专利名称：多通道模数转换装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种多通道模数转换装置及方法，尤其是一种针对多类型模
拟信号通过多通道输入并进行模数转换(A/D)的装置，以及转换的方法。
背景技术：
在微机数据采集或测控系统中，模数转换电路是模拟量输入通道重要的 核心部件，其作用是将反映现场或过程参数实时变化的物理量转换成计算机 能够接收和识别的离散数字代码，主要应用在以单片机或计算机为主的系统中。
目前，市场上模数转换装置已经非常普及，许多这个领域的研究都集中 在如何提高模数转换的转换精度，提高分辨率以及降低量化误差，但这些研 究以及市场上成熟的模数转换产品都只是针对于单一通道或单一信号的数字 化处理，在智能建筑领域很多现场存在地理位置分散，每个位置有多种模拟 信号类型，而每种类型信号只有一两点需要采集。通常对于这种多通道多类 型模拟输入信号的模数转换需对每种类型信号分别采用不同的信号调理电 路，导致电路复杂，成本高。
发明内容
本发明的第一 目的是针对现有单一通道或单一信号的模数转换装置无法 对多通道多类型信号同时进行处理的缺陷，提出了 一种多通道模数转换装置， 既能够对多通道多类型信号进行模数转换，又能够提高模数转换的精度。
本发明的第二目的是针对于现有单一通道或单一信号的模数转换装置无
法转换多通道多类型信号同时进行处理的缺陷，提出了 一种多通道模数转换
的方法，能够同时对多路输入模拟信号进行模数转换。
为实现上述第一目的，本发明提供了一种多通道模数转换装置，包括模
拟信号输入端口、控制采样电路，还包括与所述模拟信号输入端口和控制
采样电路相连的通道开关选择电路，用于将输入的多路模拟信号进行模拟
信号输入通道选择，并将选择后的多路模拟信号通过所述控制采样电路完 成模数转换。
在上述技术方案中，所述通道开关选择电路包括数个模拟多路输出选 择器，分别与输入的模拟信号相连，用于选择输入的模拟信号中的一路到 所述信号调理电路。还可以进一步包括信号调理电路，设置在所述通道开 关选择电路和控制采样电路之间，用于将输入模拟信号转换成电压信号， 并将电压信号放大，以使在量程范围内利用控制采样电路的满度。
所述信号调理电路进一步包括参考电压生成电路，该参考电压生成 电路包括模拟多路输出选择器，该第 一模拟多路输出选择器的输入端与参 考电压相连，输出端与所述电压放大器的反相输入端相连，当选通信号为 热电阻信号或热敏电阻信号时，为反相输入端提供相应的参考电压。
由热电阻或者热敏电阻的电阻信号转换成的电压信号是热电阻或者 热敏电阻的阻值与流经热电阻或者热敏电阻的电流的乘积。热电阻或者热 敏电阻的阻值随着温度变化，其转换后的电压也相应变化，设同相输入端 电压V+,反相输入端电压是V —。要保证V+与V_的差值的最小值越接近0
越好，并且大于o。
当模数转换芯片的模数转换范围是[o, IOV]时，为了提高模数转换的
精度，要求转换后的电压尽量分布在[O, IOV]的整个区间，而且要保证大 于0。这是因为控制采样电路的模数转换范围是[O, 10V],不能是负电压。
所以仪表放大器的输出不应该与同相输入端电压反相，不应该是负电压。 所述信号调理电路还包括恒流源电路，与所述模拟多路输出选择器相
连，用于当模拟信号为电阻信号时，将电阻信号转换成电压信号。
在所述模拟多路输出选择器上外接具有精确阻值的电阻，用于测量热 电阻或者热敏电阻时，首先选通精确电阻所在的通道，测量电压放大器的
输出端电压；然后选通^皮测热电阻或者热壽文电阻所在通道，并测量此时电 压放大器输出端电压。将分别获得的输出端电压做差，以消除所述模拟多 路输出选择起的内阻。
在测量热电阻或者热敏电阻时，外接一个标准电阻(例如阻值为500 欧姆)，先测量这个标准电阻在电压放大器的输出端的电压是 V5,(i*(500+2r)) -V_)*K,然后切换到被测热电阻或者热敏电阻的通道， 测量出此时的电压放大器输出端电压Vo=(i*(Rt+2r)-V—)*K，可得到 Vo-V，=K*i* (Rt-500)。
