CN106571826A - 一种提高单片机模数转换器动态范围的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高单片机模数转换器动态范围的系统和方法。一种提高单片机模数转换器动态范围的系统包括输入信号调理模块、输出信号调理模块和控制信号生成模块。提高单片机模数转换器动态范围的方法包括1、单片机系统初始化；2、初始化定时器，单片机输出满足采样频率的脉冲信号；3、初始化内部模数转换器；4、进行数据转换；5、若模数转换正在进行中转入步骤6，否则转入步骤7；6、等待模数转换结束；7、读取本次模数转换的信号分段标识；8、读取数据；9、再次启动模数转换；10、查找事先存储在单片机存储器中的模数转换表得到本次模数转换的结果；11、对本次模数转换的结果进行处理；12、转入步骤6等待下一次模数转换结束。

Description

一种提高单片机模数转换器动态范围的系统和方法

技术领域

本发明涉及模数转换技术领域，特别涉及一种提高单片机模数转换器动态范围的系统和方法。

背景技术

数据采集系统将实时变化的各种物理量，如温度、压力、流量等，首先经过各种传感器和变换器变成电压信号，然后经过模数转换器变成数字信号，最后送到单片机或其它计算机系统进行运算、显示、打印、控制等处理。

现在很多单片机内部已经嵌入了模数转换器，简化了硬件设计，但是这种模数转换器的位数一般不超过12位，满足不了一些要求较高的应用需求。以采集信号的动态范围为例，单片机内部12位模数转换器的采集信号的线性动态范围大约在60dB左右。但在声学、振动测量领域中被测信号的动态范围可达120dB以上；在地震观测和地球物理勘探工程中被测信号的动态范围达到160dB以上。显然，仅仅依靠单片机内部模数转换器实施数据采集，动态范围远远满足不了要求。因此，单片机内部模数转换器位数不足已成为基于单片机的高分辨率和宽动态范围数据采集系统的发展瓶颈。

为了提高采集信号的动态范围，一般可采取以下方法：

(1)采用外部前置对数放大器：模拟信号连接单片机内部模数转换器前，先经过一个对数放大器将模拟信号的最大信号电平压缩到单片机内部模数转换器的量程之内，再连接至单片机内部模数转换器进行采样，实现了采集信号动态范围的提高。采用这种方法的问题有二个：一个是由于对数放大器的非线性会残留到模数转换器的采样输出中，因此对对数放大器的线性度有着很高的要求；二是对数放大器在零附件方向并且趋于无穷的特性需要特别的处理，这增加了实现难度。

(2)采用外接高分辨率模数转换器

现代基于∑-ΔAD转换技术的高性能24位数据采集器的动态范围的RMS值一般可以达到130dB左右，美国TI公司已有精度达到32位的产品ADS1262和ADS1263。由于这些数模转换器采用串口或SPI接口输出采集数据，所以在单片机应用时采样速率不可能高，再加上价格贵，难于满足工业控制等应用场合的需求。

(3)采用多路单片机模数转换器

这种方法首先将待测模拟信号同时接入多个具有不同放大倍数的放大器进行不等幅度的缩放，然后将经过幅度缩放之后的每一路信号分别连接至单片机内部多路模数转换器中的一路，再后对已连接的多路模数转换器同时进行采样，最后从多路采集数据中选择一路数据作为本次采集的有效采集数据。采用这种方法的问题有二个：一是一路采集信号占用了多路数模转换器资源；二是多路模数转换器同时采样降低了模数转换的信号带宽。

(4)采用两次采样的模数转换方法

两次采用模数转换又称为动态刻度扩展方法。该方案的特点是利用一个低精度的模数转换器先对被测电压进行一次粗测，然后再精确地测出粗测时的误差值，最后将2次测量的结果按权相加，即可得到高准确度的测量结果。采用这种方法的问题有二个：一是数模转换的准确度依赖于一个具有更高准确度的数模转换器以及更高精度的误差信号求解电路；二是两次转换降低了模数转换的信号带宽。

