CN113381760A - 一种高速传输高精度的模数转换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速传输高精度的模数转换电路，涉及模数转换技术领域，包括传感器模块，模数转换模块，电源模块；所述传感器模块用于输出模拟信号给模数转换模块，模数转换模块用于对模拟信号进行放大滤波处理，提高信号调理单元的带载能力，提高ADC转换速率，电源模块用于为所述模数转换模块提供低噪声高精度的电压。本发明高速传输高精度的模数转换电路采用二阶巴特沃斯滤波器、放大器和缓冲器对模拟信号进行抗干扰处理，提高采集的模拟信号精度，大幅度减小采样数据的误差，提高模数转换的可靠性，并且对采用N个ADC转换器并行交叉采样，采样速率提高到原本单个ADC转换器的N倍，不仅满足做到高速率转换，还节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及模数转换技术领域，具体是一种高速传输高精度的模数转换电路。
背景技术
随着集成电路技术的快速发展，模数转化电路在很多应用领域中，从分立元件向大规模集成化方向改变，大量应用场合均可选用集成模数转换器，但模数转换器的精度水平限制了其在很多紧密计量场合中使用，对于传感器输出模拟信号的数字采集，目前常用传感变送器和数字采集卡方式，通过将传感器输出的信号变换为4-20mA的标准信号进行远传，再由主控制设备转换为数字信号，其中对于模数转换的搭配环境要求过高，数字采集卡的安装位置要求苛刻，无法广泛应用，其他方式的模数转换信号易受到干扰、无法做到高精度采集，并且现有ADC(Analog-to-Digital Converter，模/数转换)转换中采样速率高的ADC器件很多，但是高速ADC器件的价格昂贵，无法大规模使用。
发明内容
本发明实施例提供一种高速传输高精度的模数转换电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
依据本发明实施例的第一方面，提供一种高速传输高精度的模数转换电路，该高速传输高精度的模数转换电路包括：传感器模块，模数转换模块，电源模块；
所述传感器模块，用于输出模拟信号给模数转换模块；
所述模数转换模块，用于对所述传感器模块输出的模拟信号进行消谐、抗混叠处理，用于对模拟信号进行放大或衰减处理，用于在接收模拟信号的过程中起到缓冲隔离的作用，用于提高模拟信号的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
所述电源模块，用于为所述模数转换模块提供低噪声、高精度的电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明高速传输高精度的模数转换电路采用二阶巴特沃斯滤波器、放大器和缓冲器对模拟信号进行抗干扰处理，提高采集的模拟信号精度，大幅度减小采样数据的误差，提高模数转换的可靠性，并且对采用N个ADC转换器并行交叉采样，采样速率提高到原本单个ADC转换器的N倍，不仅满足做到高速率转换，还节约了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实例提供的高速传输高精度的模数转换电路的原理方框示意图。
图2为本发明实例提供的模数转换模块的原理方框示意图。
图3为本发明实例提供的信号调理单元电路图。
图4为本发明实例提供的ADC转换单元的原理方框示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例提供一种高速传输高精度的模数转换电路，该高速传输高精度的模数转换电路包括：传感器模块1，模数转换模块2，电源模块3，模拟信号输入端子4，电源端子5和数字信号输出端子6；
具体地，传感器模块1，用于输出模拟信号给模数转换模块；所述传感器模块1的输出端连接模拟信号输入端子4的输入端；
模数转换模块2，用于对所述传感器模块1输出的模拟信号进行消谐、抗混叠处理，用于对模拟信号进行放大或衰减处理，用于在接收模拟信号的过程中起到缓冲隔离的作用，用于提高模拟信号的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
