高性能低成本可分段AD構(gòu)件研究

摘 要： AD構(gòu)件廣泛運(yùn)用在醫(yī)療器械、工業(yè)控制、民用電子產(chǎn)品中。隨著設(shè)備控制精度和準(zhǔn)確度的提高，對(duì)AD構(gòu)件分辨率的要求也越來越高。目前高分辨率的AD構(gòu)件成本較高，單片AD構(gòu)件不能有分段不同的分辨率。通過對(duì)低成本低性能AD構(gòu)件和放大電路的研究，設(shè)計(jì)了一款使用低成本低性能元器件和放大器實(shí)現(xiàn)的低成本高性能可分段AD構(gòu)件，簡(jiǎn)稱為HLSAD模塊，該模塊的成本與低成本AD構(gòu)件成本相當(dāng)，分辨率等性能成倍增加，并且可以分段設(shè)置分辨率。該模塊已用于江蘇省級(jí)和蘇州市級(jí)項(xiàng)目，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞： HLSAD； 放大電路； AD構(gòu)件； 分辨率

中圖分類號(hào)：TP211 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2012）12-31-03

Design of HLSAD

Cao Zhenhua

（Suzhou Institute of Trade Commerce， Suzhou， Jiangsu 215009， China）

Abstract： AD modules are widely used in medical devices， industrial control， and consumer electronic products. With the improvement of device control accuracy， the resolution requirements of AD module are getting higher and higher. Nowadays， the cost of the high resolution AD module is high and one AD module cannot have a different resolution in segments. In this paper， based on the research of the low-cost， low-performance AD module and amplifier circuit， a kind of high-performance， low-cost AD module （HLSAD） that can be segmented is designed. The module had been used in the Jiangsu provincial level and Suzhou municipal projects， which achieved good results.

Key words： HLSAD； amplifier circuit； AD module； resolution

0 引言

AD構(gòu)件一般包括AD前端放大電路和AD采集兩部分，對(duì)于微弱信號(hào)，需要用放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，然后通過AD采集電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而方便后端信號(hào)處理。

1 AD構(gòu)件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 AD前端放大電路現(xiàn)狀

AD前端放大電路負(fù)責(zé)將傳感器中微弱的信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合AD采集部分采集到的信號(hào)，一般由放大器、濾波電路及其配套電路組成，其中放大器是核心部分，決定了整個(gè)AD前端放大電路的性能和質(zhì)量。放大器只對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并不進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，目前有模擬信號(hào)放大器和數(shù)字信號(hào)放大器之分，市面上主流的是模擬信號(hào)放大器。現(xiàn)階段幾乎每個(gè)完整的電子產(chǎn)品中都離不開放大器，而放大器性能的提高對(duì)電子產(chǎn)品的功能起著重要的決定作用[1]。

放大器歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，從早期的真空管演變?yōu)楝F(xiàn)在的集成電路，根據(jù)不同的應(yīng)用需求主要分化為通用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運(yùn)放產(chǎn)品。一般而言，高速運(yùn)放主要用于通信設(shè)備、視頻系統(tǒng)以及測(cè)試與測(cè)量?jī)x表等產(chǎn)品；低電壓/低功耗運(yùn)放主要面向手機(jī)、PDA等以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品；高精度運(yùn)放主要針對(duì)測(cè)試測(cè)量?jī)x表、汽車電子以及工業(yè)控制系統(tǒng)等。這三種放大器是針對(duì)某些領(lǐng)域的特定需求設(shè)計(jì)的，針對(duì)性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，但價(jià)格偏高[2，3]。通用放大器應(yīng)用最廣，幾乎任何需要添加簡(jiǎn)單信號(hào)增益或信號(hào)調(diào)理功能的電子系統(tǒng)都可采用通用運(yùn)放，其價(jià)格相對(duì)比較便宜，但是性能方面略低。

