CN203596815U - 模拟量采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型具体涉及一种模拟量采集装置，所述模拟量采集装置与一被测装置连接，所述采集装置由ADC、参考电源、单片机以及存储器构成，所述参考电源和单片机分别与所述ADC连接，所述单片机与所述存储器相互连接，其特征在于所述参考电源上连接有一电压测量装置，所述电压测量装置与所述计算机连接。本实用新型的优点是，通过将公式Va=Vd*Vref/(2n-1)中的Vref作为变量，由独立的电压测量装置测试实际的参考电压，且由于该电压测量装置的精度可以达到1mv以上，可以满足12位及以上的ADC转换精度的需求，采集装置的模数转换精度大为提高，避免了采用昂贵的高精度电源，该装置结构简单成本低，适合大规模推广应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及模数转换装置，具体涉及一种模拟量采集装置。
背景技术
在控制领域需要采集各种各样的模拟量，如电压、电流、温度、湿度等等，为数据分析方便，一般均采用单片机对数据进行实时处理。对于各种模拟量，为处理方便，经过各种电路的转换，最终均表现为电压量的方式，由ADC（模数变换器）采样、量化、编码，变成2进制的形式，以便单片机进行数据识别和处理。
ADC转换完成后形成的数字量为：
Vd=Vin/Vref*(2n-1) (1）
式中，Vd: ADC 转换完成后的数量值；
Vin：为待采集的模拟量转换为电压量后的电压值；
Vref：为ADC的参考电压；
n:为ADC编码的位数。
经过ADC转换后，模拟量转换成了2进制的数据，单片机能够识别。但这些只是2进制，还不是实际模拟量的数值，为适合数据处理，还需要转换成实际的电压量：
Va=Vd*Vref理/(2n-1) (2)
所存在的问题是：根据ADC的原理，在ADC转换过程中，实际的待转换的电压量和参考电压（Vref）是逐次比较后得到的2进制序列，式（1）中的Vref是实际的参考电压，而式（2）中的Vref理是实际参考电压的理论值，可以理解为是一个常量。比如有个ADC的参考电压是5V，那么我们认为理论值就是5V，我们在单片机中运算式（2）时，式中的Vref理就等于5V，但式（1）中的Vref是实际值，总是有个误差存在，如果此时参考电压的精度是1%，则实际电压是4.95V—5.05V。那么，我们即使不考虑ADC本身的精度，仅仅参考电压就带来了1%的误差，这在高精度的ADC中是难以接受的。
通常解决这个问题的方法是提高电源的精度。如果ADC的参考电压是5V，参见下表中ADC量化数据和精度关系：
| 编码位数（n） | 2n-1 | 电压（5VFS） | %FS |
| 8 | 255 | 19.55mV | 0.39 |
| 10 | 1023 | 4.07mV | 0.098 |
| 12 | 4095 | 1.22mV | 0.024 |
| 14 | 16383 | 0.31mV | 0.0061 |
从上表中可以看到，在8位系统，如果不考虑其他因素带来的误差，ADC本身的精度就有0.39%的精度，可识别的步进为19.55mV 。而那么就需要有0.39%以上精度的电源相匹配，如果是12位系统，就需要有0.02%精度的电源相匹配。但实际上，超过0.5%精度的电源就比较昂贵，超过0.1%精度的电源就比较难获得，在普通的ADC领域对成本比较敏感，难以推广。在ADC的精度上面，现在12位就比较普遍，甚至有些商用单片机就集成12位ADC。
发明内容
本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种模拟量采集装置，该采集装置通过在参考电源上增设电压测量装置，以测试出实际的参考电压Vref，提高采集装置模数转换精度。
本实用新型目的实现由以下技术方案完成：
一种模拟量采集装置，所述模拟量采集装置与一被测装置连接，所述采集装置由ADC、参考电源、单片机以及存储器构成，所述参考电源和单片机分别与所述ADC连接，所述单片机与所述存储器相互连接，其特征在于所述参考电源上连接有一电压测量装置，所述电压测量装置与所述单片机连接。
所述电压测量装置与所述单片机之间连接有一上位机。
所述ADC、参考电源、单片机以及存储器封装于同一片芯片中。
所述ADC、参考电源、单片机、存储器、电压测量装置以及上位机各自封装于芯片中，各所述芯片之间相互连接。
本实用新型的优点是，通过将公式Va=Vd*Vref/(2n-1)中的Vref作为变量，由独立的电压测量装置测试实际的参考电压，且由于该电压测量装置的精度可以达到1mv以上，可以满足12位及以上的ADC转换精度的需求，采集装置的模数转换精度大为提高，避免了采用昂贵的高精度电源，该装置结构简单成本低，适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1，图中标记1-7分别为：ADC1、单片机2、存储器3、采集装置4、上位机5、电压测量装置6、参考电源7。
