高性能低成本可分段AD構件研究

摘 要： AD構件廣泛運用在醫療器械、工業控制、民用電子產品中。隨著設備控制精度和準確度的提高，對AD構件分辨率的要求也越來越高。目前高分辨率的AD構件成本較高，單片AD構件不能有分段不同的分辨率。通過對低成本低性能AD構件和放大電路的研究，設計了一款使用低成本低性能元器件和放大器實現的低成本高性能可分段AD構件，簡稱為HLSAD模塊，該模塊的成本與低成本AD構件成本相當，分辨率等性能成倍增加，并且可以分段設置分辨率。該模塊已用于江蘇省級和蘇州市級項目，取得了良好的效果。

關鍵詞： HLSAD； 放大電路； AD構件； 分辨率

中圖分類號：TP211 文獻標志碼：A 文章編號：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構件一般包括AD前端放大電路和AD采集兩部分，對于微弱信號，需要用放大電路進行信號放大，然后通過AD采集電路將模擬信號轉換成數字信號，從而方便后端信號處理。

1 AD構件的現狀及發展趨勢

1.1 AD前端放大電路現狀

AD前端放大電路負責將傳感器中微弱的信號轉換成適合AD采集部分采集到的信號，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AD前端放大電路的性能和質量。放大器只對信號進行放大，并不進行模擬/數字轉換，目前有模擬信號放大器和數字信號放大器之分，市面上主流的是模擬信號放大器?，F階段幾乎每個完整的電子產品中都離不開放大器，而放大器性能的提高對電子產品的功能起著重要的決定作用[1]。

放大器歷經數十年的發展，從早期的真空管演變為現在的集成電路，根據不同的應用需求主要分化為通用型、低電壓/低功耗型、高速型、高精度型四大類運放產品。一般而言，高速運放主要用于通信設備、視頻系統以及測試與測量儀表等產品；低電壓/低功耗運放主要面向手機、PDA等以電池供電的便攜式電子產品；高精度運放主要針對測試測量儀表、汽車電子以及工業控制系統等。這三種放大器是針對某些領域的特定需求設計的，針對性強，功能強大，但價格偏高[2，3]。通用放大器應用最廣，幾乎任何需要添加簡單信號增益或信號調理功能的電子系統都可采用通用運放，其價格相對比較便宜，但是性能方面略低。

1.2 AD前端放大電路發展趨勢

AD前端放大電路的兩個部分是相互配合使用的，無論哪個部分工作出現問題，都會導致整個AD前端放大電路部分不能正常工作，所以要求設計人員對電路設計既有過硬的技術又有豐富的經驗，因為一些初級電子工程師往往無法做出穩定可靠的電子產品。

目前較有實力的公司（如AD、TI等公司）開始將AD前端放大電路集成在一起，設計生產出了單片集成AD前端放大電路，內部集成了放大器功能及放大器配套電路功能，大大簡化了電子產品設計流程，用戶只需要進行簡單濾波，就可以把傳感器信號直接接入到集成芯片上，完成信號變換功能，這已經成為AD前端放大電路的主流發展趨勢[4]，但此類產品價格一般比較高，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品價格在20元左右，價格相差懸殊，不適合用于普通民用產品。

1.3 AD采集部分現狀及發展趨勢

在獨立性方面，目前AD采集部分可以分為兩類，一類是獨立的AD構件，如常見的TLC2543等，另一類是將獨立AD構件集成到微處理器MCU或者數字處理芯片中，如freescale公司的MCU大部分都集成了AD構件。前者不能獨立使用，必須配合處理單元才能完成信號采集處理工作，而后者在MCU的協助下，完成后期信號處理，總體價格比較便宜。在民用領域，與MCU集成在一起的AD構件成為發展的主流，使用量越來越大，獨立的AD模塊主要向高端使用領域發展[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，最高的達到24位甚至32位，但是高分辨率的AD構件價格太高，不適合普通場合使用。目前常用的且價格適中的分辨率為12位精度，獨立模塊的價格在十元左右，集成到MCU中適合普通場所使用的一般總體價格在3～20元不等。

2 HLSAD模塊的設計實現

本文使用集成在MCU內部的廉價AD模塊，配合外圍簡單電路，設計了一款成本低廉、性能可靠并且可分段調節AD采樣精度的HLSAD模塊，適合民用領域使用要求。

2.1 HLSAD可分段局部高精度設計

在一些具體應用場所中，要求不同AD范圍設備做出不同的反應，所以，根據具體應用場所，需要對AD采集電路做適當設計，使之可分段處理。

2.1.1 HLSAD可分段局部高精度設計緣由

在全自動雞苗孵化控制設備中，對雞苗孵化場的溫度和濕度要求非常高，溫度高了或者低了就會導致雞苗孵出率降低；濕度過高會導致孵出的雞苗大肚子，濕度過低會導致蛋殼過硬，雞苗啄不開蛋殼而悶死，所以溫度和濕度要嚴格控制在預定范圍內。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，那么系統就可以進行簡單采樣，低于22度時加足馬力加熱，而高于25度時加足馬力降溫，使環境溫度迅速到達合適溫度范圍；如果環境溫度在22℃～25℃之間，如果過快加熱或者制冷，就會導致溫度波動幅度過大，因此在控制中對采用精度要求較高，按照采用數據對壓縮機進行準確的功率控制，將溫度控制在某個溫度點上，從而快速準確地將溫度控制在預定溫度點上。