将得到的两个输出端电压做差，结果与内阻r无关。此时，由于K、 i、 Vo、 V，都是已知的，就可以得到Rt=(Vo-V5。。)/(K*i)+500。其中K、 i、 V5 ', 是定值，Rt与(Vo-V，)成线性/正比例关系，我们就可以根据Ptl000或者 热敏电阻NTC20k的分度表，得到Rt与(Vo-V，)的线性关系表。再根据 (Vo-V,)转换后的数字量值，就可以通过查表得到Rt的值，从而获得温度 值。
对于表中没有的(Vo-V;,J的数字量值，因为该表表示了 Rt与(Vo-V5 。) 的线性关系，可以通过分区线性化的方法计算得至"被测热电阻或者热敏电 阻的值，也就得到了温度值。
还可以进一步增加电压跟随器，将其设置在所述信号调理电路和控制 采样电路之间，用于进行阻抗匹配，以使输出电压得到緩冲。
为了实现上述第二目的，本发明提供了一种多通道模数转换的方法， 包括以下步骤
步骤1,多组模拟信号进入通道开关选择电路，由通道开关选择电路 选通逐个选择每组模拟信号对应的通道；
步骤2,所述通道开关选择电路选通的模拟信号进入信号调理电路后，
所述信号调理电路将所述模拟信号转换成电压信号；
步骤3，所述电压信号进入控制采样电路进行模数转换，输出电压的 数字量值。
其中，所述步骤2具体为所述通道开关选择电路选通的模拟信号进 入信号调理电路后，所述信号调理电路将所述模拟信号转换为预定范围内 的电压信号，以充分利用控制采样电路的满度。
当选通的模拟信号为热电阻或热敏电阻信号时，恒流源电路选通工 作，将所述热电阻或热敏电阻信号转换成电压信号，并输入到电压放大器 的同相输入端；同时，参考电压经模拟多路输出选择器选通输入到电压放 大器的反相输入端。
当通道开关选择电路选通的模拟信号为电压信号时，模拟多路输出选 择器关断恒流源电路的输入，电压放大器的反相输入端接地信号。
当采集的模拟信号为电流信号时，在通道开关选择电路接精确电阻， 将电流信号转换成的电压信号，再输入到电压放大器的同相输入端。
基于上述技术方案，本发明在模拟信号输入端口和控制采样电路之间增 加了通道开关选择电路和信号调理电路，能够自动切换多路模拟输入信号来 进行模数转换，对于多种类型的模拟输入信号都可以利用信号调理电路转换 成电压信号，对于模拟输入信号为热电阻PT1000以及热敏电阻NTC20K,能 够消除多路开关内阻的影响,另外本发明还采用放大电路充分利用模数转换 装置的满度，从而提高了模数转换的精度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明多通道模数转换装置的结构示意图。
图2为本发明多通道模数转换装置的另一种结构示意图。
图3为本发明多通道模数转换装置的再一种结构示意图。
图4为图3中通道选择开关电路和信号调理电路的具体结构示意图，其 中参考电压生成电路用于输入电阻信号时接通。
图5为图3中信号调理电路的另一种具体结构示意图，其中恒流源电路 在输入热电阻或热敏电阻时接通。
图6为本发明多通道模数转换装置的具体实施例的结构示意图。 图7为图6具体实施例的等效电路的结构示意图。 图8为本发明多通道模数转换的方法的流程示意图。
具体实施例方式
本发明对多路不同类型的模拟输入信号进行通道选择，然后根据输入 信号的类型进行相应的处理，转换成电压信号，在放大到量程范围内可以 充分利用模数转换器的满度，最后再通过控制采样电路输出电压的数字量值。
如图1所示，为本发明多通道模数转换装置的结构示意图，包括模拟 信号输入端口 1、通道选择开关电路2和控制采样电路3,其中通道选择 开关电路2与模拟信号输入端口 l相连，接收输入的多路不同类型的模拟 信号；控制采样电路3与通道选择开关电路2的输出端相连，将输入的模 拟量转换成数字量。输入模拟信号类型可以包括不同范围的直流电压信 号、直流电流信号、PTIOOO、 NTC20K等。
