一种基于DSP的过釆样技术提高精度的运放电路的制作方法

本实用新型涉及一种电力控制系统的DSP采样电路技术领域，特别涉及一种基于DSP的过釆样技术提高精度的运放电路。

背景技术：

模数(AD)转换通常是数字信号处理应用中的第一步，依据应用的不同，对模数转换器(ADC)也有不同的要求，衡量模数转换器的最重要的标准是它的转换速率、分辨率和精度；应用过采样技术，再加上适当的数字滤波和抽取，就可以得到比原有的ADC更高的分辨率。在数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processing)中应用过采样技术需要快速ADC以非常快的速度来采样模拟信号，并且需要快速DSP来执行数字低通滤波和抽取。DSP芯片TMS320LF2808采用3.3V供电，150MIPS的执行速度使得指令周期缩短至7ns，内置有12位的AD转换器，这些为在DSP中应用过采样技术创造了条件。

目前现有技术使用DSP直接进行采样，由于信号动态范围小，导致采样分辨率不足，整机的测量精度不高。现有已应用的放大电路虽然能将输入的信号进行放大，但是抗干扰性能不佳，无法高效地达到提高精度的目的。

技术实现要素：

实用新型目的：

本实用新型的目的是针对上述技术上存在的不足，提供一种提高了输入信号的动态范围的基于DSP的过釆样技术提高精度的前端运放电路。

技术方案：

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

一种基于DSP的过釆样技术提高精度的运放电路，包括运放、第一电阻电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电容、第二电容和第三电容；

运放反相输入端与同时连接第一电阻电阻的一端、第四电阻的一端和第二电阻的一端，第一电阻的另一端连接信号输入端，第二电阻的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端同时连接第三电阻的一端和第一电容的一端，第一电容的另一端接地；运放的同相输入端同时连接第五电阻的一端和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接地，第五电阻的另一端连接V电压；运放的输出端同时连接第四电阻的另一端和第七电阻的一端，第七电阻的另一端同时连接第三电容一端和信号输出端，第三电容的另一端接地。

所述的基于DSP的过釆样技术提高精度的运放电路，信号输入端连接模拟低通滤波器的输出端，信号输出端连接模/数转换器的输入端。

优点及效果：

本实用新型具有如下优点及有益效果：

本实用新型的前端运放电路是通过在DSP前端加入运放电路，提高输入信号的动态范围，从而提高采样分辨率和整机测量精度。

在使用DSP进行数字信号处理时，应用过采样技术可以增加其内置模数转换器的分辨率，提高精度。通过应用“过采样技术”的原理、使用TM S32CLF2808来实现过采样。

本实用新型的电路结构简单，测量精度与现有技术相比有着显著的提高。本实用新型的运放电路在增加三角波信号过采样每加一倍过采样速率，就可以增加6dB的分辨率，提高了分辨率。

附图说明

图1为原采样与过采样频谱；

图2为增加三角波信号提高信噪比；

图3为用TMS320L F2808实现过采样原理图；

图4为三角波信号产生及与输入信号叠加电路原理图。

具体实施方式

本实用新型基于TMS320LF2808的运放电路，该TMS320LF2808芯片使用DSP直接采样，由于输入信号动态范围小，导致采样分辨率不足，整机的测量精度不高，而采用本实用新型的DSP前端运放电路，提高了输入信号的动态范围，从而提高了采样分辨率和整机测试精度。与现有使用的TM S320L F2407相比TMS320LF2808与滤波器不会产生串扰。

如图4所示，一种基于DSP的过釆样技术提高精度的运放电路，包括运放U1、第一电阻电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；

运放U1反相输入端与同时连接第一电阻电阻R1的一端、第四电阻R4的一端和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端连接信号输入端，第二电阻R2的另一端连接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端同时连接第三电阻R3的一端和第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地；运放U1的同相输入端同时连接第五电阻R5的一端和第六电阻R6的一端，第六电阻R6的另一端接地，第五电阻R5的另一端连接3V电压；运放U1的输出端同时连接第四电阻R4的另一端和第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端同时连接第三电容C3一端和信号输出端，第三电容C3的另一端接地。

信号输入端连接模拟低通滤波器的输出端，信号输出端连接AD转换器的输入端。

运放U1的工作电压在0～5伏之间。

过采样提高信噪比：

经模拟滤波后，模拟信号被采样并转换成数字值，因为数字域仅包含有限的字长，若要用它来表示连续信号，就要引入量化误差，最大量化误差为±0.5LSB。因为一个N位的ADC的输入范围被分成2^N个离散的数值，每一个数值由一个N位的二进制数表示，所以，ADC的输入范围和字长N是最大量化误差的一个直接表示，也是分辨率的一个直接表示。代表数字值的字长决定了信噪比，因此通过增加信噪比可以增加转换的分辨率。加入三角波信号可提高信噪比。

如果输入信号在两个量化步长q1与q0之间，则它将被量化成q1或q0。当增加一个适当的三角波信号，并高速采样，将会量化出一系列的q1与q0，这两个值出现的比例就代表了此输入信号在两个量化步长之间的相对位置。要应用这种方法得到比较好的效果，三角波信号的幅度必须为(n+0.5)LSB，其中，n＝0，1，2，...。

因为有了高采样速率，输入信号的变化相对来说比较缓慢，图2中，输入信号为0.6LSB，—个典型的AD转换器将采样这个信号并把它转换成1LSB。当用一个三角波信号与此输入信号进行叠加，并高速采样时，转换器产生一系列的0或1采样值。0和1出现的比例就表示了这个在0和1LSB之间的实际值。

使用增加三角波信号的过采样每加一倍过采样速率，就可以增加6dB的分辨率。然而这种方法需要输入信号与三角波信号不相关，如果不能做到这一点，那信号在一个过采样周期内变化不能超过±0.5LSB。

图2中的采样因子I为16，9/16＝0.563，得到了比原转换结果更小的量化误差。采样值为0.563，得到了比原转换结果更小的量化误差。使用三角波调制过采样技术所增加的信噪比可以表示为：

SNRsign：信噪比函数，即放大器的输出信号的功率，与同时输出的噪声功率的比值，常常用分贝数表示。设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。k：为采样因子。

用该法产生的信噪比和分辨率的增加见表1。

表1使用三角波调制过采样技术所产生的信噪比和分辨率的增加

使用增加三角波信号的过采样每加一倍过采样速率，就可以增加6dB的分辨率。然而这种方法需要输入信号与三角波信号不相关，如果不能做到这一点，那信号在一个过采样周期内变化不能超过±0.5LSB。

用TMS320LF2808来实现过采样：

图3为利用TMS320LF2808来实现过采样，虚线框部分都可以用LF2808来实现。PWM信号输出可以用来产生三角波信号，数字滤波和抽取用软件来实现。图3的模拟低通滤波器和AD转换器之间通过本实用新型的运放电路实现增加其内置模数转换器的分辨率，提高精度。

图4为三角波信号产生以及与输入信号叠加的电路图。PWM信号的占空比在0和100％之间。第三电阻R3和第一电容C1作为积分器产生一个0到3V之间的三角波信号输入到运放。输出信号连至ADC的输入。

本实用新型保护的是一种通用可配置滤波器的设计和实现。通过对该滤波器的配置可实现不同阶数和类型的滤波器，从而加大以数字滤波为基础的控制系统应用的灵活性。