1.2 AD前端放大電路發(fā)展趨勢(shì)

AD前端放大電路的兩個(gè)部分是相互配合使用的，無論哪個(gè)部分工作出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)AD前端放大電路部分不能正常工作，所以要求設(shè)計(jì)人員對(duì)電路設(shè)計(jì)既有過硬的技術(shù)又有豐富的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)橐恍┏跫?jí)電子工程師往往無法做出穩(wěn)定可靠的電子產(chǎn)品。

目前較有實(shí)力的公司（如AD、TI等公司）開始將AD前端放大電路集成在一起，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出了單片集成AD前端放大電路，內(nèi)部集成了放大器功能及放大器配套電路功能，大大簡(jiǎn)化了電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，用戶只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波，就可以把傳感器信號(hào)直接接入到集成芯片上，完成信號(hào)變換功能，這已經(jīng)成為AD前端放大電路的主流發(fā)展趨勢(shì)[4]，但此類產(chǎn)品價(jià)格一般比較高，比如普通LM358放大器成本在幾毛錢，而集成了附加電路的前端放大產(chǎn)品價(jià)格在20元左右，價(jià)格相差懸殊，不適合用于普通民用產(chǎn)品。

1.3 AD采集部分現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在獨(dú)立性方面，目前AD采集部分可以分為兩類，一類是獨(dú)立的AD構(gòu)件，如常見的TLC2543等，另一類是將獨(dú)立AD構(gòu)件集成到微處理器MCU或者數(shù)字處理芯片中，如freescale公司的MCU大部分都集成了AD構(gòu)件。前者不能獨(dú)立使用，必須配合處理單元才能完成信號(hào)采集處理工作，而后者在MCU的協(xié)助下，完成后期信號(hào)處理，總體價(jià)格比較便宜。在民用領(lǐng)域，與MCU集成在一起的AD構(gòu)件成為發(fā)展的主流，使用量越來越大，獨(dú)立的AD模塊主要向高端使用領(lǐng)域發(fā)展[5]。

在分辨率方面，目前AD采集部分有4位、8位、10位和12位之分，最高的達(dá)到24位甚至32位，但是高分辨率的AD構(gòu)件價(jià)格太高，不適合普通場(chǎng)合使用。目前常用的且價(jià)格適中的分辨率為12位精度，獨(dú)立模塊的價(jià)格在十元左右，集成到MCU中適合普通場(chǎng)所使用的一般總體價(jià)格在3～20元不等。

2 HLSAD模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文使用集成在MCU內(nèi)部的廉價(jià)AD模塊，配合外圍簡(jiǎn)單電路，設(shè)計(jì)了一款成本低廉、性能可靠并且可分段調(diào)節(jié)AD采樣精度的HLSAD模塊，適合民用領(lǐng)域使用要求。

2.1 HLSAD可分段局部高精度設(shè)計(jì)

在一些具體應(yīng)用場(chǎng)所中，要求不同AD范圍設(shè)備做出不同的反應(yīng)，所以，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)所，需要對(duì)AD采集電路做適當(dāng)設(shè)計(jì)，使之可分段處理。

2.1.1 HLSAD可分段局部高精度設(shè)計(jì)緣由

在全自動(dòng)雞苗孵化控制設(shè)備中，對(duì)雞苗孵化場(chǎng)的溫度和濕度要求非常高，溫度高了或者低了就會(huì)導(dǎo)致雞苗孵出率降低；濕度過高會(huì)導(dǎo)致孵出的雞苗大肚子，濕度過低會(huì)導(dǎo)致蛋殼過硬，雞苗啄不開蛋殼而悶死，所以溫度和濕度要嚴(yán)格控制在預(yù)定范圍內(nèi)。拿溫度來講，比如溫度在22℃～25℃范圍以外，采用精度要求比較低，那么系統(tǒng)就可以進(jìn)行簡(jiǎn)單采樣，低于22度時(shí)加足馬力加熱，而高于25度時(shí)加足馬力降溫，使環(huán)境溫度迅速到達(dá)合適溫度范圍；如果環(huán)境溫度在22℃～25℃之間，如果過快加熱或者制冷，就會(huì)導(dǎo)致溫度波動(dòng)幅度過大，因此在控制中對(duì)采用精度要求較高，按照采用數(shù)據(jù)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的功率控制，將溫度控制在某個(gè)溫度點(diǎn)上，從而快速準(zhǔn)確地將溫度控制在預(yù)定溫度點(diǎn)上。

