專利名稱：一種帶隔離且小尺寸、低功耗的a/d模擬通道電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模擬通道電路，具體涉及一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路。
背景技術：
隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展以及數(shù)字器件性能的不斷提高，對信號的分析逐漸從模擬信號過渡到數(shù)字信號，而作為連接數(shù)字信號與模擬信號的橋梁——A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在信號分析中具有重要作用。完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)為界，分為模擬部分和數(shù)字部分，傳感器輸出的模擬信號通過模擬部分的調(diào)理后進入ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由控制器對該數(shù)字信號進行存儲、顯示等操作。模擬量的幅度和ADC的量程越接近，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度越高。模擬通道的核心功能是將傳感器輸出范圍內(nèi)任意的模擬信號按比例調(diào)整為與ADC量程接近的信號，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的模擬通道通常由模擬衰減電路，阻抗變換電路等組成。以ACQ公司的A/D數(shù)據(jù)采集M模塊M392為例，其允許采集信號范圍為O 5V、±5V、0 10V、±10V，最大采樣率為lOOkSPS。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般要求輸入阻抗為兆歐級，故將信號送入ADC之前需要進行阻抗變換。由圖I可知，第二運算放大器2的型號為LTl 114，第二運算放大器2以及第一電阻R1組成電壓跟隨電路實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換，第二電阻R2及InF電容C2構成截止頻率為IkHz的低通濾波器，用于濾除輸入信號的高頻噪聲。由于輸入信號存在負電壓，故使用雙電源運放，后端ADC采用的單5V供電。若電路需要隔離，則±12V及+5V均需要使用DC-DC進行隔離，當通道數(shù)較多時要求DC-DC功率較大，而此類DC-DC —般體積均較大，且電源轉(zhuǎn)換效率不高(一般為80% )，而M模塊對功耗及電路板尺寸有極其嚴格的要求(5V輸出要求功率低于5W，±12V輸出要求功率低于5W)，若采用圖I中傳統(tǒng)的模擬通道設計方式，很難滿足需隔離且對電路板尺寸、功耗有要求的M模塊。另一方面，若輸入信號為差分信號而后端ADC等電路不做改動，傳統(tǒng)信號調(diào)理電路無法有效兼容此種情況，需在前端加入電壓跟隨電路將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，如ACQ公司M392的姊妹型號M393如圖2所示，其與M392僅在輸入信號類型和通道數(shù)有差別。與圖I相比，該電路中加入了由第三運算放大器3組成的差分轉(zhuǎn)單端信號電路，該第三運算放大器3的型號為AD622，新加入的電路占用了更多的電路板尺寸以及消耗了更多的功率，增加電路板密度的同時也不利于布局布線，降低了電路板的可靠性，受M模塊尺寸以及功耗的限制，測量通道由M392的16通道縮減為8通道，降低了設計指標。由上述分析可知，現(xiàn)有的A/D采集模擬通道用于需隔離，采集信號包含正負電壓成分且對電路板尺寸、功耗有要求的場合(如M模塊)時造成電路板密度過大，增加了布局布線難度，降低了系統(tǒng)可靠性，且?guī)沓杀咎嵘踔翣奚蓸油ǖ罃?shù)，以及無法同時兼容差分信號與單端信號的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的A/D采集模擬通道用于需隔離，采集信號包含正負電壓成分且對電路板尺寸、功耗有要求的場合時造成電路板密度過大，增加了布局布線難度，降低了系統(tǒng)可靠性，且?guī)沓杀咎嵘踔翣奚蓸油ǖ罃?shù)的問題，從而提出了一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路。