CN110071724A - 一种模数转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模数转换器，包括模拟电压模块、基准电压模块、控制器、积分充电模块，监测积分充电模块电压的监测模块，控制器用于接收模拟电压模块产生模拟电压信号后对积分充电模块进行固定时间地反向积分充电，控制器用于接收基准电压模块产生基准电压信号后对积分充电模块进行正向积分充电并进行计时，控制器用于控制积分充电模块放电，监测模块用于监测到积分充电模块电压超过0时向控制器发送停止计时信号，控制器用于根据计时长短计算反算出模拟电压信号的大小。本发明的转换器就是利用低成本IC以及元器件的条件下，实现高达24位的AD转换分辨率，从而达到极大的提升性能情况下，却不会增加很多的系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种模数转换器。
背景技术
在大多少电子仪器、工具和设备中需要对模拟电压进行采集，一般的方法是利用单片机或者嵌入式系统的ADC转换模块或者专用的ADC转换芯片。一般的单片机的转换精度是10位、12位，而实际上只能达到8位、10位，专用ADC转换芯片如16位到20位、24位的则价格都非常昂贵，芯片的价格也许就超过产品本身。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足，本发明提供一种模数转换器，包括模拟电压模块、基准电压模块、控制器、积分充电模块，监测积分充电模块电压的监测模块，控制器用于接收模拟电压模块产生模拟电压信号后对积分充电模块进行固定时间地反向积分充电，控制器用于接收基准电压模块产生基准电压信号后对积分充电模块进行正向积分充电并进行计时，控制器用于控制积分充电模块放电，监测模块用于监测到积分充电模块电压超过0时向控制器发送停止计时信号，控制器用于根据计时长短计算反算出模拟电压信号的大小。
优选地，所述控制器为型号为CD4025的控制芯片，所述控制芯片的VEE引脚接入-5V电压端，-5V电压端与VEE引脚之间引出一端通过电容C45后接地，所述控制芯片的XI引脚用于输入模拟电压信号，所述控制芯片的X2引脚用于输入基准电压信号，所述控制芯片的X引脚用于连接积分充电模块。
优选地，所述积分充电模块包括型号为芯片LM358的U6A、电容C11，其中，U6A第2脚通过电阻R9连接控制器，第3脚通过电阻R5接地、第4脚连接-5V电压端，所述第4脚与-5V电压端之间引出一端通过电容C6接地，所述电阻R9与第2引脚引出一端通过电容C11接入U6A第1引脚，所述U6A第1引脚接入监测模块。
优选地，监测模块包括型号为LM358芯片U6B、型号为NC7WZ14的U5B、型号为NC7WZ14的U5A，U6B的第5引脚通过电阻R2接地，U6B的第6引脚通过R6接入积分充电模块，U6B的第7引脚通过电阻R4连接U5B的第3引脚，U5B的第4引脚连接U5A的第1脚，U5B的第6引脚通过电阻R12接入控制器。
优选地，还包括用于提供基准电压信号的基准电压模块，基准电压模块包括型号为79L05的稳压芯片Q2、型号为TL431P的稳压芯片Q3、电阻R37、电阻R38,其中，稳压芯片Q2的V-IN引脚接入源电源端，芯片Q2的GND引脚接地，芯片Q2的V-OUT的依次通过电阻R35、稳压芯片Q3后接地,其中，电阻R37、电阻R38串联后与稳压芯片Q3并联，所述电阻R37、电阻R38之间引出一端接入控制器。
优选地，所述控制器为型号为CD4025的控制芯片，所述控制芯片的VEE引脚接入-5V电压端，-5V电压端与VEE引脚之间引出一端通过电容C45后接地，所述控制芯片的XI引脚用于输入模拟电压信号，所述控制芯片的X2引脚用于输入基准电压信号；所述积分充电模块型号为芯片LM358的U6A、电容C11，其中，第3脚通过电阻R5接地、第4脚连接-5V电压端，所述第4脚与-5V电压端之间引出一端通过电容C6接地，所述电阻R9与第2引脚引出一端通过电容C11接入U6A第1引脚；所述控制芯片的X引脚通过电阻R9连接到U6A的第2脚；所述监测模块包括型号为LM358芯片U6B、型号为NC7WZ14的U5B、型号为NC7WZ14的U5A，U6B的第5引脚通过电阻R2接地，U6B的第6引脚通过R6接入所述U6A第1引脚，U6B的第7引脚通过电阻R4连接U5B的第3引脚，U5B的第4引脚连接U5A的第1脚，U5A的第6引脚通过电阻R12接入控制芯片，所述电容C11的两端分别连接在控制芯片的C6L、C6R引脚。
