为1.15mV，即115uV的电压信号，这时ADC输出为1；对于低于115uV的信号，这个采样电路输出为0。另一方面，从最大电压看，ADC的10位数据全输出为1，则相当于运算放大器的输出电压为1.18V，因此这个采样电路的输入信号动态范围就为115uV～1.18V，否则就超出了采样电路的检测范围。
这个结果看起来不错，但是在实例中，电机既有工作在极低速、极低电流的状态，又可能会加速到高速、大电流的状态，动态范围可能需要成倍的增加，否则会顾了低速则高速饱和，顾了高速则低速采样不到，因此需要提供一种方法，在不更改ADC模数转换器分辨率的情况下提高采样电路整体的分辨率，从而达到扩大采样电路电流检测范围的目的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采样电路和提高采样电路采样分辨率的方法，解决了现有技术中的上述问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种采样电路，包括运算放大器和模数转换器，所述运算放大器和模数转换器之间设有信号分压选择电路，所述信号分压选择电路用于对所述运算放大器输出的第一模拟电压信号进行分压，并对分压后的模拟电压信号进行选择，输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
本发明的有益效果是：本发明通过在运算放大器和模数转换器之间设置信号分压选择电路，并增大运算放大器的输出范围，可以实现在不增加ADC采样位数的情况下提高整体采样电路的分辨率，从而扩大采样电路的电流检测范围，避免采用更高分辨率的模数转换器，节省了成本。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述信号分压选择电路包括分压电路和模拟多路选择器，所述分压电路连接所述运算放大器的输出端，用于对所述第一模拟电压信号进行分压，并输出分压后的第二模拟电压信号；
所述模拟多路选择器输入端分别连接所述运算放大器和所述分压电路的输出端，用于接收所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号，在所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中选择并输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
进一步，所述分压电路和所述模拟多路选择器之间还设有比较器，所述比较器第一输入端连接所述运算放大器的输出端，第二输入端连接基准电压，所述比较器的输出端连接到所述模拟多路选择器。
采用上述进一步方案的有益效果是：本进一步技术方案采用了比较器对第一模拟电压信号和第二模拟电压信号进行选择，直接控制模拟多路选择器的输出，不需软件参与就可输出有效的模拟电压信号，即所述有效的模拟电压信号可以高速的通过所述模拟多路选择器。
进一步，所述第一电阻和第二电阻均为高精度电阻。
采用上述进一步方案的有益效果是：本进一步技术方案采用了高精度电阻组成电阻分压电路，可以保证第一电阻和第二电阻的一致性，从而实现分压电路的分压效果。
进一步，所述运算放大器、比较器、信号分压选择电路和所述模数转换器均集成在同一芯片中。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用本进一步技术方案可以简化电路，提高集成度。
一种提高采样电路采样分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，增大所述运算放大器输出的第一模拟电压信号的电压范围；
步骤2，对所述第一模拟电压信号进行分压，并输出分压后的第二模拟电压信号；
步骤3，采集所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号，并在所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中选择不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
本发明的有益效果是：本发明的方法使运算放大器的最大输出值从所述模数转换器的参考电压提高到所述运算放大器满摆幅对应的最高输出电压，从而实现了在不增加ADC采样位数的情况下提高整体采样电路的分辨率，扩大了采样电路的电流检测范围的同时，降低了成本。
进一步，步骤1中，所述运算放大器的供电电压高于所述模数转换器的参考电压一倍以上。
进一步，所述第一模拟电压信号的电压值≤所述运算放大器的最高输出电压。
进一步，步骤2中，当第一模拟电压信号的电压达到所述模数转换器的参考电压时，采用所述第二模拟电压信号的电压值作为所述模数转换器的输入信号。