根据对科技文献和专利申请资料的检索，未见关于提高单片机内部模数转换器动态范围的电路和方法方面的相关资料。

根据检索的科技文献和专利申请资料，查有关于提高模数转换器动态范围方面的电路和方法方面的相关资料，其中代表性的包括：

(1)皇家飞利浦电子股份有限公司申请的发明专利(申请号：200580035325.2)“模数转换的方法和设备”，所述模数转换单元包括具有不同动态范围的三个模数转换器(ADC)。最低动态范围ADC与中间范围ADC具有饱和检测器SAT，用于在输入模拟信号的幅度达到它们各自的动态范围并使它们饱和时输出信号。中间动态范围ADC和最高动态范围ADC具有用于接通它们的使能输入EN。最低动态范围ADC的饱和检测器SAT的输出连接到中间动态范围ADC的使能输入EN。中间动态范围ADC的饱和检测器SAT的输出连接到最高动态范围ADC的使能输入EN。在中间和最高动态范围ADC正常切断时，当最低动态范围ADC饱和时，接通中间动态范围ADC；当中间范围ADC饱和时，接通最高范围ADC。

(2)杭州腾振科技有限公司申请的发明专利(申请号：201410722022.9)“一种高动态范围的模数转换电路”，所述的模数转换电路包括连接与传感器信号输入的调理电路，所述调理电路通过之后连接的模数转换器相连于信号处理器；所述的调理电路包括两路并联的、具有不同量程的调理电路，两路调理电路之后各自相接有一24位模数转换器，由所述两路模数转换器同时对各自的输入信号进行采样，并在采样后将信号数据送至后面相连的信号处理器；所述的调理电路由放大电路、单端转差分电路及抗混叠滤波电路组成，其中，所述的放大电路将传感器送来的信号进行放大或缩小，使之与模数转换器的测量范围一致；所述的单端转差分电路将放大电路放大或缩小的信号转成差分信号，以满足模数转换器对输入信号的要求；所述的抗混叠滤波电路将测量带宽外的信号滤除，以防在模数转换时产生噪声混叠。

(3)电子科技大学申请的发明专利(申请号：201410369699.9)“一种提高模数转换器动态范围的装置和方法”，所述的装置和方法包括AGC功分模块、模数转换器ADC1、数字移相增益模块、模拟延时器1、高动态数模转换模块、加法器、滤波放大电路、模拟延时器2、模数转换器ADC2、数字延时器、联合器、参数搜索/估计模块和控制接口模块。

(4)陕西海泰电子有限责任公司申请的发明专利(申请号：201510891681.X)“一种提高数据采集系统动态范围的方法”，包括如下步骤：将数据采集系统接收的模拟信号等份为n路并行信号，其中n≥2；将n路并行信号分别进行不等的幅度缩放，将经幅度缩放之后的每一路信号均分别连接一个ADC；对多路ADC并行采样量化后的数据，在数字域通过对应的幅度恢复及数据动态重构算法重新恢复成单路采样信号。

但是上述技术方案均存在以下问题：

(1)没有涉及提高单片机内部模数转换器动态范围的调理系统和方法；

(2)为了提高模数转换器的动态范围，一路模拟量信号经过分段后连接多路模数转换器；

(3)为了提高模数转换器的动态范围，一次采集需要进行多次采样或者多路采样。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的在于公开一种提高单片机模数转换器动态范围的系统。本发明的第二个目的在于公开一种提高单片机模数转换器动态范围的方法。

技术方案：一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，包括输入信号调理模块、输出信号调理模块和控制信号生成模块，