本发明有益效果：本发明的转换器就是利用低成本IC以及元器件的条件下，实现高达24位的AD转换分辨率，从而达到极大的提升性能情况下，却不会增加很多的系统成本。
附图说明
图1是本发明电路原理图；
图2是本发明基准模拟电压的电路结构图；
图3是本发明控制器以及模拟电压模块的电路结构图；
图4是本发明积分充电模块以及监测模块的电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
见图1，一种模数转换器，包括模拟电压模块10、基准电压模块20、控制器30、积分充电模块40、监测积分充电模块电压的监测模块50，控制器30用于接收模拟电压模块10产生模拟电压信号后对积分充电模块40进行固定时间地反向积分充电，控制器30用于接收基准电压模块20产生基准电压信号后对积分充电模块40进行正向积分充电并进行计时，控制器30用于控制积分充电模块40放电，监测模块50用于监测到积分充电模块40的电压超过0时向控制器30发送停止计时信号，控制器30用于根据计时长短计算反算出模拟电压信号的大小。
优选地，见图2，所述基准电压模块20包括型号为79L05的稳压芯片Q2、型号为TL431P的稳压芯片Q3、电阻R37、电阻R38,其中，稳压芯片Q2的V-IN引脚接入源电源端，芯片Q2的GND引脚接地，芯片Q2的V-OUT的依次通过电阻R35、稳压芯片Q3后接地,其中，电阻R37、电阻R38串联后与稳压芯片Q3并联，所述电阻R37、电阻R38之间引出一端接入控制器，源电源端通过稳压芯片Q2、稳压芯片Q3以及电阻R37、电阻R38可向控制器输入合适的基准电压
优选地，见图3，所述控制器为型号为CD4025的控制芯片，所述控制芯片的VEE引脚接入-5V电压端，-5V电压端与VEE引脚之间引出一端通过电容C45后接地，所述控制芯片的XI引脚用于输入模拟电压信号，所述控制芯片的X2引脚用于输入基准电压信号，所述控制芯片的X引脚用于连接积分充电模块，所述控制芯片的A引脚、B引脚用于输入触发信号进而使得控制芯片接收模拟电压信号后对积分充电模块进行固定时间地反向积分充电或控制器用于接收测试电压信号后对积分充电模块进行正向积分充电并进行计时，当A引脚输入低电平、B引脚输入高电平时，模拟电压信号(DMA信号)将被选通到13脚X，网络标号是IN-，IN-用于积分充电模块进行固定时间地反向积分充电，当A引脚输入高电平、B引脚输入低电平时，基准电压信号(VREF信号)将被选通到13脚X,网络标号是IN-,这个IN-信号积分充电模块进行正向积分充电，而且，此时，控制芯片开始计时。
优选地，见图4，积分充电模块包括型号为芯片LM358的U6A、电容C11，其中，U6A第2脚通过电阻R9连接控制器，第3脚通过电阻R5接地、第4脚连接-5V电压端，所述第4脚与-5V电压端之间引出一端通过电容C6接地，所述电阻R9与第2引脚引出一端通过电容C11接入U6A第1引脚，当控制器给积分充电模块反向积分充电时，控制器采用模拟电压信号触发信号通过芯片U6A给电容C11进行充电，当控制器给积分充电模块正向积分充电时，控制器采用基准电压信号触发信号过芯片U6A给电容C11进行充电。
优选地，见图4，监测模块包括型号为LM358芯片U6B、型号为NC7WZ14的U5B、型号为NC7WZ14的U5A，U6B的第5引脚通过电阻R2接地，U6B的第6引脚通过R6接入积分充电模块，U6B的第7引脚通过电阻R4连接U5B的第3引脚，U5B的第4引脚连接U5A的第1脚，U5B的第6引脚通过电阻R12接入控制芯片的具有外部电平中断功能的引脚，当积分充电模块中电压数值超过0时，芯片U6B部分将会出现电平翻转，通过反相器U5B、U5A的电平匹配和转换功能，将会将翻转时刻转换为一个下降沿脉冲，触发控制器计时中断,并根据计时长短反算出输入模拟电压DMA的大小。
