專利名稱：包含有雙閾值電壓的數(shù)據(jù)采集電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集電路，特別是指一種用于高精度數(shù)據(jù)采集的電路。
技術(shù)背景經(jīng)典的浮點放大器基本原理圖如圖1所示，它主要由預(yù)采樣電路、編碼電 路和程控放大器組成，首先，編碼電路根據(jù)預(yù)采樣電路的輸出結(jié)果設(shè)定程控放大器的放大倍數(shù)，然后程控放大器將放大模擬信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。浮動的放 大倍數(shù)稱為"階碼"，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果稱為"尾碼"，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)果由"階 碼"+"尾碼"組成。這類似于計算機中浮點數(shù)的表達方式，"浮點"放大器也因此得 名。編碼電路設(shè)計是實現(xiàn)浮點放大器的關(guān)鍵技術(shù)。有些電路首先采用低失調(diào)4 比較器LM339、基準電壓和精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成預(yù)采樣電路，其將模擬輸入 信號VjN劃分位9個值域，然后利用10線-4線優(yōu)先編碼器74LS147輸出程控放 大電路的增益控制碼；也有些電路采用8位并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器AD673實現(xiàn) 模擬信號的分檔，編碼電路采用CPLD實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)簡單，克服了傳統(tǒng)的積木 式方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低的缺點。分析傳統(tǒng)編碼電路不難發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)模擬輸入電壓與編碼電路的輸出均設(shè)計 為單一對應(yīng)關(guān)系，即某一模擬電壓只能對應(yīng)某一固定編碼電路輸出。而模擬信 號，特別是微弱模擬信號中，通常都疊加有噪聲，當模擬信號經(jīng)過閾值電壓時， 編碼電路的輸出可能會發(fā)生多次跳變，這將大大降低整個數(shù)據(jù)采集電路的動態(tài) 性能。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種包含有雙閾值電壓的數(shù)據(jù)采集電路，以提高數(shù) 據(jù)的采集精度和采集速度。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，采樣保持電路的一個輸出端與級聯(lián)程控放大 器的輸入端連接，另一個輸出端與預(yù)采樣電路的輸入端連接，級聯(lián)程控放大器 的輸出端與尾碼轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，尾碼轉(zhuǎn)換電路的輸出反饋給編碼電路， 由編碼電路運算后反饋給級聯(lián)程控放大器，預(yù)采樣電路的輸出端與編碼電路連 接；采樣保持電路采集模擬電壓信號后，分別輸送給級聯(lián)程控放大器與預(yù)采樣 電路，首先，預(yù)采樣電路對該模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送給編碼電路， 由編碼電路根據(jù)該模數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制級聯(lián)程控放大器的放大倍數(shù)，然后， 級聯(lián)程控放大器根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，將該放大后的模擬輸送給尾碼 轉(zhuǎn)換電路，尾碼轉(zhuǎn)換電路同步對該信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果 被反饋至編碼電路，由編碼電路根據(jù)指定規(guī)則重新控制級聯(lián)程控放大器的放大 倍數(shù)，由級聯(lián)程控放大器再次根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，并將該再次放大 后的模擬信號再輸送給尾碼轉(zhuǎn)換電路，由尾碼轉(zhuǎn)換電路輸出該信號。所述指定規(guī)則如下
