基于ＡＤ６５２的高精度數據采集系統

羅　毅　李　鶯　韓　勇

[摘要]隨著自動控制領域的高速發展，實現高精度參數采集變得非常重要。實現高精度的參數采集處理目前主要有并行A/D轉換和串行A/D轉換兩種方式，而串行方式以其精度高且成本低廉被廣泛應用。它主要有兩種有代表性的實現形式（A/D串行、V/F方式）。著重討論在模擬機參數采集處理應用中采用V/F轉換實現穩定性好、抗干擾能力強而且應用簡單和成本低廉的良好效果。

[關鍵詞]V/F轉換 電荷平衡

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120021－02

一、前言

隨著醫療水平的不斷提高，醫療設備的精度將直接影響診療效果，模擬機作為在放射治療系統中實現精確放療的必備設備，實現高精度的參數采集是模擬機控制設計中的一個極其重要的任務。模擬機由于在比較惡劣的環境下，受到很強的電磁干擾和長時間的持續工作，如何保證模擬機參數精度的同時保證參數的穩定性是參數采集系統的關鍵。以LM331為核心的參數轉換采集系統，由于自身的核心轉換芯片的精度限制（線性度、溫漂系數等），使其不可能滿足更高的要求。而以AD652為核心的新型參數轉換采集系統能夠做到這點，可以為計算機等后續處理系統提供脈沖信號實現精確定位。但是目前國內還沒有成熟的AD652實際應用電路，尤其是適合我廠模擬機要求的實際應用電路和相關技術參數。經過長期的探索研究現已實現AD652的成功應用，并在模擬機參數采集系統獲取了良好的效果。

二、國內外技術現狀

以AD652為核心的新型參數采集處理系統中，由于AD652為軍品級的芯片產品，與生俱來就具有工作適用范圍廣、線性度高、溫漂系數低等諸多特點，使其在軍事上得到了廣泛的應用，如導彈的精確定位導向系統。

由于AD652沒有成熟的應用電路供借鑒和參考，因此在國內的工業設備和放療設備中應用還不很廣泛。目前在國內的放療設備和其他產品中大多采用以LM331為核心的參數采集處理系統。LM331系統中只能采用R-C作為芯片外圍振蕩基準頻率，因此對RC振蕩器件的要求比較高，但RC振蕩器件受工作溫度和周圍器件影響很大，再加上LM331本身的線性度及溫漂系數大等因素的影響，這樣LM331系統在我廠的模擬機中只能做到≥±1mm的參數精度，并且參數由于器件的溫度等因素的變化還會產生較大的漂移。

為了提高參數精度和減小參數的漂移使之滿足精確放療的要求，我們采用了以AD652為核心的新型參數轉換采集系統，使參數精度提高到了≥±0.01mm，并大大減小了參數的漂移，使定位參數更加精確、更加穩定、更加可靠。

以下是AD652和LM331性能特點的比較：

1．AD652可以實現－55℃－125℃溫度范圍內工作；LM331工作范圍0℃－70℃溫度范圍內工作。

2．AD652采用外部頻率時鐘為其提供頻率，頻率穩定度很高；LM331采用R－C振蕩器為其提供頻率，受工作環境影響。

3．最大線性度比較

4．AD652僅僅需要一個要求不高的積分電容就可以工作，受外圍電路的影響小；LM331對外圍器件要求精度高，電阻要求達到0.1Ω的精度。電容要求采用CBB精度級的。

5．AD652的時鐘脈沖輸入可與TTL和CMOS兼容；LM331單一的R－C振蕩頻率。

三、技術方案

AD652具有高精度線性積分輸入特性，在一些非快速的檢測通道中，越來越趨向使用電壓轉換代替通常的A/D轉換。AD652是美國模擬器件公司新近推出的一種高性能同步電壓轉頻率轉換器件。AD652是單片電荷平衡式電壓轉頻率轉換器件，它不采用高質量的低溫漂的電容構成單穩態多諧振蕩作為基本定時電路，而采用外部時鐘定時，結果是一種更加穩定，更加線性的轉換功能。