所述输入信号调理模块的输出端与输出信号调理模块的输入端相连，

所述输入信号调理模块的输出端与控制信号生成模块的输入端相连，

所述控制信号生成模块的输出端与输出信号调理模块的输入端相连。

进一步地，所述的输入信号调理模块包括：

输入信号阻抗匹配电路，用于匹配噪声传感器和传输线之间的阻抗，减少信号反射和避免信号振荡；

电阻衰减网络，用于将模拟量输入信号的幅值由低到高分为低段信号、中低段信号、中段信号和高段信号；

低段信号放大器，用于放大低段信号；

中低段信号放大器，用于放大中低段信号；

中段信号放大器，用于放大中段信号；

高段信号放大器，用于放大高段信号；

所述输入信号阻抗匹配电路的输出端与所述电阻衰减网络的输入端相连，

所述电阻衰减网络的输出段分别与所述低段信号放大器的输入端、所述中低段信号放大器的输入端、所述中段信号放大器的输入端、所述高段信号放大器的输入端相连。

进一步地，所述的输出信号调理模块包括：

选择器，用于在一个四路模拟信号中任意选择一路信号，

信号隔离直流电路，用于滤除信号中的直流成分；

第一信号电平抬升电路，用于将负电压信号抬升至0V以上以满足单片机内部模数转换器只能采集正电压信号的要求；

采样保持器，用于跟踪和保持采集信号的电压值以满足高精度采集需要；

所述选择器的输入端与所述信号隔离直流电路的输入端相连，

所述信号隔离直流电路的输出端与所述第一信号电平抬升电路的输入端相连，

所述第一信号电平抬升电路的输出端与所述采样保持器的输入端相连。

更进一步地，所述选择器设有选择端S0、选择端S1和输出端C，选择端S0、选择端S1用于选择四路模拟量输入信号中的哪一路信号与输出端C连通。

当S0为低电平且S1为低电平时，输入信号0与输出端C连通；

当S0为低电平且S1为高电平时，输入信号1与输出端C连通；

当S0为高电平且S1为低电平时，输入信号2与输出端C连通；

当S0为高电平且S1为高电平时，输入信号3与输出端C连通。

进一步地，所述的控制信号生成模块包括低段信号饱和检测器、中低段信号饱和检测器、中段信号饱和检测器、锁存器和编码器，

所述低段信号饱和检测器的输出端、所述中低段信号饱和检测器的输出端、所述中段信号饱和检测器均与所述锁存器的输入端相连，

所述锁存器的输出端与所述编码器的输入端相连。

更进一步地，低段信号饱和检测器、中低段信号饱和检测器、中段信号饱和检测器的电路组成和参数完全相同，其包括隔离信号直流成分电路、第二信号电平抬升电路和迟滞比较器电路，

所述隔离信号直流成分电路的输出端与所述第二信号电平抬升电路的输入端相连，

所述第二信号电平抬升电路的输出端与所述迟滞比较器电路的输入端相连。

一种提高单片机模数转换器动态范围的方法，采用上述提高单片机模数转换器动态范围的系统，包括以下步骤：

1、单片机系统初始化，进入步骤2；

2、根据模数转换器采样频率要求初始化定时器，单片机从内部定时器输出口CTC输出满足采样频率的脉冲信号，进入步骤3；

3、初始化内部模数转换器，进入步骤4；

4、启动内部模数转换器进行数据转换，进入步骤5；

5、如果模数转换正在进行中而没有结束，转入步骤6；否则，转入步骤7；

6、等待模数转换结束，转入步骤5；

7、从数字输入口读取本次模数转换的信号分段标识，进入步骤8；

8、读出单片机内部模数转换器结果寄存器中的数据，进入步骤9；

9、再次启动模数转换，进入步骤10；

10、根据采集得到的信号分段标识和模数转换结果数据，查找事先存储在单片机存储器中的模数转换表得到本次模数转换的结果数据，进入步骤11；

11、对本次模数转换的结果数据进行数据处理，进入步骤12；

12、转入步骤6，等待下一次模数转换结束。

有益效果：本发明公开的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统和方法具有以下有益效果：

(1)提高单片机内部模数转换器的动态范围

采用本发明提供的系统可以提高单片机内部模数转换器的动态范围；

(2)提高了采集信号的动态范围又没有降低信号的采样率

如图7所示，采用本发明提供的系统和方法，无需单片机和其它系统和人为的任何干预而自动选择输出不失真的分段模拟信号，并且采集一路信号只占据一路模数转换器、只需读取一次这路模数转换器的结果数据便可得到大动态范围信号的采样结果；

