一种模数转换电路的制作方法

本实用新型涉及电路信号处理技术领域，特别涉及一种模数转换电路。

背景技术：

在电力终端设备应用环境中，经常需要将现场环境中的一些模拟量信息采集到CPU(Central Processing Unit，中央处理器)进行监测，被采集的模拟量信息可能是电压信号也可能是电流信号。一般情况下，电压信号输入范围在0～5V，电流信号输入范围在4～20mA。为了能准确地对模拟量信号进行采集，同时不引入各种电磁干扰，必须在外接电路与CPU之间进行隔离，隔离通常可采用隔离放大法和光电隔离法。

现有技术中，对模拟量信息的采集一般是先经过隔离电路处理，再直接进入CPU的模数转换接口。其原理如图1所示，其中AIN为模拟信号。隔离电路的处理方法不仅包括数字光电隔离器，还包括隔离放大器和模拟光电隔离器等。

隔离放大器采用磁耦合方法使放大器的输出和输入之间完全没有电气联系，从而使其既隔离了干扰源，抑制了干扰信号，又完成了对信号的放大。隔离放大器内部集成了高性能的输入输出放大器、调制解调器、信号耦合变压器等单元器件。它具有完全浮动的输入端和独立隔离的输出端，并具有良好的线性度和稳定性，还具有较高的隔离电压和共模抑制比。但是隔离放大器的价格比较高，它只适用于要求较高的场合。

而光电隔离的方法则比较常用，它是利用光信号作为媒介进行光电转换的一种方法。电气上，这种方法将测量系统与现场测量环境完全隔离，减小了外界干扰对系统的影响。此外，由于光电耦合器的输入阻抗小于干扰源的内阻，因而使叠加在被测信号上的干扰信号被极大的衰减，从而保证了测量的准确度。数字光电隔离器也能进行模拟信号的隔离，只不过需要增加一些外围电路，该电路包括两只运算放大器和两只光电耦合器，其中一只光电耦合器用于负反馈放大器，目的是修正数字光隔本身的非线性，提高整个设计的线性度。这种方法虽然成本低，但是由于数字光隔本身的非线性和光隔离器件之间的非一致性，这种隔离电路的线性度不高，因此它只适用于要求不太高的场合。

模拟光电隔离器同样是利用光电转换的原理，使用的光电器件的材料和工艺与数字光电隔离器不同，线性度比数字光隔有了很大的提高，目前常用的是HCNR201高线性模拟光耦，它包含一个高性能的砷化铝镓LED，该LED光耦合到两个密切配合的光电二极管，输入光电二极管用于监测并稳定LED的光输出稳定性，将LED的非线性和漂移特性几乎完全消除。输出二极管则产生一个跟LED的光输出线性相关的光电流。总的来说，其高线性度明显增强但适用范围仍然受限。

但是，在实现本实用新型的过程中，实用新型人发现现有技术存在以下技术问题：现有技术方案都只提供了电压信号采集或电流信号采集的其中之一，并且信号采集的线性度仍不能完全满足所有高精度的要求。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种模数转换电路，从而克服现有技术采集的信号源单一以及信号采集的线性度仍不能完全满足所有高精度要求的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种模数转换电路，包括：采样电路、跟随电路、AD转换电路、隔离电路、参考电压产生电路，所述采样电路的输入端接收模拟信号，所述采样电路的输出端与所述跟随电路的输入端相连；所述跟随电路的输出端与所述AD转换电路的输入端相连；所述AD转换电路的输出端与所述隔离电路的输入端相连；所述隔离电路的输出端与外部中央处理器CPU相连；所述参考电压产生电路与所述AD转换电路相连，所述参考电压产生电路为所述AD转换电路提供参考电压。

可选地，上述技术方案中，所述采样电路包括：防护电路、可选配置、信号转换电路，所述防护电路的输入端接收模拟信号；当所述模拟信号为电流模拟信号时，所述可选配置接通，所述防护电路的输出端通过所述可选配置与所述信号转换电路的输入端相连；当所述模拟信号为电压模拟信号时，所述可选配置不接通，所述防护电路的输出端与所述信号转换电路的输入端相连；所述信号转换电路的输出端与所述跟随电路的输入端相连。