进一步地，所述电容C11的两端连接控制器，控制器控制电容C11直接放电，当控制器算出输入模拟电压DMA的大小后，控制芯片的A引脚输入高电平、B引脚输入高电平，此时X0被选通到IN-,X0接的是GND,同时选通C6L到C6R,相当于将C6L、C6R的两端短接进行对电容C11放电，为下一次的充放电做好准备。
本发明工作原理：
首先控制器接收模拟电压信号并在该信号触发下对积分充电模块进行反向积分充电，具体地，见图，此时控制芯片的A引脚输入低电平、B引脚输入高电平，模拟电压信号(网络标号:DMA)将被选通到13脚X，网络标号是IN-，IN-用于通过进行固定时间给芯片U6A给电容C11进行反向积分充电；进行固定时间反向积分充电后，控制器接收基准电压信号并在该信号触发下对积分充电模块进行正向积分充电，具体地，见图，此时控制芯片的A引脚输入高电平、B引脚输入低电平，基准电压信号(VREF信号)将被选通到13脚X,网络标号是IN-,这个IN-信号用于通过芯片U6A给电容C11进行正向积分充电；此时，监测模块用于监测积分充电模块是否超过0，具体地，当正向积分充电使得电容C11的电压数值超过0时，芯片U6B部分将会出现电平翻转，通过反相器U5B、U5A的电平匹配和转换功能，将会将翻转时刻转换为一个下降沿脉冲，触发控制器计时中断,控制器根据计时长短反算出输入模拟电压DMA的大小；控制器算出输入模拟电压DMA信号的大小后，控制器控制积分充电模块进行放电，具体地，见图控制芯片的A引脚输入高电平、B引脚输入高电平，此时X0被选通到IN-,X0接的是GND,同时选通C6L到C6R,相当于将C6L、C6R的两端短接进行对电容C11放电。
本发明采用公式：V1*T1＝V2*T2，其中，V1为要采样的模拟电压值DMA，V2为基准电压值，T1为模拟电压信号对积分充电模块充电的时间，T2为基准电压信号对积分充电模块放电的时间，本发明中通过设定T1、V2以及T2的值就可以反算出V1的大小。
本发明中以正向充电基准电压数值V2一般设置为-300mv,反向积分充电的时间为一般设置为100MS。控制芯片采用的最高计时速率是24M，若单片机的计时分辨率达到2^24，则计时时间为2^24*10^-6/24＝0.69秒，即每次积分时间需要0.69秒,但分辨率可以达到24位.若单片机的计时分辨率达到2^16，则计时时间为2^16*10^-6/24＝2.73MS,测量分辨率可以达到16位。分辨率越高，则需要的积分时间越长，采样刷新越慢，因此根据用户的实际系统需要对积分时间进行调整。
进一步地，实际应用中我们需要将得到模拟电压转化成的电流信号进行显示，为了需要进行以下计算：
DMA*T1＝V2*T2
则DMA＝V2*T2/T1
DMA＝R*CURRENT*K,
CURRENT＝V2*T2/(T1*R)；这里R是电流采样电阻，K的采样电阻上电压的放大倍数，CURRENT是实际要检测的电流。但由于放大器、单片机计时、V2、K、R，这些都存在精度和非线性问题，不同批次的产品之间计算出的结果差别会很大，这个反算出来的电流在高精度的应用上不满足要求。但在基本应用上，这个简单方法计算的电流可以用作系统的快速计算和显示，用作电流保护和电流大小的趋势预测。
由于放大器、单片机计时、-300MV、K、R，这些都存在精度和非线性问题，因此这个反算出来的电流在高精度的应用上任然不满足要求，不同批次的产品之间计算出的结果差别会很大，因为我们需要对这个电流再一次进行标定即：
假设实际电流应该为：
Current＝A*DMA+B
通过高精度电子负载对电源给出两个精准的放电电流Current1,Current2,可以得到两个准确的DMA1,DMA2
即：
Current1＝A*DMA1+B；
Current2＝A*DMA2+B；
通过这两个公式可以解一个二元一次方程即可以求出A,B，A和B的数值，记录在设备的EEPROM里面。由于A,B已知，这样在一般性的测量中，只要我们得到了DMA,就可以通过