利用AD652實現模擬機參數采集方案如下：

四、工作原理

電荷平衡式轉換是由一個積分器、比較器、精密電流源、單穩態多諧振蕩器和輸出三極管構成。輸入信號既可以為電壓也可以為電流，當積分器輸出電壓達到比較器的閥值電壓時，輸出三極管輸出一個脈寬一定的負脈沖，同時精密電荷源被觸發，并有一個固定的電荷從該積分器中被遷移，電荷放電的速率一定與被施加的電壓相一致。

因此電荷源被觸發的頻率既輸出脈沖串的頻率，與輸入電壓成正比，所以實現了電壓到頻率的轉換。

為了保證參數的實時性和精度，實現頻率信號的采集的定時非常重要，定時時間與分辨率的關系可以用以下公式描述：

計數值=F(MAX)×T

分辨率=行程/計數值=行程/(F(MAX)×T)

由上可見，精度與定時時間T成正比，而實際工作中參數的實時性與定時時間成反比，所以必須尋求一個同時保證實時性與精度的定時時間周期，綜合模擬機的運動速度要求以及精度要求，確定定時時間T為200ms。模擬機實際應用對于最長行程為800mm的情況下，精度達到0.1mm，可見能夠滿足模擬機高精度參數采集的要求。

右圖為AD652內部工作原理，其實現高精度、高穩定性V/F轉換機理如下：

鎖存器輸出Q為高時，衡流源開關S接通H端，使積分器正向充電，使積分電容C充入一定的電荷Qc=Ir.*To，由于電路設計成Ir＞Vin/Rin，因此在To階段積分器一定以正向充電為主，當鎖存器輸出Q為低時，恒流源開關S接通L端積分器輸出反向放電，此時積分器電壓下降，當鎖存器輸出Q再變為高電平時，積分器電壓停止下降，轉到正向充電，根據正反充電電荷量相等的電荷平衡原理，可以得出：

（I r－ Vin／Rin）×To=Vin／Rin×（T－To）即

Ir×To－Vin ／Rin×To=Vin／Rin×T－Vin／Rin×To

由上得到Ir×To=Vin／Rin×T，因此可以得出輸出頻率：

F=1／T=（1／Ir×Rin×To）×Vin

式中常量Ir、Rin的穩定性只與AD652的工藝決定，外界工作條件對它的影響很小，所以可以簡單地認為Ir、Rin為常數，所以F與模擬電壓Vin成正比。而外部輸入時鐘決定輸出頻率的范圍（小于外部時鐘頻率的一半）同時其時鐘的穩定性也必將影響輸出的穩定性，但系統采用晶振提供時鐘可以保證其高穩定性，所以該性能結構大大減少了外部元器件對其性能的影響，提高了穩定性和抗干擾能力。

模擬機應用中采用低脈動高精度雙電源±15V供電，采用100KHz有源晶振提供外部時鐘，采用穩定性較好的0.1uF電容作為積分電容。具體電路如下所示，其外圍連接件非常少，對各元器件的性能要求也不高，但可以實現非常線性的V/F轉換。

該電路輸入信號為0-10V電壓信號，輸入阻抗為20千歐姆，可實現最高50KHz的頻率輸出，應用于模擬機理論上最低可實現0.06mm，最高可實現0.005mm的參數精度，考慮其它因素，完全能夠實現滿足目前放射設備普遍為0.1mm的精度要求。它的成功應用同時為高精度參數方案提供了又一個應用基礎。

五、應用數據及結論

工作條件及器件要求：

AD652SQ電路中采用有源晶振：100KHZ；

輸入信號電源：+10V±1‰；

工作電源電壓：±12V±0.3﹪；

傳感器：10K±0.3﹪；線性度：±0.05﹪；

常溫下持續工作5天。

由上表可見實際轉換關系線性度很好，可以確保模擬機系統的精度要求。

另外，在同一輸入電壓，且其它條件不變情況下，持續工作5天實際測量頻率變化小于3Hz，可見穩定性很好。

由于該高精度參數采集方案的良好線性、穩定性以及高抗干擾能力以及該參數采集系統電路簡單等強大優勢，其應用領域將進一步擴大，其應用前景將十分廣闊。

參考文獻：

[1]施麗蓮、周澤魁，基于V∕F變換的高精度電量測試系統[J].電子測量與儀器學報，2004.(3):1～5.

[2]紀宗南，V∕F轉換器[J].電子技術月刊，1992，(9).

[3]《monolithic synchronous voltage-to-frequency converter》說明書.