可选地，上述技术方案中，所述可选配置为电阻。

可选地，上述技术方案中，所述AD转换电路包括：AD转换芯片、通信接口，所述AD转换芯片与所述跟随电路的输出端、所述参考电压产生电路分别相连；所述AD转换芯片通过所述通信接口与所述隔离电路进行通信。

可选地，上述技术方案中，所述隔离电路包括：通信接口、光电隔离器，所述光电隔离器的输入端通过所述通信接口与所述AD转换电路进行通信；所述光电隔离器的输出端与外部中央处理器CPU相连。

可选地，上述技术方案中，所述隔离电路为数字光电隔离电路。

可选地，上述技术方案中，所述AD转换芯片为AD7708BRU模数转换器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型提供的模数转换电路灵活多变，现有技术的设计一般仅针对电压源或电流源某单一模拟量进行采集测量，而本实用新型则可通过电路选择可选配置(外接负载)，按需满足模拟量的采集，适用性高；将采集到的模拟信号先进行跟随处理，然后进行模数转换，最后进行隔离处理，这种采集方式相比现有方案极大的降低了外界对测量信号的干扰，并确保了采集的高精度要求，同时数字信号的隔离处理也显得简单易行。

附图说明

图1是现有技术中模数转换电路的结构电路原理图。

图2是本实用新型的模数转换电路的电路原理图。

图3是本实用新型的采样电路1的电路原理图。

图4是本实用新型的AD转换电路3的电路原理示意图。

图5是本实用新型的隔离电路4的电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

本实用新型相比现有技术而言，通过采集前的选择设置，使电路具备既能采集电压信号，又能采集电流信号的功能，并且不需要过多外围电路就能实现信号的高精度采集和隔离处理。以下对本实用新型所采用的技术方案进行详细说明。

如图2所示，本实用新型的模数转换电路包括：采样电路1、跟随电路2、AD转换电路3、隔离电路4、参考电压产生电路5，所述采样电路1的输入端接收模拟信号，所述采样电路1的输出端与所述跟随电路2的输入端相连；所述跟随电路2的输出端与所述AD转换电路3的输入端相连；所述AD转换电路3的输出端与所述隔离电路4的输入端相连；所述隔离电路4的输出端与外部中央处理器CPU相连；所述参考电压产生电路5与所述AD转换电路3相连，所述参考电压产生电路5为所述AD转换电路3提供参考电压。其中，AIN为输入的模拟信号，DOUT为输出的数字信号。

采样电路1，利用输入模拟信号的特性(电压源或电流源)，该电路的作用是在某个规定的时刻接收输入的模拟信号。再配合可选设置，使当前电路满足电压源或电流源的测量要求，并将信号转换为0～2.5V范围内的可测电压信号。

跟随电路2，主要是利用运放的输入阻抗高，输出阻抗低的特性，降低外界对测量信号的干扰，保证电压信号准确无误的进入AD转换电路3。可选的，跟随电路2可以为电压跟随器。

AD转换电路3，采用专用的AD转换芯片，转换精度能达到16bit。

隔离电路4，主要是将AD转换电路3的对外接口与外部中央处理器CPU进行有效隔离，确保了测量的安全运行。

参考电压产生电路5，采用超低噪声、高精度基准电压源，为AD转换电路3提供参考电压。

以下分别对上述各个电路进行详细说明：

如图3所示，所述采样电路1包括：防护电路11、可选配置12、信号转换电路13，所述防护电路11的输入端接收模拟信号；当所述模拟信号为电流模拟信号时，所述可选配置12接通，所述防护电路13的输出端通过所述可选配置12与所述信号转换电路13的输入端相连；当所述模拟信号为电压模拟信号时，所述可选配置12不接通，所述防护电路11的输出端与所述信号转换电路13的输入端相连；所述信号转换电路13的输出端与所述跟随电路2的输入端相连。

