CN111162784A

CN111162784A - 一种高分辨率模数转换器的实现方式

Info

Publication number: CN111162784A
Application number: CN202010015976.1A
Authority: CN
Inventors: 赛景波; 刘娜; 吕明
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2020-05-15

Abstract

本发明提供了一种高分辨率模数转换器的实现方式。该方法是用两个中低分辨率的模数转换器实现高分辨率的模数转换。将输入的模拟信号分别通过上限幅电路和下限幅电路，将分段后的模拟信号通过两个相同分辨率的模数转换器，设置模数转换器的上下参考电压并通过外部时钟的连接，确保时钟同步。利用该方法可以用两个低分辨率模数转换器组成一个高分辨率模数转换器，使分辨率提高2ⁿ,n为低分辨率模数转换器位数。本发明目的在于使用低成本器件设计实现高分辨率模数转换器。

Description

一种高分辨率模数转换器的实现方式

技术领域

本发明涉及一种高分辨率模数转换器的实现方式，属于信号处理及A/D 转换的技术领域。

背景技术

随着数字技术尤其是计算机技术的飞速发展及普及，许多领域对信号的处理广泛采用了计算机技术。而系统的实际处理对象往往是一些模拟量(如温度，电压，图像等)，要是计算机能够识别和处理这些信号，必须将模拟信号转化为数字信号，这就要使用到模数转换器。

模数转换器(ADC)在数字化仪表中应用非常广泛，其测量精度主要与分辨率有关。分辨率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，其定义为满刻度与2ⁿ的比值，即

V₀为模拟电压，n为模数转换器位数，A/D转换器的输入输出关系为

V_in为A/D转换器的输入信号，D为模拟量转换为数字量的值。

随着应用领域的拓宽，低精度的模数转换器转换精度有时不能满足要求，提高模数转换器分辨率有两种途径，一种是减少参考电压的值，另一种是增加模数转换器的位数n。高位数的模数转换器往往价格昂贵，是低分辨率的模数转换器十几倍甚至几十倍，在成本上不利于广泛应用。

发明内容

针对现有技术的不足本发明提供一种高分辨率模数转换器的实现方式，该方法是用两个低分辨率模数转换器组成高分辨率模数转换器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：将一种高分辨率模数转换器的实现方式，包括低通滤波器，放大电路，限幅电路，隔离缓冲电路，AD 转换模块，时钟电路及微处理器数字信号处理模块。所述的低通滤波器采用切比雪夫低通滤波器，待采集的信号S中混杂着多种噪声，必须要进行滤波，过滤掉高频噪声，得到带限信号。所述的放大电路与低通滤波器连接，放大信号电压，使信号进入可检测范围，信号电压范围为0V～5V。所述的限幅电路包括上限幅电路及下限幅电路，其中上限幅电压为V_ref＝0.5V，下限幅电压为V_ref＝0.5V，电压最大值为V₁，V₁<5V。将所得带限信号分别经过上限幅电路及下限幅电路，得到上限幅模拟信号S_u及下限幅模拟信号S_d。所述隔离缓冲电路即用射极跟随器连接限幅电路及AD转换器，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。所述AD转换模块采用TexasInstruments公司的12位AD转换器ADS7822，上限幅模拟信号输入的12位AD转换器模拟电压为V_ref＝0.5V，下限幅模拟信号输入的12位AD转换器模拟电压为V₁，V₁<5V，下电平为V_ref＝0.5V。ADS7822正常工作需要一个的外部基准、时钟和电源，所述时钟电路将1MHz的时钟源通过功分器分成两个同频同相的时钟信号分别送入两个12位AD转换器中，其连接总线需完全相等，以确保两个AD转换器时钟同步，两个模数转换器的输出同时在微处理器中进行处理，采集模数转换器(a)数据后存入寄存器低12位，采集模数转换器(b)数据后存入寄存器高12位，即完成高分辨率模数转换，使分辨率提高了2¹²。

本发明的技术方案如下:

一种高分辨率模数转换器的实现方式，包括步骤如下:

