一种提高AD分辨率的信号处理电路及其方法与流程

一种提高ad分辨率的信号处理电路及其方法
技术领域
1.本发明涉及电子电力技术领域，具体涉及一种提高ad分辨率的信号处理电路以及应用该电路的方法。


背景技术：

2.在模拟量处理的智能化系统中，模拟量必须先要转换成数字量，从而普遍都要用到模数转换器。由于目前市场上高速高分辨率的模数转换器价格居高不下，价格昂贵，且供货紧张，非但如此，这类转换器几乎由国外少数公司形成垄断，一年甚至更长周期的订货期，使用户苦不堪言。
3.如图1所示，通常峰值为umax的信号通过运算放大器放大n倍、并使峰值达到满量程后经16位ad模数转换器的第一通道进行ad转换，之后由未处理器进行处理。随着选用ad芯片转换位数增加的同时，不仅转换速率降低而且也面临着成本的大幅度增加问题。
4.目前，多通道低位转换器不但成熟、低价而且供货充足，如果能利用这类转换器等经过简单变换，能提高分辨率，则用户不仅能降低成本，而且能够摆脱目前无货可买的困境，则具有重要的现实意义。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高ad分辨率的信号处理电路及其管控方法，该系统和方法解决了现有技术中管转换速率低、成本高、供货紧张等问题，实现了高分辨率高精度ad采样，降低了成本。
6.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种提高ad分辨率的信号处理电路，包括：连接于传感器、ad模数转换器之间的信号处理单元，信号处理单元为由四个运放组成的四极运算放大电路，ad模数转换器为14位ad模数转换器，第一运放、第二运放、第三运放、第四运放的同相输入端均接ui，第一运放的反相输入端接3/4ur，第二运放的反相输入端分为两路反相输入，第二运放的第一路反相输入接1/2ur，第二运放的第二路反相输入接节点b，第三运放的反相输入端分为三路反相输入，第三运放的第一路反相输入接1/4ur，第三运放的第二路反相输入接节点d，第三运放的第三路反相输入接节点c，第四运放的反相输入端分为三路反相输入，第四运放的第一路反相输入接节点e，第四运放的第二路反相输入接节点d，第四运放的第三路反相输入接节点c，第一运放的输出端接节点a，第二运放的输出端接节点f，第三运放的输出端接节点e。
8.进一步的方案是，节点a连接节点b，节点b连接节点c，节点f连接节点d，节点a与ad模数转换器的第一个转换通道连接，节点f与ad模数转换器的第二个转换通道连接，节点e与ad模数转换器的第三个转换通道连接，第四运放的输出端与ad模数转换器的第四个转换通道连接。
9.更进一步的方案是，第一运放的同相输入端连接有电阻r2，第一运放的反相输入端连接有电阻r3，第一运放的同相输入端与输出端之间连接有电阻r3，电阻r2的一端为采
样信号输入端，电阻r3的一端接3/4ur。
10.更进一步的方案是，第二运放的同相输入端连接有电阻r22，第二运放的第一路反相输入连接有电阻r23，第二运放的第二路反相输入连接有电阻r24，第二运放的同相输入端与输出端之间连接有电阻r21，电阻r22的一端为采样信号输入端，电阻r23的一端接1/2ur。
11.更进一步的方案是，第三运放的同相输入端连接有电阻r32，第三运放的第一路反相输入连接有电阻r33，第三运放的第二路反相输入连接有电阻r34，第三运放的第三路反相输入连接有电阻r35，第三运放的同相输入端与输出端之间连接有电阻r31，电阻r32的一端为采样信号输入端，电阻r33的一端接1/4ur。
12.更进一步的方案是，第四运放的同相输入端连接有电阻r42，第四运放的第一路反相输入连接有电阻r43，第四运放的第二路反相输入连接有电阻r44，第四运放的第三路反相输入连接有电阻r45，第四运放的同相输入端与输出端之间连接有电阻r41，电阻r42的一端为采样信号输入端。