如图2所示，为本发明多通道模数转换装置的另一种结构示意图，与 上面区别的是，在通道选择开关电路2和控制采样电路3之间，又增加了 信号调理电路4,能够将输入模拟信号转换成电压信号，并将电压信号放 大，以使在量程范围内利用控制采样电路的满度。
图3为本发明多通道模数转换装置的再一种结构示意图，在图2电路 结构的基础上，又增加了电压跟随器5,设于信号调理电路4和控制采样
电路3之间，能够起到阻抗匹配的作用，能够使得后面的控制采样电路更 好的工作。
参考图4、 5,分别为图3的两种具体，其中通道选择开关电路2由多 个模拟多路输出选择器构成，在本实施例中，采用8路输入模拟信号，因 此可设置三个模拟多路输出选择器21、 22、 23对8路输入模拟信号进行 选通，可以用轮询的方式，逐个选通每路通道，保证每时每刻只有一路模 拟输入信号被选通，也可以根据具体要求只对某几条通道进行选通。
在信号调理电路4中包括用来根据选通的输入模拟信号的类型将输入 模拟信号转化成电压信号，并放大的电压放大器41,电压放大器41的反 相输入端与参考电压生成电路的输出端或者地信号相连，其正相输入端与 通道开关选择电路2的输出端相连。参考电压生成电路由参考电压和一模 拟多路输出选择器42相连，当输入电阻信号时，电压放大器41的反相输 入端与模拟多路输出选择器42的输出端相连，当选通信号为热电阻信号 或热敏电阻信号时，为反相输入端提供相应的参考电压。
由热电阻或者热敏电阻的电阻信号转换成的电压信号是热电阻或者 热每t电阻的阻值与流经热电阻或者热敏电阻的电流的乘积。热电阻或者热 敏电阻的阻值随着温度变化，其转换后的电压也相应变化，设同相输入端 电压V+，反相输入端电压是V-。要保证V+与V_的差值的最小值越接近0 越好，并且大于0。
当模数转换芯片的模数转换范围是[O, IOV]时，为了提高模数转换的 精度，要求转换后的电压尽量分布在[O, IOV]的整个区间，而且要保证大 于0。这是因为控制采样电路的模数转换范围是[O, 10V],不能是负电压。 所以仪表放大器的输出不应该与同相输入端电压反相，不应该是负电压。
信号调理电路4还包括恒流源电路43,与模拟多路输出选择器42相 连，当模拟信号为热电阻信号或热敏电阻信号时，为热电阻或热敏电阻提 供电源，以使所述模拟信号转换为电压信号。在模拟多路输出选择器上外
接具有精确阻值的电阻，可以测量分别接通后所述电压放大器的输出端电 压，并将分别获得的输出端电压做差，以消除所述模拟多路输出选择器的内阻。
在测量热电阻或者热敏电阻时，外接一个标准电阻(例如阻值为500 欧姆)，先测量这个标准电阻在电压放大器的输出端的电压是 V;。。=(i*(500+2r)) -V—)*K,然后切换到被测热电阻或者热敏电阻的通道， 测量出此时的电压放大器输出端电压Vo=(i*(Rt+2r)-V_)*K,可得到 Vo-V50。=K*i* (Rt-500)。
将得到的两个输出端电压做差，结果与内阻r无关。此时，由于K、 i、 Vo、 Vs。。都是已知的，就可以得到Rt=(Vo-V5。。)/(K*i)+500。其中K、 i、 V50(1 是定值，Rt与(Vo-V;。。)成线性/正比例关系，我们就可以根据PtlOOO或者 热敏电阻NT。0k的分度表，得到Rt与(Vo-V，)的线性关系表。再根据 (Vo-V，)转换后的数字量值，就可以通过查表得到Rt的值，从而获得温度 值。
对于表中没有的(Vo-V,)的数字量值，因为该表表示了 Rt与(Vo-V5。。) 的线性关系，可以通过分区线性化的方法计算得到被测热电阻或者热敏电 阻的值，也就得到了温度值。
可以通过调整放大电路的发大倍数，使输出电压落在一个预定的范围 内，例如输出范围为0~ 10V的电压，从而充分的利用控制采样电路3的 满度，所谓满度即量程的最大值。