2.1.2 HLSAD可分段局部高精度設(shè)計(jì)思想

對(duì)于固定的AD采樣模塊，它的采樣精度是固定的，所以按照使用環(huán)境的不同調(diào)整某一路AD通道的采樣精度是不現(xiàn)實(shí)的，本文采用調(diào)整前端AD放大電路的方法，巧妙地實(shí)現(xiàn)了HLSAD可分段設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1中，同一個(gè)傳感器輸出的信號(hào)，通過兩路AD前端放大電路的放大處理后，輸入到單片機(jī)的兩個(gè)AD采集通道中，雖然兩路AD采用精度相同，但是兩路AD前端放大電路的放大倍數(shù)不同，基準(zhǔn)電壓也不同，所以輸入到單片機(jī)里面的信號(hào)分辨率精度也就不同，從而實(shí)現(xiàn)了HLSAD可分段設(shè)計(jì)。

2.1.3 HLSAD可分段設(shè)計(jì)

在實(shí)際項(xiàng)目中，溫度傳感器輸出0-50mv電壓信號(hào)，對(duì)應(yīng)溫度范圍為0℃～50℃，單片機(jī)內(nèi)集成8通道8位AD構(gòu)件，實(shí)際溫度控制在22.5℃溫度點(diǎn)上。

按照HLSAD可分段設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想，AD前端放大電路1的基準(zhǔn)電壓為0，實(shí)際信號(hào)與0V差分放大，放大倍數(shù)為100，輸入到AD通道1中，那么AD前端放大電路1有效輸入信號(hào)范圍為0～50mv，有效輸出信號(hào)范圍為0～5v，對(duì)應(yīng)溫度范圍為0℃～50℃，AD構(gòu)件為8位，所以最高采樣精度為（50℃-0℃）/28=0.2℃。

AD前端放大電路2的基準(zhǔn)電壓為20mv，實(shí)際信號(hào)與20mv差分放大，放大倍數(shù)為500，輸入到AD通道2中，那么AD前端放大電路2有效輸入信號(hào)最小值為20mv，有效輸出信號(hào)最小值為（IN-20mv）*500=（20mv-20mv）*500=0v，有效輸入信號(hào)最大值為50mv，有效輸出信號(hào)最大值為（IN-20mv）*500=（50 mv-20mv）*500=15v，由于供電電壓為5v，所以真實(shí)輸出有效值為5v，反推出有效輸入值為30mv，因此AD前端放大電路2有效輸入信號(hào)范圍為20mv～30mv，對(duì)應(yīng)溫度范圍為20℃～30℃， AD構(gòu)件為8位，所以最高采樣精度為（30℃-20℃）/28=0.04℃。

通過上面的計(jì)算，系統(tǒng)可以在環(huán)境溫度為0℃-20℃或者30℃-50℃時(shí)采樣AD通道1的數(shù)據(jù)，采樣精度僅有0.2℃，但是當(dāng)環(huán)境溫度在20℃-30℃時(shí)采樣AD通道2的數(shù)據(jù)，可以使采樣精度提高到0.04℃，提高了50倍，0.04℃的溫度波動(dòng)都能被系統(tǒng)捕獲，因此系統(tǒng)不但能實(shí)現(xiàn)全溫度范圍控制覆蓋，而且能保證在23℃溫度點(diǎn)上得到精準(zhǔn)控制。