Current＝A*DMA+B
准确给出CURRENT。如果只需要精准的电流计算，甚至可以不必知道R采样电阻和K放大倍数的具体大小。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模数转换器，其特征在于：包括模拟电压模块、基准电压模块、控制器、积分充电模块，监测积分充电模块电压的监测模块，控制器用于接收模拟电压模块产生模拟电压信号后对积分充电模块进行固定时间地反向积分充电，控制器用于接收基准电压模块产生基准电压信号后对积分充电模块进行正向积分充电并进行计时，控制器用于控制积分充电模块放电，监测模块用于监测到积分充电模块电压超过0时向控制器发送停止计时信号，控制器用于根据计时长短计算反算出模拟电压信号的大小。
2.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于：所述控制器为型号为CD4025的控制芯片，所述控制芯片的VEE引脚接入-5V电压端，-5V电压端与VEE引脚之间引出一端通过电容C45后接地，所述控制芯片的XI引脚用于输入模拟电压信号，所述控制芯片的X2引脚用于输入基准电压信号，所述控制芯片的X引脚用于连接积分充电模块。
3.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于：所述积分充电模块包括型号为芯片LM358的U6A、电容C11，其中，U6A第2脚通过电阻R9连接控制器，第3脚通过电阻R5接地、第4脚连接-5V电压端，所述第4脚与-5V电压端之间引出一端通过电容C6接地，所述电阻R9与第2引脚引出一端通过电容C11接入U6A第1引脚，所述U6A第1引脚接入监测模块。
4.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于：监测模块包括型号为LM358芯片U6B、型号为NC7WZ14的U5B、型号为NC7WZ14的U5A，U6B的第5引脚通过电阻R2接地，U6B的第6引脚通过R6接入积分充电模块，U6B的第7引脚通过电阻R4连接U5B的第3引脚，U5B的第4引脚连接U5A的第1脚，U5B的第6引脚通过电阻R12接入控制器。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的模数转换器，其特征在于：还包括用于提供基准电压信号的基准电压模块，基准电压模块包括型号为79L05的稳压芯片Q2、型号为TL431P的稳压芯片Q3、电阻R37、电阻R38,其中，稳压芯片Q2的V-IN引脚接入源电源端，芯片Q2的GND引脚接地，芯片Q2的V-OUT的依次通过电阻R35、稳压芯片Q3后接地,其中，电阻R37、电阻R38串联后与稳压芯片Q3并联，所述电阻R37、电阻R38之间引出一端接入控制器。
6.根据权利要求1所述的模数转换器，其特征在于：所述控制器为型号为CD4025的控制芯片，所述控制芯片的VEE引脚接入-5V电压端，-5V电压端与VEE引脚之间引出一端通过电容C45后接地，所述控制芯片的XI引脚用于输入模拟电压信号，所述控制芯片的X2引脚用于输入基准电压信号；所述积分充电模块型号为芯片LM358的U6A、电容C11，其中，第3脚通过电阻R5接地、第4脚连接-5V电压端，所述第4脚与-5V电压端之间引出一端通过电容C6接地，所述电阻R9与第2引脚引出一端通过电容C11接入U6A第1引脚；所述控制芯片的X引脚通过电阻R9连接到U6A的第2脚；所述监测模块包括型号为LM358芯片U6B、型号为NC7WZ14的U5B、型号为NC7WZ14的U5A，U6B的第5引脚通过电阻R2接地，U6B的第6引脚通过R6接入所述U6A第1引脚，U6B的第7引脚通过电阻R4连接U5B的第3引脚，U5B的第4引脚连接U5A的第1脚，U5A的第6引脚通过电阻R12接入控制芯片，所述电容C11的两端分别连接在控制芯片的C6L、C6R引脚。
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