以上给出了本发明的几种功能模块的结构说明，接下来本发明的 一个 具体实施例，如图6所示，为本发明多通道模数转换装置的具体实施例的 结构示意图，输入信号端TG2-4分别与模拟多路输出选择器Ul的XO-2相 连，输入信号端TG5-7分别与模拟多路输出选择器U3的X0-2相连，输入 信号端TG8、 TG9分别与模拟多路输出选择器U5的X0、 XI相连，Ul、 U3、 U5的X输出端与电压放大器U4的正相输入端相连，Ul、 U3、 U5在同一时
刻只选通一路。
为了克服U1、 U3、 U5的内阻，可以在每个模拟多路输出选择器的X3 端口接入电阻R1、 R2、 R3。模拟多路输出选择器U1、 U3、 U5共同组成了 模拟多路选择电路。在本实施例中只提供了 3个模拟多路输出选择器，但 本发明可以根据输入通道的个数选择更多或更少的模拟多路输出选择器。
电压放大器U4是信号调理电路中的一部分，其作用是放大输入的电 压信号，以使采样控制电路能够在满量程内工作，从而提高转换精度。
当输入信号为热电阻信号或热敏电阻信号时，需要将热电阻信号或热 敏电阻信号转换成电压信号，才能够进行放大，因此在信号调理电路中加 入参考电压生成电路，即模拟多路输出选择器U2， U2的Y0、 Yl分别通过 电阻R4、 R5与参考电压+2. 5V相连，其中R4对应着热电阻信号，R5对应 着热敏电阻信号，在选通不同信号时，也选通R4和R5对应的回3各。
信号调理电路还包括恒流源电路，即由三端可调电流源D1、可变电阻 VR1、电阻R9、电阻RIO、 二极管D2构成，恒流源电路与U2的X0、 XI端 口连接，在这里U2作为恒流源的开关。模拟多路输出选择器U6作为选通 不同电阻的电子开关，XO、 YO、 Y1端口与电阻R8、 R7、 R6相连。
为了控制电压的放大倍数，可以在电压放大器的控制端接入模拟多路 输出选择器U8,在该模拟多路输出选择器U8与电压放大器控制端组成的 电路中，接入电阻R14、 R15、 R16，根据阻值的大小来计算放大倍数，由 A、 B端口输入的信号选通不同的电阻来适应不同的输入信号。
电压放大器U4的输出端与电压放大器U7的正相输入端相连，电压放 大器U7作为电压跟随器，起到阻抗匹配的作用，其输出端与控制采样电 路U9连接。控制采样电路U9对转换后的电压信号进行模数转换。
如图7所示，为图6具体实施例的等效电路的结构示意图，其中模拟 多路输出选择器U2为开关Sl和S2,分别为恒流源电路和参考电压生成电 路选通和切断；开关S4是由模拟多路输出选择器U6提供的，电阻R4和
R6是当输入分别为热电阻信号或热偶电阻时接通，并在运算时做差以消除 内阻的影响，具体可参见前面叙述。
模拟多路输出选择器U1、 U3、 U5共同组成开关S4和S5,在一个时刻 内只能选通一路信号，Rt为被测电阻，可以是为了消除多路开关内阻的 具有精确阻值的标准电阻，或者热电阻或热敏电阻。基于上述的多通道模 数转换装置，本发明的多通道模数转换的过程如图8所示，为本发明多通 道模数转换的方法的流程示意图，包括以下步骤
步骤101,多组模拟信号进入通道开关选择电路，由通道开关选择电 路选通逐个选择每组模拟信号对应的通道；
步骤102,通道开关选择电路选通的模拟信号进入信号调理电路后， 所述信号调理电路将所述模拟信号转换成电压信号；
步骤103，电压信号进入控制采样电路进行模数转换，输出电压的数 字量值。
在步骤102中，通道开关选择电路选通的模拟信号进入信号调理电路 后，所述信号调理电路将所述模拟信号转换为预定范围内的电压信号，以 充分利用控制采样电路的满度。
当选通的模拟信号为电阻信号时，参考电压生成电路42被接通，模 拟多路输出选择器42输出恒流信号，将电阻信号转换成电压信号。电压 放大器41可选用仪表放大器，设同相输入端电压V+,反相输入端电压是 V一。
当模数转换芯片的模数转换范围是[o, iov]时，为了提高模数转换的