实施例：本实施例具体涉及一种模拟量采集装置，该采集装置在控制领域用于采集各种各样的模拟量，如电压、电流、温度、湿度等，并将这些模拟量转换成数字量，以方便数据分析。
如图1所示，本实施例中的模拟量采集装置4与一被测装置连接，以获取其被采集量，如电压、电流、温度、湿度等。该采集装置4具体由ADC1（即模数变换器）、参考电源7、单片机2以及存储器3构成，参考电源6、单片机2分别与ADC1连接，且单片机2的另一端还与存储器3相连接，为了测量实际的参考电压，在参考电源7上连接独立的电压测量装置6，该电压测量装置6通过上位机5的通信端口与单片机2相连接；其中的ADC1负责采样、量化、编码，参考电源7向ADC1提供电能，同时其电压作为参考电压使用，单片机2则负责数据处理，存储器3负责存储计算程式和采集数据。
如图1所示，本实施例中模拟量采集装置的工作方法具体如下：
①对于各种采集到的模拟量，为处理方便，经过各种电路的转换，最终均表现为电压量的方式，由ADC1（模数变换器）采样、量化、编码，变成二进制的形式，以便单片机2进行数据识别和处理；ADC1转换完成后形成的数字量为：
Vd=Vin/Vref*(2n-1) (1）
式中，Vd: ADC 转换完成后的数量值；
Vin：为待采集的模拟量转换为电压量后的电压值；
Vref：为ADC的参考电压；
n: 为ADC编码的位数。
当ADC1转换发生时刻，采集的是Vin/Vref的比值，式（1）中的Vref是实际值。
②经过ADC1转换后，模拟量转换成了二进制的数据，使单片机2能够识别。但这些只是二进制，还不是实际模拟量的数值，为适合数据处理，还需要转换成实际的电压量Va：
Va=Vd*Vref/(2n-1) (2)
根据ADC的原理，在ADC转换过程中，实际的待转换的电压量和参考电压（Vref）是逐次比较后得到的二进制序列，式（1）中的Vref是实际的参考电压，而式（2）中的Vref是实际参考电压的理论值。比如有个ADC的参考电压是5V，那么我们认为理论值就是5V，我们在单片机中运算式（2）时，式中的Vref就等于5V，但式（1）中的Vref是实际值，总是有个误差存在，如果此时参考电压的精度是1%，则实际电压是4.95V—5.05V。那么，我们即使不考虑ADC本身的精度，仅参考电压就带来了1%的误差，这在高精度的ADC中是难以接受的。
③因此将式（2）中的Vref作为变量，由独立于本装置之外的电压测量装置6测试实际的参考电压Vref，即图1中参考电源7的电压，然后由独立于本装置之外的上位机5通过通信端口把实际测试得到的实际参考电压值传递给式（2）中的Vref变量，经单片机2计算处理获得实际电压量Va；这样处理后，式（1）中和式（2）中的Vref均为实际的参考电压值，2个表达式中的参考电压几乎一致，测量精度大为提高，对参考电压的精度只取决于独立的电压测量装置6；独立的电压测量装置6精度可以达到1 mV 以上的精度，可以满足12位及以上的ADC转换精度的需求。
④经上位机5传入到本装置的实际参考电压存储在存储器3中，当本装置校准完后重新启动时，本装置将从存储器3中取出传入的参考电压给式(2)的Vref赋值参与测量模拟量。
⑤独立于本装置之外的电压测量装置6和上位机5只有在装置需要校准时存在，当测试校准完成，本装置实际工作时，电压测量装置6和上位机5可以断开连接。
⑥本装置在未校准前，将采用理论参考电压参与运算。
本实施例的有益效果在于，将式（2）中的Vref作为变量，通过电压测量装置测试其实际的参考电压值，在避免采用以往价格高昂的高精度电源的同时，有效提高了模数转换的精度，且该装置结构简单，只需在既有的采集装置上增加一电压测量装置和上位机即可，成本较低，适合大规模推广应用。
Claims (4)
1.一种模拟量采集装置，所述模拟量采集装置与一被测装置连接，所述采集装置由ADC、参考电源、单片机以及存储器构成，所述参考电源和单片机分别与所述ADC连接，所述单片机与所述存储器相互连接，其特征在于所述参考电源上连接有一电压测量装置，所述电压测量装置与所述单片机连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟量采集装置，其特征在于所述电压测量装置与所述单片机之间连接有一上位机。
3.根据权利要求1所述的一种模拟量采集装置，其特征在于所述ADC、参考电源、单片机以及存储器封装于同一片芯片中。
4.根据权利要求1所述的一种模拟量采集装置，其特征在于所述ADC、参考电源、单片机、存储器、电压测量装置以及上位机各自封装于芯片中，各所述芯片之间相互连接。
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| CN105680860A (zh) * | 2015-12-28 | 2016-06-15 | 深圳市思达仪表有限公司 | 提高单片机模数转换精度的电路和方法 |
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