电源模块3，用于为所述模数转换模块2提供低噪声、高精度的电压；所述电源模块3的输出端连接电源端子5的输入端；
模拟信号输入端子4，用于接收所述传感器模块1输出的模拟信号；所述模拟信号输入端子4的输出端连接模数转换模块2的输入端；
电源端子5，用于输入所述电源模块3提供的电压；所述电源端子5的输出端连接模数转换模块2的电源端
数字信号输出端子6，用于接收所述模数转换模块2输出的数字信号；
进一步地，所述模数转换模块2包括信号调理单元201和ADC高速转换单元202；
具体地，信号调理单元201，用于对模拟信号进行消谐和抗混叠处理，用于对采集的模拟信号进行放大或衰减处理，用于防止模拟信号受到所述ADC高速转换单元202的阻抗影响，起到缓冲隔离的作用；
所述ADC高速转换单元202，用于提高对所述信号调理单元201输出模拟信号的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
所述信号调理单元201的输入端连接所述模拟信号输入端子4的输出端，信号调理单元201的输出端通过ADC高速转换单元202连接数字信号输出端子6的输入端；
在具体实施例中，上述传感器模块1可选用各种传感器输出模拟信号，如温度传感器、压力传感器或者湿度传感器；上述模数转换模块2中的信号调理单元201采用低通滤波电路301、放大电路和缓冲电路对采样到的模拟信号进行滤波放大缓冲处理，提高模拟信号的采样精度，在ADC高速转换单元202中，通过时钟控制模数转换器以固定的时间间隔依次对输入模拟信号进行转换；上述电源模块3可采用加去耦电容的方法，减小电源带来的纹波、噪音和毛刺，预防对ADC转换造成信号干扰；上述模拟信号输入端子4，电源端子5和数字信号输出端子6为输入输出端口，在此不做赘述。
实施例2：在实施例1的基础上，请参阅图2，在本发明所述的高速传输高精度的模数转换电路的一个具体实施例中，所述信号调理单元201包括低通滤波电路301、可变增益放大电路302和信号缓冲电路303；
具体地，低通滤波电路301，用于对模拟信号进行消谐和抗混叠处理；
可变增益放大电路302，用于调整运放的增益并对所述低通滤波电路301输出信号进行放大或者衰减；
信号缓冲电路303，用于防止模拟信号受到所述ADC高速转换单元401的阻抗影响，起到缓冲隔离的作用；
该低通滤波电路301的输出端通过可变增益放大电路302连接信号缓冲电路303的输入端。
进一步地，所述ADC高速转换单元202包括分路器U1、多路ADC转换电路401和时钟分配电路402；
具体地，多路ADC转换电路401，用于通过多路ADC转换器并行提高ADC的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
时钟分配电路402，用于控制所述多路ADC转换电路401的采样时钟依次错开一个固定的相位；
该分路器U1的输入端连接所述信号缓冲电路303的输出端，分路器U1的输出端连接时钟分配电路402的输出端和多路ADC转换电路401的输入端。
在具体实施例中，上述低通滤波电路301选用运算放大器及其外围电阻组成二阶低通滤波电路，在此二阶低通滤波电路选用二阶巴特沃斯滤波器对模拟信号进行消谐和抗混叠处理；上述可变增益放大电路302可选用专门的增益放大芯片或者电流反馈型运算放大器进行电路增益的改变，从而改变放大或衰减的倍数；上述信号缓冲电路303可选用电压跟随器提高所述信号调理单元201的带载能力；上述多路ADC转换电路401中的ADC转换器可根据用户需求自行选择；上述时钟分配电路402采用时间交叉采样的方法提高ADC的采样速率。
实施例3：在实施例2的基础上，请参阅图3和图4，在本发明所述的高速传输高精度的模数转换电路的一个具体实施例中，所述低通滤波电路301包括第一运放A1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第二电容C2和第三电容C3；
具体地，第一运放A1的反相端连接第二电阻R2的第一端和第三电容C3，第一运放A1的同相端连接第三电阻R3和第四电阻R4，第二电阻R2的第二端连接第一电阻R1、第五电阻R5和第二电容C2，第二电容C2的另一端接地和第四电阻R4的另一端，第五电阻R5的另一端连接第三电容C3的另一端和第一运放A1的输出端。