精度，要求转换后的电压尽量分布在[O, IOV]的整个区间，而且要保证大 于0。这是因为仪表放大器的输出不能与同相输入端电压反相，不能是负电压。
首先将通道切换到标准电阻上，标准电阻选为500欧姆，电压放大器 41的输出为
V50。=(i* (500+2r)) —V—)*K;
再切换到模拟输入信号Rt上，电压放大器41的输出为 V,,= (i*(Rt+2r)-V—)*K，
可推导出Rt=(V,，-V50。)/(K*i)+500，即V。-V5 。=K*i*(Rt-500), 式中，K为放大倍数，V—是反向输入端电压，r是模拟开关内阻，500 欧姆为标准参考电阻，i是恒流源电流，Rt是输入电阻信号。其中，参考 电位V-的选择要保证Rt取范围最小值时，电压放大器41的输出大于零， 并尽量接近O;在Rt取范围最大值时，电压放大器41的输出不大于模数 转换的满度。
当选通的模拟信号为热敏电阻或热电阻信号时，恒流源电路选通工 作，与输入电阻信号的处理方式相似，将热敏电阻或热电阻信号转换成电 压信号，并输入到电压放大器的同相输入端；同时，参考电压经模拟多路 输出选择器选通输入到电压放大器的反相输入端。
显然，两个输出端电压做差的结果与内阻r无关，其中K、 i、 V锁,是 定值，Rt与(Vo-Vs。。)成线性/正比例关系,我们就可以根据PUOOO或者热 敏电阻NTC20k的分度表，得到Rt与(Vo-V，)的线性关系表。再根据(Vo-V5。。) 转换后的数字量值，就可以通过查表得到Rt的值，从而获得温度值。
对于表中没有的(Vo-V;J的数字量值,因为该表表示了 Rt与(Vo-V5。。) 的线性关系，可以通过分区线性化的方法计算得5 ij被测热电阻或者热敏电 阻的值，也就得到了温度值。
当通道开关选择电路选通的模拟信号为电压信号时，模拟多路输出选 择器关断恒流源电路的输入，电压放大器的反相输入端接地信号。
当采集的模拟信号为4-20mA电流信号时，通过在通道开关选择电路 接250欧姆的精确电阻，转换成1 5V的电压信号，再输入到电压放大器
的同相llr入端。
还可以通过CPU对各个模拟多路输出选择器、放大电路、参考电压生
成电路等端口进行控制，可以实现各个模拟多路输出选择器的通断选择， 以及放大电路形式和放大倍数的选择。
最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对 其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普 通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者对 部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵 盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
权利要求
1、一种多通道模数转换装置，包括模拟信号输入端口、控制采样电路，其特征在于，还包括与所述模拟信号输入端口和控制采样电路相连的通道开关选择电路，用于将输入的多路模拟信号进行模拟信号输入通道选择，并将选择的一路模拟信号通过所述控制采样电路完成模数转换。
2、 根据权利要求1所述的多通道模数转换装置，其特征在于，还包括信号调理电路，设置在所述通道开关选择电路和控制采样电路之间，用 于将输入模拟信号转换成电压信号，并将电压信号放大，以使在量程范围 内利用控制采样电路的满度。
3、 根据权利要求2所述的多通道模数转换装置，其特征在于，还包 括电压跟随器，设置在所述信号调理电路和控制采样电路之间，用于进行 阻抗匹配，以使输出电压得到緩冲。
4、 根据权利要求3所述的多通道模数转换装置，其特征在于，所述 通道开关选择电路包括数个模拟多路输出选择器，分别与输入的模拟信号 相连，用于选择输入的模拟信号中的 一路到所述信号调理电路。