进一步，步骤3中，当第一模拟电压信号的电压>所述模数转换器的参考电压时，选择并输出所述第二模拟电压信号；当第一模拟电压信号的电压≤所述模数转换器的参考电压时，选择并输出所述第一模拟电压信号。
采用上述进一步方案的有益效果是：本进一步的技术方案对第一模拟电压信号进行分压得到第二模拟电压信号，并保证当第一模拟电压信号的电压值超过了模数转换器的参考电压时，所述第二模拟电压信号的电压值在所述模数转换器的参考电压范围内，从而可以根据情况在第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中进行选择，实现了在不增加ADC采样位数的情况下提高整体采样电路的分辨率，扩大了采样电路的电流检测范围的同时，降低了成本。
附图说明
图1为本发明一种采样电路的结构示意图；
图2为本发明一种提高采样电路采样分辨率的方法的流程示意图；
图3为本实施例1的采样电路的电路示意图；
图4为本实施例2的采样电路的电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明一种采样电路的结构示意图，包括依次连接的运算放大器、信号分压选择电路和模数转换器，所述信号分压选择电路用于对所述运算放大器输出的第一模拟电压信号进行分压并采样，输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。本实施例中，所述信号分压选择电路包括电阻分压电路和模拟多路选择器，所述电阻分压电路包括两个串联的第一电阻和第二电阻，用于对所述第一模拟电压信号进行分压，并输出分压后的第二模拟电压信号，即第二电阻两端的模拟电压信号。所述模拟多路选择器输入端分别连接所述运算放大器和所述分压电路的输出端，用于接收所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号，在所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中选择并输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
如图2所示，为本发明一种提高采样电路采样分辨率的方法的流程示意图，包括以下步骤：
步骤1，增大所述运算放大器输出的第一模拟电压信号的电压范围。本步骤中，通过改变所述运算放大器的增益系数，使所述第一模拟电压信号的电压值达到所述运算放大器满摆幅对应的最高输出电压。
步骤2，对所述第一模拟电压信号进行分压，并输出分压后的第二模拟电压信号。本步骤中，当第一模拟电压信号的电压达到运算放大器的最高输出电压时，所述第二模拟电压信号的电压值为所述模数转换器的参考电压。
步骤3，采集所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号，并在所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中选择并输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。当第一模拟电压信号的电压>所述模数转换器的参考电压时，选择并输出所述第二模拟电压信号；当第一模拟电压信号的电压≤所述模数转换器的参考电压时，选择并输出所述第一模拟电压信号。
以下通过实施例1对上述步骤进行具体说明，图3为本实施例1采样电路的电路示意图，其中所述信号分压选择电路包括电阻分压电路和二选一模拟多路选择器，所述二选一模拟多路选择器上连接一个控制单元MCU，所述控制单元MCU接收ADC的输出并比较第一模拟电压信号与所述模数转换器参考电压的大小，并控制二选一模拟多路选择器的输出。所述电阻分压电路包括两个串联的第一电阻R4和第二电阻R5，所述第二模拟电压信号为R5两端的模拟电压信号。
本实施例以最高输出电压为3.3V的运算放大器和10位ADC进行说明。由于运算放大器的最高输出电压为3.3V，而ADC的参考电压为1.18V，此时可以重新设置运算放大器的增益，保证在最大输入信号下，运算放大器输出满幅值，即+3.3V。同时精确设计R4和R5阻值，保证当运算放大器输出的第一模拟电压信号的电压值为3.3V时，所述第二电阻两端的第二模拟电压信号电压值为1.18V；当运算放大器输出的第一模拟电压信号的电压值为1.18V时，所述第二模拟电压信号的电压值为0.421V。所述二选一模拟多路选择器按照以下逻辑输出有效的模拟电压信号：
当运算放大器输出电压为(1.18～3.3)时，R5两端电压范围为(0.42～1.18)时，此时采用R5两端电压对应的第二模拟电压信号作为模数转换器的输入电压；
当运算放大器输出电压为(1.15mv～1.18v)时，R5两端电压小于0.42V，此时采用运算放大器的输出的第一模拟电压信号作为模数转换器的输入电压。