13.一种提高ad分辨率的信号处理方法，该方法应用于上述的一种提高ad分辨率的信号处理电路进行信号处理，该方法包括；设定所需采样分辨率；将峰值信号umax按电压高低均匀分成四等分，其波形分别为信号udc、ucb、uba和uao；设参考电压值为ur，ur值对应为峰值信号umax；将信号udc、ucb、uba和uao分别经过四个运放放大k倍后，使每个信号分段的波形均放大达到峰值信号umax的幅度，再将4个信号波形放大n倍后分别传输至n位ad模数转换器的4个转换通道进行采样及ad转换；将n位ad模数转换器的采样ad值传输至微处理器中进行处理，由微处理器将同一时刻的采样结果相加并除以k，计算得到ad转换结果，通过检测比较n位ad模数转换器的采样ad值与参考电压值ur之间差值是否在有效误差范围
△
v内：若差值在有效误差范围内，则确定由n位ad模数转换器所采样的ad采样值是有效的；其中，n位ad模数转换器为14位ad模数转换器。
14.进一步的方案是，将峰值信号umax按电压高低均匀分成四等分，包括：
15.由输入信号ui通过运放减去3/4ur得到信号udc，表示为公式(1)：
16.udc＝ui-3/4ur(1)
17.由输入信号ui通过运放减去1/2ur、udc得到信号ucb，表示为公式(2)：
18.ucb＝ui-1/2ur-udc(2)
19.由输入信号ui通过运放减去1/4ur、udc、ucb和uao得到信号uba，表示为公式(3)：
20.uba＝ui-1/4ur-udc-ucb-uao；
21.由输入信号ui通过运放减去udc、ucb和uao得到信号uao，表示为公式(4)：
22.uao＝ui-udc-ucb-uao；
23.其中，各参考电压的分压3/4ur、1/2ur、1/4ur由设置在各个运放的精密电阻分压、再由运放组成的电压跟随器而获得。
24.更进一步的方案是，设定所需采样分辨率，即确定(
△v·
k)的值，其中
△
v为有效误差范围，k为差分放大倍数，通过各个运放中电阻的阻值确定k值，参考电压值ur后加载采样信号，并分别将采样信号及参考电压值ur接入四极运算放大电路，之后ad模数转换器对四极运算放大电路输出的信号进行采样及转换，将获取的可设定高分辨率高精度ad采样值传给微处理器；其中，通过四极运算放大电路将输入信号与参考电压值的误差放大k倍后再
由n位ad模数转换器实现高分辨率采样转换数据。
25.更进一步的方案是，将微处理器耦合到n位ad模数转换器，接收n位ad模数转换器的采样ad值，并基于采样ad值提供分辨率控制信号，以向传感器输入信号引入偏移量，使得n位ad模数转换器以给定分辨率来提供数字值；其中，n位ad模数转换器被配置为在可以容纳传感器的整个指定操作范围的固定分辨率区域中操作，a/d转换器18将被配置为以最佳分辨率来提供其输出。
26.因此，相比现有技术，本发明利用目前廉价且高精度的运算放大器进行波形切割、分段放大，并且分别由ad模数转换器的不同通道转换，最后由微处理器合成完整波形，从而使得使用低位的ad模数转换器就可以实现高分辨率高精度ad采样，降低了成本。
27.进一步的，本发明将原波形分成了4等分，每等分均获得了原有的分辨率，即分辨率提高了4倍，即使用14位ad模数转换器达到了16位ad模数转换器的效果。因此，基于本发明提供的低位ad模数转换器实现高速高分辨率高精度ad采样的采样电路及其算法，简单易行，并且在不提高成本的情况下，提高了其检测的精确度，便于更加精准控制。
28.此外，通过本发明的四极运算放大电路也可以实现对微弱信号的高精度检测，不仅实施简便，而且成本低；本发明只使用了价格低廉的4个精密电阻、8个运放，成本与现有的缺货、昂贵的16位ad相比，可以大大节省。
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
30.图1是现有技术的一种ad信号转换电路的普通放大及处理的电路原理图。
31.图2是本发明一种提高ad分辨率的信号处理电路实施例的电路原理图。
32.图3是本发明一种提高ad分辨率的信号处理电路实施例中涉及到波形处理的电路原理图。
33.图4是本发明一种提高ad分辨率的信号处理电路实施例的原理图。
具体实施方式
34.一种提高ad分辨率的信号处理电路实施例：
