CN203151471U - 自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，包括一个被测信号输入端；通过一个切换开关同时与被测信号输入端连接的立方根函数变换单元和16位高速数模转换模块；与立方根函数变换单元连接的16位高速模数转换模块；与16位高速数模转换模块连接的数值反变换函数表存放器；一个分别与16位高速数模转换模块、16位高速模数转换模块和数值反变换函数表存放器连接的微处理器；以及电源模块。本实用新型通过立方根电路实现了对宽幅信号的非线性变换以及对小信号的放大和大信号的渐强压缩；实现了对多输入通道的在系统校正和标订以及对信号的高速增倍模数转换功能。

Description

自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置

技术领域

本实用新型涉及自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，适用于对模拟电信号以高速16位转换精度的A/D(模拟/数字)实现相等速度、全通道自校订可编程增倍（1-127倍）的模拟到数字的转换。可应用于需要高速采样（微秒级）的高倍测量场合。

背景技术

现代数据采集系统中，将模拟信号转换为数字信号进行分析计算和存贮。根据应用的不同，选取合适的采样频率和采样精度。

许多数据采集情况下，既要满足小信号也要满足大信号的宽幅信号采样精度、还需要微秒级的采样速度、有时还要实现多路同步采样。这需要高精度模数转换器件和技术的支撑。

在采样精度方面，∑-Δ型的24位模数转换器件，由于其工作原理决定了它们的采样率都不是很高，如ADS1211在10HZ采样率下可实现23位的有效精度，由于低速采样而采用串行的数据输出接口而不是并行接口。

在采样速度方面，能实现16位转换精度的器件其采样周期可达到微秒级，应用于接近兆级采样转换速率的场合，由于高速多路采样而采用并行的数据输出接口。

一些高速16位转换精度的A/D器件在一个封装中提供了多达8路的同步转换，在多路同步模数转换时的外围电路简单。

越来越多的场合需要具高速高倍数的采样（微秒级），以适合对小信号的测量精度分析要求和对大信号的准确比例测量应用。例如电力系统正常运行时的零序电流很小，发生相关接地故障时的零序电流会很大。要满足对小信号的测量精度则会在大信号时达到满刻度而发生溢出；要满足了大信号的测量范围要求则会降低对小信号的测量精度。

实用新型内容

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，其特征在于，包括一个被测信号输入端；通过一个切换开关同时与被测信号输入端连接的立方根函数变换单元和16位高速数模转换模块；与立方根函数变换单元连接的16位高速模数转换模块；与16位高速数模转换模块连接的数值反变换函数表存放器；一个分别与16位高速数模转换模块、16位高速模数转换模块和数值反变换函数表存放器连接的微处理器；以及给立方根函数变换单元、16位高速数模转换模块、16位高速模数转换模块、数值反变换函数表存放器以及微处理器供电的电源模块。

本实用新型实现对宽幅电信号的增倍模数转换，通过设定的精度控制点确保对小信号的测量精度，使对大信号的测量按要求倍数确定。

本实用新型创造性的利用模拟乘法器和运算放大器组合为立方根变换模拟电路，采用一般的高速16位多路同步模数转换IC器件，利用转换到的数值进行反函数译码，得到增倍的变换结果。实现宽幅电信号立方根函数变换与数值反函数译码的线性增倍模数转换，获得满足模数转换的高速率和高精度。

本实用新型首先对输入信号进行立方根变换，其关系为

k₁为整定系数；二是对u_out通过16位A/D进行高速模数转换，其关系为D_data(16)=k₂u_out，k₂为转换系数；三是依据D_data(16)进行函数反变换（查表）获得增倍的数值D_data(24)，其关系为D_data(24)=f(D_data(16))=Ku_in，K为与k₁、k₂相关的综合比例系数；四是自校订通道函数反变换表，通过自校订测量后写入Flash Memory中。