这样相当于把整个电流检测动态范围扩大到了3.3V/1.18V，即2.8倍，从整体采样电路来看，相当于把电压采样分辨率提高到了原来的2.8倍，因此实现了本发明的技术效果，可以极大改善电机低速小电流状态下的控制稳定性，提高整机性能。
图4为实施例2的采样电路的电路示意图，与实施例1相比，本实施例在分压电路和模拟多路选择器之间增加了比较器，所述比较器第一输入端采集第一模拟电压信号IN1，第二输入端连接基准电压，本实施例中，所述基准电压为1.18V，所述比较器比较第一模拟电压信号IN1和1.18V的大小，当第一模拟电压信号IN1大于1.18V时，ADC自动选择第二模拟电压信号IN2，否则选择信号第一模拟电压信号IN1。
本发明中，由于两个模拟电压信号是采用分时方式分别采样，因而可能会出现采样到的两个两个模拟电压信号的电压值不能正确反映当时的实际同步电压值。由于电机控制的电流变化没有这么高的频率，而高速ADC及控制器都能在远高于电流频率的情况下采样两种电压，基本可以忽略不计这个时延引起的采样误差。
本发明通过在运算放大器和模数转换器之间设置信号分压选择电路，并增大运算放大器的输出范围，可以实现在不增加ADC采样位数的情况下提高整体采样电路的分辨率，从而扩大采样电路的电流检测范围，同时降低了成本。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种采样电路，包括运算放大器和模数转换器，其特征在于，所述运算放大器和模数转换器之间设有信号分压选择电路，所述信号分压选择电路用于对所述运算放大器输出的第一模拟电压信号进行分压，并对分压后的模拟电压信号进行选择，输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
2.根据权利要求1所述的采样电路，其特征在于，所述信号分压选择电路包括分压电路和模拟多路选择器，
所述分压电路连接所述运算放大器的输出端，用于对所述第一模拟电压信号进行分压，并输出分压后的第二模拟电压信号；
所述模拟多路选择器输入端分别连接所述运算放大器和所述分压电路的输出端，用于接收所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号，在所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中选择并输出不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
3.根据权利要求2所述的采样电路，其特征在于，所述分压电路和所述模拟多路选择器之间还设有比较器，所述比较器第一输入端连接所述运算放大器的输出端，第二输入端连接基准电压，所述比较器的输出端连接到所述模拟多路选择器。
4.根据权利要求2或3所述的采样电路，其特征在于，所述分压电路为电阻分压电路，所述电阻分压电路包括两个串联的第一电阻和第二电阻，所述第二模拟电压信号为第二电阻两端的模拟电压信号。
5.根据权利要求4所述的采样电路，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻均为高精度电阻。
6.一种提高采样电路采样分辨率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，增大所述运算放大器输出的第一模拟电压信号的电压范围；
步骤2，对所述第一模拟电压信号进行分压，并输出分压后的第二模拟电压信号；
步骤3，采集所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号，并在所述第一模拟电压信号和第二模拟电压信号中选择不超过所述模数转换器参考电压的模拟电压信号。
7.根据权利要求6所述的提高采样电路采样分辨率的方法，其特征在于，步骤1中，所述运算放大器的供电电压高于所述模数转换器的参考电压一倍以上。
8.根据权利要求7所述的提高采样电路采样分辨率的方法，其特征在于，所述第一模拟电压信号的电压值≤所述运算放大器的最高输出电压。
9.根据权利要求7或8所述的提高采样电路采样分辨率的方法，其特征在于，步骤2中，当第一模拟电压信号的电压达到所述模数转换器的参考电压时，采用所述第二模拟电压信号的电压值作为所述模数转换器的输入信号。
10.根据权利要求9所述的提高采样电路采样分辨率的方法，其特征在于，步骤3中，当第一模拟电压信号的电压>所述模数转换器的参考电压时，选择并输出所述第二模拟电压信号；当第一模拟电压信号的电压≤所述模数转换器的参考电压时，选择并输出所述第一模拟电压信号。
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