进一步地，所述可变增益放大电路302包括第六电阻R6、第七电阻R7、第二运放A2、第八电阻R8、第九电阻R9和第一电压V1；
具体地，第二运放A2的第三端通过第六电阻R6连接第一运放A1的输出端，第二运放A2的第二端和第二运放A2的第四端分别通过第八电阻R8和第七电阻R7接地，第二运放A2的第一端连接第一电压V1，第二运放A2的第七端通过第九电阻R9连接第二运放A2的第六端。
进一步地，所述信号缓冲电路303包括第三运放A3、第十一电阻R11、第十电阻R10和第十二电阻R12；
具体地，第三运放A3的同相端通过第十一电阻R11连接第二运放A2的第六端，第三运放A3的同相端还通过第十电阻R10接地，第三运放A3的反相端连接第三运放A3的输出端和第十二电阻R12。
进一步地，所述多路ADC转换电路401包括模数转换器一ADC1、模数转换器二ADC2和模数转换器三ADC3；所述时钟分配电路402包括时钟分配器U2；
具体地，模数转换器一ADC1连接分路器U1的第一输出端和时钟分配器U2的第一输出端，模数转换器二ADC2连接分路器U1的第二输出端和时钟分配器U2的第二输出端，模数转换器三ADC3连接分路器U1的第三输出端和时钟分配器U2的第三输出端。
在具体实施例中，上述第一运放A1可选用高性能TLC4502运算放大器或者选用OPA2340，当用户精确度要求更高时，可采用高精密运放OP07系列运算放大器；上述第二运放A2可选用CLC5523可变增益放大器或者选用MCP1703可变增益放大器；上述第三运放A3可选用TL084运算放大器实现；上述第一电压V1在此选用范围为0-2V的可调节电压源；上述时钟分配器U2在此可选用专用的时钟分配芯片AD9510；上述模数转换器一ADC1、模数转换器二ADC2和模数转换器三ADC3在此选用低成本的，且内置基准电压源和采样保持电路的AD9480或者AOD4189。
在本发明实施例中，通过传感器模块1输出的模拟信号，模数转换模块2采集模拟信号，在模数转换模块2中的信号调理单元201，通过第一运放A1对模拟信号进行消谐和抗混叠处理，进一步地，通过调整第二运放A2的增益对模拟信号进行放大或衰减处理，再通过第三运放A3作缓冲电路提高信号调理单元201的带载能力，最终将处理后的模拟信号传输给ADC高速转换单元202的分路器U1，通过分路器U1将信号分路传输给不同路上的相同模数转换器，时钟分配器U2采用时间交叉采样的方法，通过多路ADC转换电路401的N个并行ADC转换器共同对一个模拟信号进行转换，提高模数转换的速率，其中N个并行的ADC转换器以一个固定的相位(2π/N)进行错开控制，将模数转换器的速率提高至N倍；其中，在信号调理单元201中，通过第一运放A1及其外围元器件组成二阶巴特沃斯滤波器进行消谐处理并进行抗混叠抑制，再利用第二运放A2进行增益可调放大，第二运放A2可根据调节第一电压V1在0-2V范围内变化来改变运放的增益，电压越高，增益越大，最终通过信号缓冲电路303实现对ADC高速转换单元202的缓冲和驱动，在此加入第十二电阻R12有利于削弱输出模拟信号的反射，减轻对微弱信号带来的波动。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于：
该高速传输高精度的模数转换电路包括：传感器模块，模数转换模块，电源模块；
所述传感器模块，用于输出模拟信号给模数转换模块；
所述模数转换模块，用于对所述传感器模块输出的模拟信号进行消谐、抗混叠处理，用于对模拟信号进行放大或衰减处理，用于在接收模拟信号的过程中起到缓冲隔离的作用，用于提高模拟信号的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
所述电源模块，用于为所述模数转换模块提供低噪声、高精度的电压。
2.根据权利要求1所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述高速传输高精度的模数转换电路还包括模拟信号输入端子，电源端子和数字信号输出端子；
所述模拟信号输入端子，用于接收所述传感器模块输出的模拟信号；
所述电源端子，用于输入所述电源模块提供的电压；