宽幅电信号立方根函数变换与数值反函数译码的增倍模数转换主要由运算放大器（如LM258）和模拟乘法器（如AD633）组成的立方根函数变换单元；模数转换环节采用高速16位分辨率A/D（如AD7656单片6通道同步采样，采样速率250kSPS，双极性输入的16-Bit ADC）；由大容量FlashMemory（如M29DW640D，64Mbit，8Mb*8位）组成的数值反函数译码环节；由16位串行输入数据的数模（D/A）转换器（如DAC714）构成的通道自校订反函数译码表形成辅助环节；微控制器（或者MCU、ARM7、ARM9等）及相应的应用控制程序来实现自校订宽幅电信号立方根函数变换与数值反函数译码的增倍模数转换。

在上述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，所述的立方根函数变换单元包括依次连接的模拟立方根变换电路和反向放大电路；所述的被测信号输入端与模拟立方根变换电路连接，所述反向放大电路与所述16位高速模数转换模块连接。

在上述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，所述模拟立方根变换电路包括一个第一运放、两个乘法器以及电阻R1、电阻R2和电阻R3；所述电阻R2、两个模拟乘法器依次串联后跨连到运放的反相输入端和第一运放的输出端之间；所述运放的同相输入端连接电阻R3后接地；该第一运放的反相输入端还与电阻R1连接后与被测信号输入端连接。

在上述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，所述的反向放大电路包括一个第二运放、电阻R4、电阻R5和电阻R6；所述电阻R5跨连在第二运放反相输入端和第二运放的输出端之间；该第二运放的同相输入端连接电阻R6后接地；该第二运放的反相输入端还与电阻R4连接后同时与上述两个模拟乘法器以及第一运放的输出端连接。

在上述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，所述的微处理器采用MCU单片机或ARM单片机。

因此，本实用新型具有如下优点：1.设计合理，结构简单且完全实用；2.通过立方根电路实现了对宽幅信号（±10V）的非线性变换，实现对小信号的放大和大信号的渐强压缩，满足对宽幅信号实时处理；3.实现了对多输入通道的在系统校正和标订，克服了通道误差和标定误差；4.通过立方根变换与反函数译码增倍电路，实现了对信号的高速增倍模数转换功能。

附图说明

附图1是本实用新型的系统结构示意图。

附图2a是本实用新型中立方根函数变换单元的电路结构示意图。

附图2b是本实用新型中信号输入/输出曲线图。

附图3是本实用新型中自校订通道数值反函数译码的增倍的测量电路状态图（其中，虚线为高阻态）。

附图4是本实用新型中自校订通道数值反函数译码的增倍的数据写入电路状态图（其中，虚线为高阻态）。

附图5是本实用新型中自校订通道数值反函数译码的增倍的测量与写入的程序框图（其中，虚线为高阻态）。

附图6是本实用新型中宽幅电信号立方根函数变换与数值反函数译码的增倍模数转换正常工作电路状态图（其中，虚线为高阻态）。

附图7是本实用新型中模拟乘法器的具体电路结构示意图。

附图8是本实用新型立方根函数变换单元中模拟立方根变换电路的具体电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

附图1为本实用新型的宽幅电信号立方根函数变换与数值反函数译码的增倍模数转换系统结构框图。图中，被测信号输入端，范围在±10V。

附图2为本实用新型的立方根函数变换单元（附图1中的框2和框3）及信号输入/输出曲线图。

附图2（a）中由一个由反向输入的运算放大器（1/2LM258）及3个电阻器组成反相器（1:1，R₄=R₅）；反向输入的运算放大器（1/2LM258）、两个模拟乘法器(AD633)、3个电阻器组成立方根函数变换；共同构成输入输出同相位的立方根变换环节。