(3)模数转换结果的查表方法

根据分段信号标识和模数转换结果寄存器数据采用查表方法获得模数转换的结果，这种方法灵活方便，可根据不同应用设置不同的表格，例如，在声级计应用中，可以直接设置电压采样值的平方表，那么可以从信号电压采样值查表直接得到信号电压平方值；又例如，测量电流的方法是先采集采样电阻的两端电压再换算成电流，采用本发明的查表方法，可直接设置电压电流对照表，那么可以从信号电压采样值查表直接得到电流值。

附图说明

图1为本发明公开的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统的结构示意框图；

图2为输入信号调理模块的结构示意图；

图3为输出信号调理模块的结构示意图；

图4为控制信号生成模块的结构示意图；

图5为低段信号饱和检测器的结构示意图；

图6为本发明公开的一种提高单片机模数转换器动态范围的方法的流程图；

图7为本发明公开的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统与单片机的连接示意图；

其中：

10-提高单片机模数转换器动态范围的系统

100-输入信号调理模块

110-输入信号阻抗匹配电路

120-电阻衰减网络 130-低段信号放大器

131-中低段信号放大器 132-中段信号放大器

133-高段信号放大器

200-输出信号调理模块

210-选择器 220-信号隔离直流电路

230-第一信号电平抬升电路 240-采样保持器

300-控制信号生成模块

310-低段信号饱和检测器 311-中低段信号饱和检测器

312-中段信号饱和检测器 320-锁存器

321-编码器

330-隔离信号直流成分电路 340-第二信号电平抬升电路

350-迟滞比较器电路

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

如图1～5所示，一种提高单片机模数转换器动态范围的系统10，包括输入信号调理模块100、输出信号调理模块200和控制信号生成模块300，

输入信号调理模块100的输出端与输出信号调理模块200的输入端相连，

输入信号调理模块100的输出端与控制信号生成模块300的输入端相连，

控制信号生成模块300的输出端与输出信号调理模块200的输入端相连。

进一步地，输入信号调理模块100包括：

输入信号阻抗匹配电路110，用于匹配噪声传感器和传输线之间的阻抗，减少信号反射和避免信号振荡；

电阻衰减网络120，用于将模拟量输入信号的幅值由低到高分为低段信号、中低段信号、中段信号和高段信号；

低段信号放大器130，用于放大低段信号；

中低段信号放大器131，用于放大中低段信号；

中段信号放大器132，用于放大中段信号；

高段信号放大器133，用于放大高段信号；

输入信号阻抗匹配电路110的输出端与电阻衰减网络120的输入端相连，

电阻衰减网络120的输出段分别与低段信号放大器130的输入端、中低段信号放大器131的输入端、中段信号放大器132的输入端、高段信号放大器133的输入端相连。

进一步地，输出信号调理模块200包括：

选择器210，用于在一个四路模拟信号中任意选择一路信号，

信号隔离直流电路220，用于滤除信号中的直流成分；

第一信号电平抬升电路230，用于将负电压信号抬升至0V以上以满足单片机内部模数转换器只能采集正电压信号的要求；

采样保持器240，用于跟踪和保持采集信号的电压值以满足高精度采集需要；

选择器210的输入端与信号隔离直流电路220的输入端相连，

信号隔离直流电路220的输出端与第一信号电平抬升电路230的输入端相连，