所述数字信号输出端子，用于接收所述模数转换模块输出的数字信号；
所述模拟信号输入端子的输入端连接传感器模块的输出端，模拟信号输入端子的输出端连接模数转换模块的输入端，模数转换模块的输出端连接数字信号输出端子的输入端，电源端子的输入端连接电源模块，电源端子的输出端连接模数转换模块的电源端。
3.根据权利要求2所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述模数转换模块包括信号调理单元和ADC高速转换单元；
所述信号调理单元，用于对模拟信号进行消谐和抗混叠处理，用于对采集的模拟信号进行放大或衰减处理，用于防止模拟信号受到所述ADC高速转换单元的阻抗影响，起到缓冲隔离的作用；
所述ADC高速转换单元，用于提高对所述信号调理单元输出模拟信号的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
所述信号调理单元的输入端连接所述模拟信号输入端子的输出端，信号调理单元的输出端通过ADC高速转换单元连接数字信号输出端子的输入端。
4.根据权利要求3所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述信号处理单元包括低通滤波电路、可变增益放大电路和信号缓冲电路；
所述低通滤波电路，用于对模拟信号进行消谐和抗混叠处理；
所述可变增益放大电路，用于调整运放的增益并对所述低通滤波电路输出信号进行放大或者衰减；
所述信号缓冲电路，用于防止模拟信号受到所述ADC高速转换单元的阻抗影响，起到缓冲隔离的作用；
所述低通滤波电路的输出端通过可变增益放大电路连接信号缓冲电路的输入端。
5.根据权利要求4所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述低通滤波电路包括第一运放、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容和第三电容；
所述第一运放的反相端连接第二电阻的第一端和第三电容，第一运放的同相端连接第三电阻和第四电阻，第二电阻的第二端连接第一电阻、第五电阻和第二电容，第二电容的另一端接地和第四电阻的另一端，第五电阻的另一端连接第三电容的另一端和第一运放的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述可变增益放大电路包括第六电阻、第七电阻、第二运放、第八电阻、第九电阻和第一电压；
所述第二运放的第三端通过第六电阻连接第一运放的输出端，第二运放的第二端和第四分分别通过第八电阻和第七电阻接地，第二运放的第一端连接第一电压，第二运放的第七端通过第九电阻连接第二运放的第六端。
7.根据权利要求6所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述信号缓冲电路包括第三运放、第十一电阻、第十电阻和第十二电阻；
所述第三运放的同相端通过第十一电阻连接第二运放的第六端，第三运放的同相端还通过第十电阻接地，第三运放的反相端连接第三运放的输出端和第十二电阻。
8.根据权利要求3所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述ADC高速转换单元包括分路器、多路ADC转换电路和时钟分配电路；
所述多路ADC转换电路，用于通过多路ADC转换器并行提高ADC的采样速率，用于将模拟信号转换为数字信号并输出数字信号；
所述时钟分配电路，用于控制所述多路ADC转换电路的采样时钟依次错开一个固定的相位；
所述分压器的输入端连接所述信号缓冲电路的输出端，分压器的输出端连接时钟分配电路的输出端和多路ADC转换电路的输入端。
9.根据权利要求8所述的一种高速传输高精度的模数转换电路，其特征在于，所述多路ADC转换电路包括模数转换器一、模数转换器二和模数转换器三；所述时钟分配电路包括时钟分配器；
所述模数转换器一连接分路器的第一输出端和时钟分配器的第一输出端，模数转换器二连接分路器的第二输出端和时钟分配器的第二输出端，模数转换器三连接分路器的第三输出端和时钟分配器的第三输出端。
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