模拟乘法器（以双列直插DIP型AD633为例）的内部功能框图电路如图7所示。

工作电源最大值为±18V，可设计为±12V，分别接入8脚和5脚；两组输入信号（X1-X2、Y1-Y2）与电路内的设定系数

形成乘法(X1-X2)×(Y1-Y2)×k，再与附加信号Z做加法，最后经过跟随器A后获得输出信号W。乘法器传递函数为

W=(X1-X2)×(Y1-Y2)×k+Z

现设X2=0、Y2=0、Z=0，模拟乘法器的传递函数为

W=X1×Y1×k

由一个运算放大器（如1/2的LM258）、两个模拟乘法器构成一个立方根电路，如图8所示。

设立方根电路的输入信号为电压u_in、输出信号电压为u_o、AD633-2的输出信号电压为

则有

$u_o^{\′}=k(u_o\×u_o)\×{\mathrm{ku}}_o=k^2{u}_o^3$

运算放大器（如1/2的LM258）接成反相输入，根据工作原理有：

$u_{\mathrm{in}}/R_1=-u_o^{\′}/R_2,$ 整理后可得：

$u_O=\sqrt[3]{-(R_2/k^2{R}_1)u_{\mathrm{in}}}$

后级经反相输入的跟随器，该模拟立方根电路输入输出方程为

$u_{\mathrm{out}}=-u_o=\sqrt[3]{(R_2/k^2{R}_1)u_{\mathrm{in}}}$

式中k=1/10，由器件AD633所决定，方程改写为

$u_{\mathrm{out}}=4.64\×\sqrt[3]{\frac{R_2}{R_1}{u}_{\mathrm{in}}}$

限定输入、输出的范围分别为±10V和±5V；确定

R₂/R₁=3.6K/30K=0.12，则取输入信号最大值

u_in-max=10V，则输出 $u_{\mathrm{out}}=2.2886448\×\sqrt[3]{10}=4.931V,$ 限制在ADC最大输入信

号之内。表1给出了部分输入输出的对应值。

表1部分输入输出对应数据表

附图2（b）为选定上述参数下的立方根变换环节

特性曲线，在曲线的A、B两点（+3.462、-3.462），u_out=u_in。

当输入信号0≤u_in<3.64时，输出大于输入，这有利于对小信号的精确测量；当输入信号3.462<u_in≤10时，输出对输入进行渐强压缩，以适应对大信号的测量。

立方根函数变换单元中可以根据应用需要按照相同的电路扩展，如扩展到多路（如六路）。

附图1中的框4为16位高速模数转换器件环节，可以选取AD7656，为单片16位6路双极性±5V输入的同步采样的AD器件，转换速率250kSPS(每秒千次)，可以满足多到六路的数据采集需要。

以输入电压u_in为±10V计，对输入模拟量的分辨电压为

$B_{20V}=\frac{20V}{2^{16}}=0.305175\frac{\mathrm{mV}}{\mathrm{bit}}$

例如，当输入电压从0.2V变化到0.200305175V时，立方根转换电路输出电压从1.33840947V变化到1.33908987V，变化量达0.000680402V,已达B_20V的两倍。可见，当输入信号为小信号（0<u_in<3.64）时，模数转换的分辨率提高了。

附图1中的框5为微控制器系统，由微控制器（ARM7/9）及相应的外围电路组成具有控制总线、数据总线、地址总线的通用系统。通过程序运行完成指定的操作与控制。

附图1中的框7为本实用新型的由微控制器控制的精确反变换函数表的生成环节中的16位数模转换器，以形成标准信号用于对模拟通道的校正和标订。

由附图1中立方根转换电路、16为模数转换器、大容量Flash Memory器件、微控制器系统、16为数模转换器（DAC714）、接通DA输出的开关1，构成自校订通道数值反函数译码的增倍的测量与写入控制。

附图3为自校订通道数值反函数译码的增倍的测量电路状态图，由MCU控制形成。虚线为高阻状态。

附图4为自校订通道数值反函数译码的增倍的数据写入电路状态图，由MCU控制形成。虚线为高阻状态。

由附图3和附图4所组成自校订通道数值反函数译码的增倍的测量与写入控制的过程为：

设采用N倍时，由MCU通过12的串行口经2¹⁶=65536次将0-65535的16位二进制数D_16(i)送人16位DA，DA输出对应于D_16(i)的模拟值（满刻度±10V），由开关1接入立方根转换电路，MCU启动AD,读取模数转换的数据，以该数据作为译码器的地址，再由MCU将N×D_16(i)组成带符号的24位二进制数写入由3片8位的Flash Memory中，整个过程循环65536次，完成自校订通道数值反函数译码的增倍的测量与写入。