第一信号电平抬升电路230的输出端与采样保持器240的输入端相连。

更进一步地，选择器210设有选择端S0、选择端S1和输出端C，选择端S0、选择端S1用于选择四路模拟量输入信号中的哪一路信号与输出端C连通。

当S0为低电平且S1为低电平时，输入信号0与输出端C连通；

当S0为低电平且S1为高电平时，输入信号1与输出端C连通；

当S0为高电平且S1为低电平时，输入信号2与输出端C连通；

当S0为高电平且S1为高电平时，输入信号3与输出端C连通。

进一步地，控制信号生成模块300包括低段信号饱和检测器310、中低段信号饱和检测器311、中段信号饱和检测器312、锁存器320和编码器321，

低段信号饱和检测器310的输出端、中低段信号饱和检测器311的输出端、中段信号饱和检测器312均与锁存器320的输入端相连，

锁存器320的输出端与编码器321的输入端相连。

更进一步地，低段信号饱和检测器310、中低段信号饱和检测器311、中段信号饱和检测器312的电路组成和参数完全相同，其包括隔离信号直流成分电路330、第二信号电平抬升电路340和迟滞比较器电路350，

隔离信号直流成分电路330的输出端与第二信号电平抬升电路340的输入端相连，

第二信号电平抬升电路340的输出端与迟滞比较器电路350的输入端相连。

如图6所示，一种提高单片机模数转换器动态范围的方法，采用上述提高单片机模数转换器动态范围的系统10，包括以下步骤：

1、单片机系统初始化，进入步骤2；

2、根据模数转换器采样频率要求初始化定时器，单片机从内部定时器输出口CTC输出满足采样频率的脉冲信号，进入步骤3；

3、初始化内部模数转换器，进入步骤4；

4、启动内部模数转换器进行数据转换，进入步骤5；

5、如果模数转换正在进行中而没有结束，转入步骤6；否则，转入步骤7；

6、等待模数转换结束，转入步骤5；

7、从数字输入口读取本次模数转换的信号分段标识，进入步骤8；

8、读出单片机内部模数转换器结果寄存器中的数据，进入步骤9；

9、再次启动模数转换，进入步骤10；

10、根据采集得到的信号分段标识和模数转换结果数据，查找事先存储在单片机存储器中的模数转换表得到本次模数转换的结果数据，进入步骤11；

11、对本次模数转换的结果数据进行数据处理，进入步骤12；

12、转入步骤6，等待下一次模数转换结束。

使用时，模拟量输入信号接入输入信号阻抗匹配电路110，经过电阻衰减网络120将模拟量输入信号分为四段：低段信号、中低段信号、中段信号和高段信号，这四路信号分别经过四个独立的0～80dB增益的信号放大器且输出满足单片机内部模数转换器量程要求的四路信号A₀、A₁、A₂和A₃，A₀、A₁和A₂接入控制信号生成模块300，A₀、A₁、A₂和A₃接入输出信号调理模块200；

根据具体使用要求，合理选择电阻衰减网络120中各个电阻的值，使得低段信号和中低段信号之间、中低段信号和中段信号之间、中段信号和高段信号之间有部分信号是重叠的。

输入信号调理模块100的输出A₀接入低段信号饱和检测器310并输出检测结果逻辑电平信号D₀，

低段信号饱和检测器310所含第二电平抬升电路340的电平抬升幅度为V_CC的一半，计算公式如下：

其中：R₁＝R_f，R₂＝3R₃，V_CC是迟滞比较器电路350的工作电压。

低段信号饱和检测器310所含迟滞比较器电路350的检测输入信号u_i上升的门限电平V_TH1和检测输入信号u_i下降的门限电平V_TH2的计算公式如下：

其中，R₁＝R₄，R₂＝R₃，且R₁的阻值远大于R₂的阻值。

如果输入信号u_i上升过程中的电压超过V_TH1，D₀输出逻辑高电平；如果输入信号u_i下降过程中的电压低于V_TH2，D₀输出逻辑低电平；其它情况D₀输出保持不变。