35.参见图2至图4，一种提高ad分辨率的信号处理电路，包括：连接于传感器1、ad模数转换器3之间的信号处理单元，信号处理单元为由四个运放组成的四极运算放大电路2，ad模数转换器3为14位ad模数转换器，第一运放u1、第二运放u2、第三运放u3、第四运放u4的同相输入端均接ui，第一运放u1的反相输入端接3/4ur，第二运放u2的反相输入端分为两路反相输入，第二运放u2的第一路反相输入接1/2ur，第二运放u2的第二路反相输入接节点b，第三运放u3的反相输入端分为三路反相输入，第三运放u3的第一路反相输入接1/4ur，第三运放u3的第二路反相输入接节点d，第三运放u3的第三路反相输入接节点c，第四运放u4的反相输入端分为三路反相输入，第四运放u4的第一路反相输入接节点e，第四运放u4的第二路反相输入接节点d，第四运放u4的第三路反相输入接节点c，第一运放u1的输出端接节点a，第二运放u2的输出端接节点f，第三运放u3的输出端接节点e。
36.在本实施例中，节点a连接节点b，节点b连接节点c，节点f连接节点d，节点a与ad模数转换器3的第一个转换通道连接，节点f与ad模数转换器3的第二个转换通道连接，节点e
与ad模数转换器3的第三个转换通道连接，第四运放u4的输出端与ad模数转换器3的第四个转换通道连接。
37.在本实施例中，第一运放u1的同相输入端连接有电阻r2，第一运放u1的反相输入端连接有电阻r3，第一运放u1的同相输入端与输出端之间连接有电阻r3，电阻r2的一端为采样信号输入端，电阻r3的一端接3/4ur。
38.在本实施例中，第二运放u2的同相输入端连接有电阻r22，第二运放u2的第一路反相输入连接有电阻r23，第二运放u2的第二路反相输入连接有电阻r24，第二运放u2的同相输入端与输出端之间连接有电阻r21，电阻r22的一端为采样信号输入端，电阻r23的一端接1/2ur。
39.在本实施例中，第三运放u3的同相输入端连接有电阻r32，第三运放u3的第一路反相输入连接有电阻r33，第三运放u3的第二路反相输入连接有电阻r34，第三运放u3的第三路反相输入连接有电阻r35，第三运放u3的同相输入端与输出端之间连接有电阻r31，电阻r32的一端为采样信号输入端，电阻r33的一端接1/4ur。
40.在本实施例中，第四运放u4的同相输入端连接有电阻r42，第四运放u4的第一路反相输入连接有电阻r43，第四运放u4的第二路反相输入连接有电阻r44，第四运放u4的第三路反相输入连接有电阻r45，第四运放u4的同相输入端与输出端之间连接有电阻r41，电阻r42的一端为采样信号输入端。
41.进一步的，信号处理电路还包括键盘电路5和显示电路6，可以通过键盘电路5设定ad模数转换器3的分辨率，以及通过显示电路6显示运算结果。
42.一种提高ad分辨率的信号处理方法实施例：
43.一种提高ad分辨率的信号处理方法，该方法应用于上述的一种提高ad分辨率的信号处理电路进行信号处理，该方法包括：
44.设定所需采样分辨率。
45.将峰值信号umax按电压高低均匀分成四等分，其波形分别为信号udc、ucb、uba和uao。
46.设参考电压值为ur，ur值对应为峰值信号umax。
47.将信号udc、ucb、uba和uao分别经过四个运放放大k倍后，使每个信号分段的波形均放大达到峰值信号umax的幅度，再将4个信号波形放大n倍后分别传输至n位ad模数转换器的4个转换通道进行采样及ad转换。
48.将n位ad模数转换器的采样ad值传输至微处理器4中进行处理，由微处理器4将同一时刻的采样结果相加并除以k，计算得到ad转换结果，通过检测比较n位ad模数转换器的采样ad值与参考电压值ur之间差值是否在有效误差范围
△
v内：若差值在有效误差范围内，则确定由n位ad模数转换器所采样的ad采样值是有效的；其中，n位ad模数转换器为14位ad模数转换器。
49.若差值超出误差范围内，则n位ad模数转换器所采样的ad采样值无效，此时将该ad采样值与参考电压值ur之间差值进行比较并快速反馈调节采样信号，直至n位ad模数转换器采样的ad采样值与参考电压值ur之间差值进入有效误差
△
v范围内，实现测量采样。
50.在本实施例中，将峰值信号umax按电压高低均匀分成四等分，包括：
51.由输入信号ui通过运放减去3/4ur得到信号udc，表示为公式(1)：
52.udc＝ui-3/4ur(1)
53.由输入信号ui通过运放减去1/2ur、udc得到信号ucb，表示为公式(2)：
54.ucb＝ui-1/2ur-udc(2)
55.由输入信号ui通过运放减去1/4ur、udc、ucb和uao得到信号uba，表示为公式(3)：