5、 根据权利要求3所迷的多通道模数转换装置，其特征在于，所述 信号调理电路进一步包括电压放大器，该电压放大器的正相输入端与所 述通道开关选择电路的输出端相连，反相输入端通过电阻与地信号相连， 用于根据选通的输入模拟信号的类型将输入模拟信号转化成电压信号，并 放大所述电压信号，以使在量程范围内利用控制采样电路的满度。
6、 根据权利要求5所述的多通道模数转换装置，其特征在于，所述 信号调理电路进一步包括参考电压生成电路，该参考电压生成电路包括 模拟多路输出选择器，该第 一模拟多路输出选择器的输入端与参考电压相 连，输出端与所述电压放大器的反相输入端相连，用于当选通信号为热电 阻信号或热敏电阻信号时，为反相输入端提供相应的参考电压。
7、 根据权利要求6所述的多通道模数转换装置，其特征在于，所述 信号调理电路还包括恒流源电路，与所述模拟多路输出选择器相连，用于 当模拟信号为电阻信号时，将电阻信号转换成电压信号。
8、 根据权利要求5所迷的多通道模数转换装置，其特征在于，在所述模拟多路输出选择器上外接具有精确阻值的电阻，用于测量热电阻或者 热敏电阻时，首先选通精确电阻所在的通道，测量电压放大器的输出端电压；然后选通被测热电阻或者热敏电阻所在通道，并测量此时电压放大器输出端电压。将分别获得的输出端电压做差，以消除所述模拟多路输出选 择起的内阻。
9、 一种多通道模数转换的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，多组模拟信号进入通道开关选择电路，由通道开关选择电路 选通逐个选择每组模拟信号对应的通道；步骤2,所述通道开关选择电路选通的模拟信号进入信号调理电路后， 所述信号调理电路将所述模拟信号转换成电压信号；步骤3,所述电压信号进入控制采样电路进行模数转换，输出电压的 数字量值。
10、 根据权利要求9所述的多通道模数转换的方法，其特征在于，所 述步骤2具体为所述通道开关选择电路选通的模拟信号进入信号调理电 路后，所述信号调理电路将所述模拟信号转换为预定范围内的电压信号， 以充分利用控制采样电路的满度。
11、 根据权利要求10所述的多通道模数转换的方法，其特征在于， 当选通的模拟信号为热电阻或者热敏电阻信号时，恒流源电路选通工作， 将所述热电阻或热敏电阻信号转换成电压信号，并输入到电压放大器的同 相输入端；同时，参考电压经模拟多路输出选择器选通输入到电压放大器 的反相输入端。
12、根据权利要求10所述的多通道模数转换的方法，其特征在于， 当通道开关选择电路选通的模拟信号为电压信号时，模拟多路输出选择器关断恒流源电路的输入，电压放大器的反相输入端接地信号。
13、根据权利要求10所述的多通道模数转换的方法，其特征在于， 当采集的模拟信号为电流信号时，在通道开关选择电路接精确电阻，将电 流信号转换成的电压信号，再输入到电压放大器的同相输入端。
全文摘要
本发明涉及一种多通道模数转换装置，包括模拟信号输入端口、控制采样电路，还包括与模拟信号输入端口和控制采样电路相连的通道开关选择电路。本发明还涉及一种多通道模数转换的方法，包括多组模拟信号进入通道开关选择电路，由通道开关选择电路逐个选通每组模拟信号对应的通道；通道开关选择电路选通的模拟信号进入信号调理电路后，信号调理电路将模拟信号转换成电压信号；电压信号进入控制采样电路进行模数转换，输出电压的数字量值。本发明增加了通道开关选择电路和信号调理电路，能够自动切换多路模拟输入信号来进行模数转换。另外本发明还采用放大电路充分利用模数转换装置的满度，从而提高了模数转换的精度。
文档编号H03M1/66GK101119115SQ20061010926
公开日2008年2月6日 申请日期2006年8月3日 优先权日2006年8月3日
发明者任会峰, 程朋胜, 郭宇红, 高贵贤 申请人:深圳达实智能股份有限公司