2.1.2 HLSAD可分段局部高精度設計思想

對于固定的AD采樣模塊，它的采樣精度是固定的，所以按照使用環境的不同調整某一路AD通道的采樣精度是不現實的，本文采用調整前端AD放大電路的方法，巧妙地實現了HLSAD可分段設計，如圖1所示。

圖1中，同一個傳感器輸出的信號，通過兩路AD前端放大電路的放大處理后，輸入到單片機的兩個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不同，基準電壓也不同，所以輸入到單片機里面的信號分辨率精度也就不同，從而實現了HLSAD可分段設計。

2.1.3 HLSAD可分段設計

在實際項目中，溫度傳感器輸出0-50mv電壓信號，對應溫度范圍為0℃～50℃，單片機內集成8通道8位AD構件，實際溫度控制在22.5℃溫度點上。

按照HLSAD可分段設計設計思想，AD前端放大電路1的基準電壓為0，實際信號與0V差分放大，放大倍數為100，輸入到AD通道1中，那么AD前端放大電路1有效輸入信號范圍為0～50mv，有效輸出信號范圍為0～5v，對應溫度范圍為0℃～50℃，AD構件為8位，所以最高采樣精度為（50℃-0℃）/28=0.2℃。

AD前端放大電路2的基準電壓為20mv，實際信號與20mv差分放大，放大倍數為500，輸入到AD通道2中，那么AD前端放大電路2有效輸入信號最小值為20mv，有效輸出信號最小值為（IN-20mv）*500=（20mv-20mv）*500=0v，有效輸入信號最大值為50mv，有效輸出信號最大值為（IN-20mv）*500=（50 mv-20mv）*500=15v，由于供電電壓為5v，所以真實輸出有效值為5v，反推出有效輸入值為30mv，因此AD前端放大電路2有效輸入信號范圍為20mv～30mv，對應溫度范圍為20℃～30℃， AD構件為8位，所以最高采樣精度為（30℃-20℃）/28=0.04℃。

通過上面的計算，系統可以在環境溫度為0℃-20℃或者30℃-50℃時采樣AD通道1的數據，采樣精度僅有0.2℃，但是當環境溫度在20℃-30℃時采樣AD通道2的數據，可以使采樣精度提高到0.04℃，提高了50倍，0.04℃的溫度波動都能被系統捕獲，因此系統不但能實現全溫度范圍控制覆蓋，而且能保證在23℃溫度點上得到精準控制。

2.2 HLSAD全范圍不分段高精度設計

在某些應用領域，需要對全溫度范圍進行精準控制，無需分段，但是成本控制非常嚴格，也可以采用如圖1所示的設計思想進行設計，有效降低設計成本，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計的思想與圖1一致，只是電路參數需要稍微調整，比如在實際項目中需要16位或者更高位數精度要求，單片機內只有8位精度AD構件，一種解決方法是購買獨立高精度AD模塊，但是成本會增加很多，本文采用的方式是利用單片機內部多余的AD模塊，提高系統采用精度，不增加任何成本。

按照圖1的設計，同一個溫度傳感器的輸出信號輸出到兩路AD前端放大電路中，AD前端放大電路1中，通過調整分壓可調電阻，使基準電壓為0V；通過調整放大倍數可調電阻，使放大倍數調整為200，因此，按照2.1.3節的計算方法可以計算出，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，通過調整分壓可調電阻，使基準電壓為25mv；通過調整放大倍數可調電阻，使放大倍數調整為200。因此，按照2.1.3節的計算方法可以計算出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 應用實例與小結

本文以2012年江蘇省高?？蒲谐晒a業化推進項目《基于3G的物聯網平安家居系統的研發及產業化（項目編號為JHZD2012-51）》為實例說明HLSAD模塊的使用。本項目要求溫度范圍為15℃-45℃，穩定溫度點位28℃，按照HLSAD模塊設計思想，系統將溫度分為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計思想，可以輕松實現溫度控制的要求。另外，系統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計可以進一步提高系統中溫濕度的分辨率。本項目采用的電路如圖2所示。

本設計中，放大器采用LM324，成本只有0.5元左右，控制芯片MCU采用美國ATMEL公司生產的普通八位單片機EM78P259NSO14，成本在1.0元左右，所以系統在保證了高分辨率的同時，大大降低了硬件成本。

4 結束語

本文設計的HLSAD模塊分別在2012年江蘇省高校科研成果產業化推進項目《基于3G的物聯網平安家居系統的研發及產業化（項目編號為JHZD2012-51）》和2012年蘇州市科技支撐計劃項目《基于TD-LTE的物聯網平安家居系統的研發應用（項目編號為SG201256）》中表現出了良好的特性。

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