其中，DL+为输入端，DL-为输出端。在本实用新型中，防护电路11可以采用现有技术中的防护电路，防护电路11的作用主要包括：1、用于抑制高频干扰，利用磁珠的高频电阻特性，来抑制高频信号的干扰，将高频干扰直接阻截。2、过压防护，过压防护是利用TVS管的动作电压，当输入电压达到或超过TVS管的动作电压，TVS管的阻抗会迅速减小，根据信号总是走阻抗最小的线路的特点，这样，即使外接信号过电压，也不会对内部电路造成损害。TVS管一般是跨接在输入信号两端。

如图4所示，所述AD转换电路3包括：AD转换芯片31、通信接口32，所述AD转换芯片31与所述跟随电路2的输出端、所述参考电压产生电路5分别相连；所述AD转换芯片31通过所述通信接口32与所述隔离电路4进行通信。

如图5所示，所述隔离电路4包括：通信接口41、光电隔离器42，所述光电隔离器42的输入端通过所述通信接口41与所述AD转换电路3进行通信；所述光电隔离器42的输出端与外部中央处理器CPU相连。可选的，隔离电路4可以为数字光电隔离电路。

以下对本实用新型的工作原理进行详细说明：

在采样电路1中，依据电流源与电压源的输出阻抗差异对可选配置12(例如可以为欧姆级的外接电阻)进行设置。电流源本身输出阻抗高，因而可选配置12要求阻抗低，则需添加外接电阻。电压源本身输出阻抗低，则要求可选配置12阻抗高，否则极易受到干扰，导致测量不准确，则需断开可选配置12。在本实用新型中，可选配置12是针对电流源的输出特性而设定的，当输入源为电流信号时，只有接通这个欧姆级的外接电阻，才能正确测量信号，否则电流源会因为负载过大，无法正确输出信号。

当输入信号为4～20mA电流源信号时，需添加可选配置12(即欧姆级的外接电阻)，再通过信号转换电路13，在跟随电路2同相输入端形成0V～2.5V可测量电压信号。若此时可选配置12未添加，则会因为输出负载过大，造成电流源根本无法正常输出。

当输入信号为0～5V电压源信号时，无需添加可选配置12，电压信号经过信号转换电路13，在跟随电路同相输入端可形成0V～2.5V可测量电压信号。若此时添加了可选配置12，则将导致输出负载阻抗变小，跟随电路2的输入端输入的电阻值会因为过小,导致在跟随电路2输出端无法正确测量。

因此，上述电路中若不对可选配置12进行配置，则适合测量电压源信号，即0～5V电压；若对可选配置12进行配置，则适合测量电流源信号，即4～20mA电流。

跟随电路2主要是利用运放的输入阻抗高输出阻抗低的特性来减小外界对信号的干扰，在本实用新型中，采用常用的负反馈方式对可测量电压信号进行跟随处理。

经过采样及跟随处理后的模拟信号直接送入AD转换电路3，AD转换电路3的AD转换芯片31的采样精度可以根据实际需求选择，本实用新型中采用AD公司的AD7708BRU(不限于此),其拥有16bit模数转换解决方案，该芯片应用电路简单。

经AD转换电路3的模数转换后，输出的数字量需与外部中央处理器CPU进行信息交互，数字量的通信接口形式多样，若采用AD7708BRU，通信接口即为SPI总线方式。信息交互的同时需要进行隔离处理，以便对外部中央处理器CPU系统的安全运行提供保证。通信接口的隔离处理相对比较简单易操作，根据通信接口的通信速率要求，可选择高速光耦或普通光耦。

采用本实用新型公开的模数转换电路进行模数转换，既保证了采样的精度要求，又保证了电路信号与系统的隔离防护，同时电路设计简单易操作。可同时满足电流源和电压源的采集要求；先进行模数转换，后进行隔离处理，保证了模拟量采集的线性度和高精度。与现有技术相比，本实用新型提供的模数转换电路灵活多变，现有技术的设计一般仅针对电压源或电流源某单一模拟量进行采集测量，而本实用新型则可通过电路选择可选配置(外接电阻)，按需满足模拟量的采集，适用性高；将采集到的模拟信号先进行跟随处理，然后进行模数转换，最后进行隔离处理，这种采集方式相比现有方案极大的降低了外界对测量信号的干扰，并确保了采集的高精度要求，同时数字信号的隔离处理也显得简单易行。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。