1)过滤高频信号；

过滤待检测信号S中的高频杂声，使其成为带限信号S_f；

2)将带限信号S_f通过二极管上限幅电路，产生上限幅模拟信号S_u；

3)将带限信号S_f通过二极管下限幅电路，产生下限幅模拟信号S_d；

4)将模拟信号S_u输入到12位A/D转换器ADS7822(a)；

根据带限信号S_f的最高频率f_m，设置采样频率，得到12位A/D转换器采样频率f_s，然后对模拟信号S_u进行采样、保持、量化、编码。

5)将4)所述的12位A/D转换器a输出的数字信号作为数字序列

的前12 位(D₀～D₁₁)，送到微控制器进行处理。

6)将模拟信号S_d输入到另一个同样的12位A/D转换器ADS7822(b)；

根据带限信号S_f的最高频率f_m，设置采样频率，得到12位A/D转换器采样频率f_s，然后对模拟信号S_d进行采样、保持、量化、编码。

7)将6)所述的12位A/D转换器b输出的数字信号作为数字序列

的后12 位(D₁₂～D₂₄)，送到微控制器进行处理。

根据本发明优选的，所述步骤2)中的限幅电路包括限幅电阻和二极管，二极管具有单向导电性，其正向电阻趋于零，而负向电阻趋于无穷大。

根据本发明优选的，所述步骤2)中的上限幅模拟信号S_u上限电压为 V_ref＝0.5V。

根据本发明优选的，所述步骤3)中下限幅模拟信号S_d下限电压为 V_ref＝0.5V，S_d电压最大值为V₁，V₁<5V。

根据本发明优选的，所述步骤4)中12位A/D转换器a参考电压为 V_ref＝0.5V，电源电压为5V。

根据本发明优选的，所述步骤5)中12位A/D转换器b参考电压为 V₁，V₁<5V，下电平为V_ref＝0.5V,电源电压为5V。

根据本发明优选的，所述步骤4)中采样频率f_s≥2f_m。

附图说明

图1是本发明的总体框图。

图2是本发明上限幅电路电路图。

图3是本发明下限幅电路电路图。

图4是本发明AD转换器与微处理器连接框图。

图5是本发明待检测信号波形。

图6是本发明待测信号经过上限幅电路输出的信号波形。

图7是本发明待测信号经过下限幅电路输出的信号波形。

图8是本发明微处理器流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书对本发明做进一步的描述，但不限于此。本发明是一种高分辨率模数转换器的实现方式，利用两个低分辨率模数转换器实现高分辨率AD转换方法。低分辨率模数转换器一般有8位和12位，其分辨率分别为

和

本发明采用的是12位模数转换器ADS7822。

待检测信号中混杂多种噪声，必须进行滤波，通过切比雪夫滤波器过滤掉高频噪声，使其成为带限型号S_f，将所述带限信号经过限幅电路。限幅电路分为上限幅电路和下限幅电路，上限幅电路电路图如图2所示，当输入信号幅度小于 V_ref时，二极管导通，输出电压U_u＝u_i；当输入信号幅度大于V_ref时，二极管截止，输出为U_u＝V_ref。下限幅电路电路图如图3所示，当输入信号幅度小于V_ref时，二极管截止，输出U_v＝V_ref；当输入信号幅度大于V_ref时，二极管导通，输出 U_v＝V_ref。信号分别经过上限幅电路和下限幅电路的输出信号如图4、图5所示。将经过限幅电路的上限幅信号S_u和下限幅信号S_d分别经过隔离缓冲电路，即用射极跟随器连接两电路，减少电路间直接相连所带来的影响，起缓冲作用。将上限幅信号S_u输入到AD转换器(a)中，该模数转换器参考电压为V_ref＝0.5V，将上限幅信号S_d输入到AD转换器(b)中，该模数转换器参考电压为V₁，下电平为V_ref＝0.5V。在数字信号处理器中，两个模数转换器的时钟须设为一致，将1MHz 的时钟源通过功分器分成两个同频同相的时钟信号分别送入两个12位AD转换器中，其连接总线需完全相等，以确保两个AD转换器时钟同步如图4。

模数转换器使用Texas Instruments公司的12位AD转换器ADS7822，有从2.0V 到5V的工作电压，参考电压可以设置为50mV至Vcc范围内的任何电压，模拟信号的输入范围为GND-0.2V～V_cc+0.2V。设置信号S_u通过的模数转换器a 参考电压为V_ref＝0.5V，该模数转换器分辨率计算公式为

A/D转换器的输入输出关系为

V_in为A/D转换器的输入信号，D为模拟量转换为数字量的值，即当信号为0V 时，对应的12位数字量为000000000000；当输入信号为V_ref时，对应的12位数字量为111111111111，输出的数字信号作为数字序列

的前12位(D₀～D₁₁)。设置信号S_d通过的模数转换器b正参考电压为V₁，负电平为V_ref＝0.5V，则该模数转换器分辨率计算公式为

A/D转换器的输入输出关系为

即当信号为V_ref时，对应的12位数字量为000000000000；当输入信号为V₁时，对应的12位数字量为111111111111，输出的数字信号作为数字序列

的后12位 (D₁₂～D₂₄)。

输入V_in和对应24位数字输出量如下表所示。