附图5为自校订通道数值反函数译码的增倍的测量与写入的程序框图。

程序框图中的1，确定增倍系数N（在1-127之间），由于AD为16位，其输出范围在0-65535之间，将其作为译码器的地址，要经过循环65536次，获得全部对应译码数值N*D_16(i)；

程序框图中的2，将开关1置于DA输出侧，构成自校订通道测量回路；

程序框图中的3，MCU计算N*D_16(i)组成24位（含符号位）的二进制数；

程序框图中的4，MCU由相连的控制线选通DA；程序框图中的5，MCU由相连的串行口将N*D_16(i)送入到DA；

程序框图中的6，MCU由相连的控制线允许DA输出，DA输出模拟电压(满幅±10V)U_DA(i)=F(N*D_16(i))，由DA保证其线性度；

程序框图中的7，为DA输出电压信号经过立方根变换电路并输出到模数转换器AD的输入端；程序框图中的8，由MCU的控制连线启动模数转换器；

程序框图中的9，MCU控制从AD读取16位转换数值D_i,将D_i做为地址,、将N*D_16(i)数据（带符号的24位）暂存在MCU中；经过65536次循环形成自校订通道测量并形成反函数译码数组；

程序框图中的10，由MCU的控制、将Flash Memory选择为块写入状态；

程序框图中的11，将暂存在MCU中的自校订通道数值反函数（带符号的24位）写入64K地址中，完成自校订通道测量并形成反函数译码器；

程序框图中的12，MCU将开关1位置返回，将电路控制到进入数据采集状态。

附图6为宽幅电信号立方根函数变换与数值反函数译码的增倍模数转换正常工作电路状态图，由MCU控制形成。虚线为高阻状态。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，其特征在于，包括一个被测信号输入端；通过一个切换开关同时与被测信号输入端连接的立方根函数变换单元和16位高速数模转换模块；与立方根函数变换单元连接的16位高速模数转换模块；与16位高速数模转换模块连接的数值反变换函数表存放器；一个分别与16位高速数模转换模块、16位高速模数转换模块和数值反变换函数表存放器连接的微处理器；以及给立方根函数变换单元、16位高速数模转换模块、16位高速模数转换模块、数值反变换函数表存放器以及微处理器供电的电源模块。

2.根据权利要求1所述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，其特征在于，所述的立方根函数变换单元包括依次连接的模拟立方根变换电路和反向放大电路；所述的被测信号输入端与模拟立方根变换电路连接，所述反向放大电路与所述16位高速模数转换模块连接。

3.根据权利要求2所述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，其特征在于，所述模拟立方根变换电路包括一个第一运放、两个乘法器以及电阻R1、电阻R2和电阻R3；所述电阻R2、两个模拟乘法器依次串联后跨连到运放的反相输入端和第一运放的输出端之间；所述运放的同相输入端连接电阻R3后接地；该第一运放的反相输入端还与电阻R1连接后与被测信号输入端连接。

4.根据权利要求3所述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，其特征在于，所述的反向放大电路包括一个第二运放、电阻R4、电阻R5和电阻R6；所述电阻R5跨连在第二运放反相输入端和第二运放的输出端之间；该第二运放的同相输入端连接电阻R6后接地；该第二运放的反相输入端还与电阻R4连接后同时与上述两个模拟乘法器以及第一运放的输出端连接。

5.根据权利要求1所述的自校订宽幅信号立方根变换反函数译码增倍模数转换装置，其特征在于，所述的微处理器采用MCU单片机或ARM单片机。

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