本發(fā)明所述的一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，它包括第一電阻R1、第二電阻R2和第一運算放大器，所述的第一運算放大器的雙相電源的正極端接+5V，該雙相電源的負極端接地，所述的第一運算放大器的正相輸入端與第一電阻R1的一端連接，該第一電阻R1的另一端為差分信號Hi輸入端,所述的第一運算放大器的負相輸入端同時與第二電阻R2的一端和第一運算放大器的輸出端連接，該第二電阻R2的另一端為基準電壓Vref輸入端，同時也是差分信號Li輸入端，第一運算放大器的輸出端為模擬通道電路的輸出端Vout。本發(fā)明提出了一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，在需隔離且對功耗、電路板尺寸有要求的運用場合中，達到了在有效降低電路板的設計密度與功耗，同時兼容單端信號與差分信號，提高了而系統(tǒng)的可靠性，且降低設計成本的同時增強了設計指標的目的。


圖I為M392前端信號調(diào)理電路圖，圖2為M393前端信號調(diào)理電路圖，圖3為具體實施方式
一的模擬電路圖，圖4為具體實施方式
二的模擬電路圖，圖5為測試誤差曲線圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，它包括第一電阻R1、第二電阻R2和第一運算放大器1，所述的第一運算放大器I的雙相電源的正極端接+5V，該雙相電源的負極端接地，所述的第一運算放大器I的正相輸入端與第一電阻R1的一端連接，該第一電阻R1的另一端為差分信號Hi輸入端,所述的第一運算放大器I的負相輸入端同時與第二電阻R2的一端和第一運算放大器I的輸出端連接，該第二電阻R2的另一端為基準電壓Vref輸入端，同時也是差分信號Li輸入端，第一運算放大器I的輸出端為模擬通道電路的輸出端Vout。如圖3可知，Hi與Li為一對差分信號，Vref為基準電壓，采用電壓基準芯片產(chǎn)生，與輸入信號的低端Li相接，電阻凡、R2的選擇與對模擬通道的輸入阻抗要求有關。根據(jù)虛短虛斷，可以得到Vout = Hi = Hi-Li+Li = (Hi-Li) +Vref (I)當輸入差分信號幅值范圍為±2.5￥時，取￥1*社為2.5￥，由式⑴可知運算放大器的輸出在O +5V范圍之內(nèi)，可直接作為后端ADC的輸入。若要求ADC輸入信號為差分信號，則可將運算放大器的輸出與+2. 5V參考電壓之間看成一對差分信號送入A/D變換器。例如，若高端和低端之間輸入IV的電壓，由式⑴可知，此IV電壓經(jīng)過量程選擇電路后，輸 出電壓Vout為I. 5V，再與參考電壓2. 5V差分，最后輸入A/D變換器的信號仍然為IV。當輸入信號為±2. 5V的單端信號時，將輸入信號的地連接到Li，另一端連接到Hi，依據(jù)理想運算放大器工作在負反饋狀態(tài)時虛短虛斷的特性，仍然能夠得出式(I)的結論，因此，該電路同樣適用于單端信號。類似的，若要求ADC輸入信號為差分信號，可將運算放大器的輸出與+2. 5伏參考電壓之間看成一對差分信號送入A/D變換器。該基本模擬通道電路實現(xiàn)了電路的阻抗變換，且可將±2. 5V的單端信號或差分信號轉(zhuǎn)換成O 5V單端信號，輸入信號經(jīng)過模擬通道信號變換之后使得后端ADC可選擇單電源供電型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，達到了統(tǒng)一元器件供電電壓的目的，因此減少DC-DC電源的輸出路數(shù)，降低電路的功耗的同時減小了電路板尺寸，且同時兼容輸入信號為單端信號與查分信號。
具體實施方式
二、結合圖4具體說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一所述的一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路的區(qū)別在于，它還包括第三電阻 R3,所述的第三電阻R3的一端接差分信號Li，該第三電阻R3的另一端通過導線與第一運算放大器I的正輸入端連接。
具體實施方式
三、本實施方式與具體實施方式
二所述的一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路的區(qū)別在于,第一運算放大器I的型號為單輸入5V供電的AD8630運算放大器，其允許輸入最大單端信號幅值為-O. 3V 6. 3V，增益帶寬積為2. 5MHz。如圖4所示，Hi與Li為一對差分信號，Vref為基準電壓，采用電壓基準芯片產(chǎn)生，
與輸入信號的低端Li相接，R1與R3為分壓電阻，起信號衰減的作用。依據(jù)虛短虛斷得到
r Vout - Li Hi - Vout, 、-=- (2)對式(2)進行簡單的化簡、變形后得到Vout = Rl (Hi - Li) + Vref(3)