输入信号调理模块100的输出A₁接入中低段信号饱和检测器311并输出检测结果逻辑电平信号D₁，

中低段信号饱和检测器311所含第二电平抬升电路340的电平抬升幅度为V_CC的一半，计算公式如下：

其中：R₁＝R_f，R₂＝3R₃，V_CC是迟滞比较器电路350的工作电压。

中低段信号饱和检测器311所含迟滞比较器电路350的检测输入信号u_i上升的门限电平V_TH1和检测输入信号u_i下降的门限电平V_TH2的计算公式如下：

其中，R₁＝R₄，R₂＝R₃，且R₁的阻值远大于R₂的阻值。

如果输入信号u_i上升过程中的电压超过V_TH1，D₁输出逻辑高电平；如果输入信号u_i下降过程中的电压低于V_TH2，D₁输出逻辑低电平；其它情况D₁输出保持不变。

输入信号调理模块100的输出A₂接入中段信号饱和检测器312并输出检测结果逻辑电平信号D₂，

中段信号饱和检测器312所含第二电平抬升电路340的电平抬升幅度为V_CC的一半，计算公式如下：

其中：R₁＝R_f，R₂＝3R₃，V_CC是迟滞比较器电路350的工作电压。

中段信号饱和检测器310所含迟滞比较器电路350的检测输入信号u_i上升的门限电平V_TH1和检测输入信号u_i下降的门限电平V_TH2的计算公式如下：

其中，R₁＝R₄，R₂＝R₃，且R₁的阻值远大于R₂的阻值。

如果输入信号u_i上升过程中的电压超过V_TH1，D₂输出逻辑高电平；如果输入信号u_i下降过程中的电压低于V_TH2，D₂输出逻辑低电平；其它情况D₂输出保持不变。

D₀、D₁和D₂在外部输入脉冲CLK上升沿的锁存进锁存器320并分别输出逻辑电平信号Q₀、Q₁和Q₂，Q₀、Q₁和Q₂进入编码器321生成编码逻辑电平信号C₀和C₁，编码规则如下：低段信号或中低段信号或中段信号或高端信号

C₁＝Q₁Q₀ (11)

C₁和C₀一方面作为调理系统的输出信号作为分段信号段标识表示本次进行模数转换的信号来自低段信号或中低段信号或中段信号或高端信号。如果C₁和C₀均为逻辑低电平表示本次进行模数转换的信号来自低段信号，如果C₁为逻辑低电平而C₀为逻辑高电平表示本次进行模数转换的信号来自中低段信号，如果C₁为逻辑高电平而C₀为逻辑低电平表示本次进行模数转换的信号来自中段信号，如果C₀和C₁均为逻辑高电平表示本次进行模数转换的信号来自高段信号。

C₁和C₀另一方面作为四路模拟信号选一路的选择器210的选择控制信号S₁和S₀。输入信号调理模块100的输出A₀接入四路模拟信号选一路的选择器210的L端、输入信号调理模块100的输出A₁接入四路模拟信号选一路的选择器210的ML端、输入信号调理模块100的输出A₂接入四路模拟信号选一路的选择器210的M端、输入信号调理模块100的输出A₃接入四路模拟信号选一路的选择器210的H端。当C₁和C₀均为逻辑低电平四路模拟信号选一路的选择器210的输出C端连通输入L端，如果C₁为逻辑低电平而C₀为逻辑高电平四路模拟信号选一路的选择器210的输出C端连通输入ML端，如果C₁为逻辑高电平而C₀为逻辑低电平四路模拟信号选一路的选择器210的输出C端连通输入M端，如果C₀和C₁均为逻辑高电平四路模拟信号选一路的选择器210的输出C端连通输入H端。四路模拟信号选一路的选择器210的输出C端信号经过一个信号隔离直流电路220滤除信号中的直流成分，再经过一个第一信号电平抬升电路230将信号电平抬升到单片机内部模数转换器的输入范围内并输出至一个采样保持器240的信号输入端，电平抬升电路230的电平抬升幅度为V_REF的一半，计算公式如下：

其中：R₁＝R_f，R₂＝3R₃，V_REF是单片机内部模数转换器的参考电压。

在外部输入脉冲CLK的作用下采样保持器240采样并保持数模转换器输入端的电压信号并连接至一个单片机内部模数转换器端口。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，包括输入信号调理模块、输出信号调理模块和控制信号生成模块，