56.uba＝ui-1/4ur-udc-ucb-uao；
57.由输入信号ui通过运放减去udc、ucb和uao得到信号uao，表示为公式(4)：
58.uao＝ui-udc-ucb-uao；
59.其中，各参考电压的分压3/4ur、1/2ur、1/4ur由设置在各个运放的精密电阻分压、再由运放组成的电压跟随器而获得。
60.在本实施例中，设定所需采样分辨率，即确定(
△v·
k)的值，其中
△
v为有效误差范围，k为差分放大倍数，通过各个运放中电阻的阻值确定k值，参考电压值ur后加载采样信号，并分别将采样信号及参考电压值ur接入四极运算放大电路2，之后ad模数转换器3对四极运算放大电路2输出的信号进行采样及转换，将获取的可设定高分辨率高精度ad采样值传给微处理器4。
61.其中，通过四极运算放大电路2将输入信号与参考电压值的误差放大k倍后再由n位ad模数转换器实现高分辨率采样转换数据，k为4，n为14。
62.在本实施例中，将微处理器4耦合到n位ad模数转换器，接收n位ad模数转换器的采样ad值，并基于采样ad值提供分辨率控制信号，以向传感器1输入信号引入偏移量，使得n位ad模数转换器以给定分辨率来提供数字值。
63.其中，n位ad模数转换器被配置为在可以容纳传感器1的整个指定操作范围的固定分辨率区域中操作，ad模数转换器3将被配置为以最佳分辨率来提供其输出。
64.具体的，本实施例将图1的信号源峰值信号按电压高低均匀分成四等分，波形分别为udc、ucb、uba和uao；设ad的参考电压为ur，ur值对应为波形峰值umax。
65.分割后的信号的获得办法如下：
66.例如，由输入信号通过运放减法器减掉3/4ur得到，即udc＝ui-3/4ur。
67.同理可得，由运放减法器得到：ucb＝ui-1/2ur-udc；uba＝ui-1/4ur-udc-ucb-uao；uao＝ui-udc-ucb-uao。
68.将上述信号分别由四个运放放大4倍后，使每个分段的波形均放大到了峰值umax的幅度，再将上述4个波形放大n倍后，分别送入ad模数转换器3的4个转换通道进行ad转换，之后由微处理器4将同一时刻的采样结果相加除4，则可获得图1中16位ad的转换结果。
69.其中，放大n倍的过程可以在“放大4倍”的运放中一起放大，即放大4n倍即可。
70.其中，本实施例需要键盘电路5和显示电路6配合来设定需要的分辨率，通过键盘电路5可以设定ad模数转换器3的分辨率，当某一个分辨率设定好以后，通过微处理器4、四极运算放大电路2、ad模数转换器3、数字电位器和模拟开关切换电路实现逻辑切换，最后，通过显示电路6显示运算结果。
71.例如，在本技术的基础上，要实现16位a/d转换功能，通过键盘电路5设定16位的分辨率，即比14位的自动模数转换器分辨率多出两位，就要将基准电压分成2的2次方＝4档，放大电路的放大倍数要求为4倍。
72.以此类推，只要满足的关系，其中n是在10位的ad模数转换器3的基础上要提高的
分辨率位数，通过调整数字电位器来调整基准电压(输入信号)的分压档位，档位的确定是由档位逻辑电路检测并送微处理器4来判断，最终由微处理器4控制数字电位器来调整。
73.因此，相比现有技术，本发明利用目前廉价且高精度的运算放大器进行波形切割、分段放大，并且分别由ad模数转换器3的不同通道转换，最后由微处理器4合成完整波形，从而使得使用低位的ad模数转换器3就可以实现高分辨率高精度ad采样，降低了成本。
74.进一步的，本发明将原波形分成了4等分，每等分均获得了原有的分辨率，即分辨率提高了4倍，即使用14位ad模数转换器达到了16位ad模数转换器3的效果。因此，基于本发明提供的低位ad模数转换器3实现高速高分辨率高精度ad采样的采样电路及其算法，简单易行，并且在不提高成本的情况下，提高了其检测的精确度，便于更加精准控制。
75.此外，通过本发明的四极运算放大电路2也可以实现对微弱信号的高精度检测，不仅实施简便，而且成本低；本发明只使用了价格低廉的4个精密电阻、8个运放，成本与现有的缺货、昂贵的16位ad相比，可以大大节省。
76.上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。