Rs+ Ri以輸入信號為±15V 為例，即 Hi-Li = ±15丫，取 R1 = 500k · ·，R3 = IOOk · ·，基準電壓Vref = 2. 5V，則Vout的輸出范圍為O 5V，與輸入信號為±2. 5V情況相同，若后端為差分信號輸入型ADC,運算放大器的輸出與+2. 5V參考地之間也構成一對差分信號可作為其輸入。與基本模擬通道類似，當輸入信號為±15V的單端信號時，將輸入信號的地連接到Li，另一端連接到Hi，依據(jù)理想運算放大器工作在負反饋時“虛短虛斷”的特性，得出式(3)的結論，因此，該電路同樣適用于單端信號。本實施方式中的拓寬了對輸入信號范圍的要求，通過選擇合適的R1與R3可將輸入信號幅值調(diào)整到O 5V的范圍。在實際的應用中，選擇運算放大器時應該優(yōu)先選擇單電源型、且偏置電流較小(PA級或nA級)、壓擺率SR>2X π Xf XVpk的運算放大器，其中f為輸入信號頻率，Vpk為輸入信號峰峰值；電阻R1與R3選擇與待測信號的輸出阻抗、輸入信號的幅值有關，且為了減小電阻的分布電容對信號的影響，應優(yōu)先選擇分布電容較小的貼片類電阻。對于不同幅值、不同輸入頻率信號，應根據(jù)具體需求靈活選擇電阻的阻值、基準電壓大小、運算放大器的型號，是否需要在運算放大器輸出端加入濾波器。以輸入信號分別為-2. 5V 2. 5V、-15V 15V，頻率從I IOOkHz的正弦波為例，對基本模擬通道電路與改進模擬通道電路測試，分別用示波器記錄下波形，將所得結果與理論結果對照，計算出最大滿量程誤差，測試所得誤差曲線如圖5所示。圖5中，χ軸表示輸入頻率，單位為10xHz，y軸表示最大滿量程誤差，曲線yl代表輸入信號幅值為2. 5V，曲線y2、y3、y4分別代表輸入信號幅值為5V、10V、15V，從圖中我們可知a輸入信號頻率在I IOOkHz范圍內(nèi)時滿量程誤差在1%以內(nèi)；b誤差隨頻率升高逐漸增大，且增大速度加快；c同頻率下輸入信號幅值越大誤差越大。出現(xiàn)此結論的原因是實際情況下電阻并非理想元件，存在一定的分布電容電感，輸入信號頻率越高對其影響越大； 電阻存在±0.001% ±20%的誤差，輸入信號經(jīng)電阻衰減后該部分誤差也引入其中，且幅值越大引入的誤差越大，因此模擬通道誤差隨輸入信號頻率和幅值升高而增大。
權利要求
1.一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，其特征在于它包括第一電阻R1、第二電阻R2和第一運算放大器(I)，所述的第一運算放大器(I)的雙相電源的正極端接+5V，該雙相電源的負極端接地，所述的第一運算放大器(I)的正相輸入端與第一電阻R1的一端連接，該第一電阻R1的另一端為差分信號Hi輸入端，所述的第一運算放大器(I)的負相輸入端同時與第二電阻R2的一端和第一運算放大器(I)的輸出端連接，該第二電阻R2的另一端為基準電壓Vref輸入端，同時也是差分信號Li輸入端，第一運算放大器(I)的輸出端為模擬通道電路的輸出端Vout。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，其特征在于它還包括第三電阻R3,所述的第三電阻R3的一端為差分信號Li輸入端，該第三電阻R3的另一端與第一運算放大器(I)的正相輸入端連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，其特征在于第一運算放大器(I)的型號為單輸入5V供電的AD8630運算放大器,其允許輸入最大單端信號幅值為-0. 3V 6. 3V，增益帶寬積為2. 3MHz。
全文摘要
一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路，涉及一種帶隔離且小尺寸、低功耗的A/D模擬通道電路。它為了解決現(xiàn)有的A/D采集模擬通道用于需隔離，電路板密度過大，增加了布線難度，可靠性差，成本高的問題。本發(fā)明的第一運算放大器的雙相電源的正極端接+5V，該電源的負極端接地，第一運算放大器的正相輸入端與第一電阻R1的一端連接，第一電阻R1的另一端為差分信號Hi輸入端，第一運算放大器的負相輸入端同時與第二電阻R2的一端和第一運算放大器的輸出端連接，該第二電阻R2的另一端為基準電壓Vref輸入端，同時也是差分信號Li輸入端，第一運算放大器的輸出端為模擬通道電路的輸出端Vout。本發(fā)明適用于電子領域。
文檔編號H03M1/12GK102638266SQ201210132218
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權日2012年5月2日
發(fā)明者喬立巖, 劉兆慶, 張洋, 彭喜元, 王儲, 馬云彤 申請人:哈爾濱工業(yè)大學