所述输入信号调理模块的输出端与输出信号调理模块的输入端相连，

所述输入信号调理模块的输出端与控制信号生成模块的输入端相连，

所述控制信号生成模块的输出端与输出信号调理模块的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，所述的输入信号调理模块包括：

输入信号阻抗匹配电路，用于匹配噪声传感器和传输线之间的阻抗，减少信号反射和避免信号振荡；

电阻衰减网络，用于将模拟量输入信号的幅值由低到高分为低段信号、中低段信号、中段信号和高段信号；

低段信号放大器，用于放大低段信号；

中低段信号放大器，用于放大中低段信号；

中段信号放大器，用于放大中段信号；

高段信号放大器，用于放大高段信号；

所述输入信号阻抗匹配电路的输出端与所述电阻衰减网络的输入端相连，

所述电阻衰减网络的输出段分别与所述低段信号放大器的输入端、所述中低段信号放大器的输入端、所述中段信号放大器的输入端、所述高段信号放大器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，所述的输出信号调理模块包括：

选择器，用于在一个四路模拟信号中任意选择一路信号，

信号隔离直流电路，用于滤除信号中的直流成分；

第一信号电平抬升电路，用于将负电压信号抬升至0V以上以满足单片机内部模数转换器只能采集正电压信号的要求；

采样保持器，用于跟踪和保持采集信号的电压值以满足高精度采集需要；

所述选择器的输入端与所述信号隔离直流电路的输入端相连，

所述信号隔离直流电路的输出端与所述第一信号电平抬升电路的输入端相连，

所述第一信号电平抬升电路的输出端与所述采样保持器的输入端相连。

4.根据权利要求3所述的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，所述选择器设有选择端S0、选择端S1和输出端C，选择端S0、选择端S1用于选择四路模拟量输入信号中的哪一路信号与输出端C连通。

5.根据权利要求1所述的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，所述的控制信号生成模块包括低段信号饱和检测器、中低段信号饱和检测器、中段信号饱和检测器、锁存器和编码器，

所述低段信号饱和检测器的输出端、所述中低段信号饱和检测器的输出端、所述中段信号饱和检测器均与所述锁存器的输入端相连，

所述锁存器的输出端与所述编码器的输入端相连。

6.根据权利要求5所述的一种提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，低段信号饱和检测器、中低段信号饱和检测器、中段信号饱和检测器的电路组成和参数完全相同，其包括隔离信号直流成分电路、第二信号电平抬升电路和迟滞比较器电路，

所述隔离信号直流成分电路的输出端与所述第二信号电平抬升电路的输入端相连，

所述第二信号电平抬升电路的输出端与所述迟滞比较器电路的输入端相连。

7.一种提高单片机模数转换器动态范围的方法，采用如权利要求1～6任意一项所述的提高单片机模数转换器动态范围的系统，其特征在于，包括以下步骤：

1、单片机系统初始化，进入步骤2；

2、根据模数转换器采样频率要求初始化定时器，单片机从内部定时器输出口CTC输出满足采样频率的脉冲信号，进入步骤3；

3、初始化内部模数转换器，进入步骤4；

4、启动内部模数转换器进行数据转换，进入步骤5；

5、如果模数转换正在进行中而没有结束，转入步骤6；否则，转入步骤7；

6、等待模数转换结束，转入步骤5；

7、从数字输入口读取本次模数转换的信号分段标识，进入步骤8；

8、读出单片机内部模数转换器结果寄存器中的数据，进入步骤9；

9、再次启动模数转换，进入步骤10；

10、根据采集得到的信号分段标识和模数转换结果数据，查找事先存储在单片机存储器中的模数转换表得到本次模数转换的结果数据，进入步骤11；

11、对本次模数转换的结果数据进行数据处理，进入步骤12；

12、转入步骤6，等待下一次模数转换结束。