2.2 HLSAD全范圍不分段高精度設(shè)計(jì)

在某些應(yīng)用領(lǐng)域，需要對(duì)全溫度范圍進(jìn)行精準(zhǔn)控制，無需分段，但是成本控制非常嚴(yán)格，也可以采用如圖1所示的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，有效降低設(shè)計(jì)成本，并全范圍成倍提高采樣精度。

本文HLSAD全范圍不分段高精度設(shè)計(jì)的思想與圖1一致，只是電路參數(shù)需要稍微調(diào)整，比如在實(shí)際項(xiàng)目中需要16位或者更高位數(shù)精度要求，單片機(jī)內(nèi)只有8位精度AD構(gòu)件，一種解決方法是購買獨(dú)立高精度AD模塊，但是成本會(huì)增加很多，本文采用的方式是利用單片機(jī)內(nèi)部多余的AD模塊，提高系統(tǒng)采用精度，不增加任何成本。

按照?qǐng)D1的設(shè)計(jì)，同一個(gè)溫度傳感器的輸出信號(hào)輸出到兩路AD前端放大電路中，AD前端放大電路1中，通過調(diào)整分壓可調(diào)電阻，使基準(zhǔn)電壓為0V；通過調(diào)整放大倍數(shù)可調(diào)電阻，使放大倍數(shù)調(diào)整為200，因此，按照2.1.3節(jié)的計(jì)算方法可以計(jì)算出，AD前端放大電路1的有效輸入為0mv-25mv，有效輸出溫度范圍為0℃-25℃。同樣的道理，AD前端放大電路2中，通過調(diào)整分壓可調(diào)電阻，使基準(zhǔn)電壓為25mv；通過調(diào)整放大倍數(shù)可調(diào)電阻，使放大倍數(shù)調(diào)整為200。因此，按照2.1.3節(jié)的計(jì)算方法可以計(jì)算出AD前端放大電路2的有效輸入為25mv-50mv，有效輸出溫度范圍為25℃-50℃。那么整體采樣精度=（25℃-0℃）/28=（50℃-25℃）/28=0.1℃，因此，采樣精度提高了一倍。

3 應(yīng)用實(shí)例與小結(jié)

本文以2012年江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目《基于3G的物聯(lián)網(wǎng)平安家居系統(tǒng)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（項(xiàng)目編號(hào)為JHZD2012-51）》為實(shí)例說明HLSAD模塊的使用。本項(xiàng)目要求溫度范圍為15℃-45℃，穩(wěn)定溫度點(diǎn)位28℃，按照HLSAD模塊設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)將溫度分為26℃以下、30℃以上和28℃-30℃三段，在第一段和最后一段中分辨率要求稍低，為0.2℃，在28℃-30℃這一段中分辨率要求較高，為0.05℃，利用2.1 HLSAD可分段局部高精度設(shè)計(jì)思想，可以輕松實(shí)現(xiàn)溫度控制的要求。另外，系統(tǒng)中只有一路溫度和一路濕度值需要采集，所以有6路AD采集通道空閑，利用2.2 HLSAD全范圍不分段高精度設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)中溫濕度的分辨率。本項(xiàng)目采用的電路如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中，放大器采用LM324，成本只有0.5元左右，控制芯片MCU采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的普通八位單片機(jī)EM78P259NSO14，成本在1.0元左右，所以系統(tǒng)在保證了高分辨率的同時(shí)，大大降低了硬件成本。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的HLSAD模塊分別在2012年江蘇省高校科研成果產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)項(xiàng)目《基于3G的物聯(lián)網(wǎng)平安家居系統(tǒng)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（項(xiàng)目編號(hào)為JHZD2012-51）》和2012年蘇州市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《基于TD-LTE的物聯(lián)網(wǎng)平安家居系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)為SG201256）》中表現(xiàn)出了良好的特性。

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