將傳統(tǒng)浮點放大電路中采用的閾值電壓改為雙閾值電壓，g卩上升閾值電 壓Vu和下降閾值電壓Vd，其中Vu和Vd滿足條件其中，i 巧為預(yù)采樣電路的最小分辨率；如果將模擬信號V!N分為L個區(qū)間，則 所有的閾值電壓形成序列{0>;(1),^(1))， ......， (F (Z),^(i:))};當模擬信號輸入V!N逐漸上升達到V!N-Vu時，編碼電路輸出改變，即改變程控放大器的放大倍數(shù)，如果在上升過程中出現(xiàn)模擬信號輸入V!^rVd，編碼電路將保持原來輸出不變；當模擬信號輸入V:N逐漸下降到V!N-Vu時，編碼電路 維持現(xiàn)在狀態(tài)；只有當模擬信號輸入VjN:Vd時，編碼電路才發(fā)生輸出跳變。本 文將具備上述功能的編碼電路稱之為遲滯型編碼電路，涉及的電壓稱之為遲滯 電壓。本發(fā)明的優(yōu)點是由于遲滯電壓寬度必須小于預(yù)采樣電路的最小分辨率，單 獨應(yīng)用預(yù)采樣電路將無法完成上述編碼。分析浮點放大器基本原理圖1，發(fā)現(xiàn)系 統(tǒng)的尾碼轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)采集精度要遠遠高于預(yù)采樣電路。本文巧妙地引入反 饋機制，將浮點放大器的尾碼轉(zhuǎn)換結(jié)果反饋給編碼電路，構(gòu)成了一種結(jié)構(gòu)新穎 的浮點放大器，具體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。這樣既沒有使用新的器件，又解決 了上述問題，同時實現(xiàn)了遲滯寬度可調(diào)。顯然，遲滯型編碼電路的邏輯功能較傳統(tǒng)編碼電路要復(fù)雜許多，如果采用常規(guī)邏輯器件來實現(xiàn)，線路的復(fù)雜程度將是不可思議的。為此，本文采用VHDL 語言實現(xiàn)了上述編碼電路的所有組合邏輯和時序邏輯功能，從而簡化了線路。


圖1是傳統(tǒng)的浮點放大器基本原理圖。 圖2是本發(fā)明浮點放大器結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施方式
如圖2所示采樣保持電路的一個輸出端與級聯(lián)程控放大器的輸入端連接， 另一個輸出端與預(yù)采樣電路的輸入端連接，級聯(lián)程控放大器的輸出端與尾碼轉(zhuǎn) 換電路的輸入端連接，尾碼轉(zhuǎn)換電路的輸出反饋給編碼電路，由編碼電路運算 后反饋給級聯(lián)程控放大器，預(yù)采樣電路的輸出端與編碼電路連接；采樣保持電 路采集模擬電壓信號后，分別輸送給級聯(lián)程控放大器與預(yù)采樣電路，首先，預(yù) 采樣電路對該模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送給編碼電路，由編碼電路根據(jù) 該模數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制級聯(lián)程控放大器的放大倍數(shù)，然后，級聯(lián)程控放大器 根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，將該放大后的模擬輸送給尾碼轉(zhuǎn)換電路，尾碼 轉(zhuǎn)換電路同步對該信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果被反饋至編碼電 路，由編碼電路根據(jù)指定規(guī)則重新控制級聯(lián)程控放大器的放大倍數(shù)，由級聯(lián)程 控放大器再次根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，并將該再次放大后的模擬信號再 輸送給尾碼轉(zhuǎn)換電路，由尾碼轉(zhuǎn)換電路輸出該信號。為解決傳統(tǒng)編碼電路的缺點，本文從施密特觸發(fā)器的工作原理得到啟發(fā)，
提出并設(shè)計了基于遲滯原理的編碼電路，稱之為遲滯型編碼電路。即將傳統(tǒng)浮 點放大電路中采用的閾值電壓改為雙閾值電壓，即上升閾值電壓Vu和下降閾值 電壓Vd， Vu和Vd滿足條件其中，i 巧為預(yù)采樣電路的最小分辨率。如果將模擬信號VjN分為L個區(qū)間，則 所有的閾值電壓形成序列U^(1)，^(1))，……，(r (z),&(z))}。該編碼電路的具體工作原理為當模擬輸入VjN逐漸上升達到VrN-Vu時，編碼電路輸出改變，即改變程控放大器的放大倍數(shù)，如果在上升過程中出現(xiàn)V!N=Vd，編碼電路將保持原來輸出不變；當模擬電路逐漸下降到VfVu時，編碼電 路維持現(xiàn)在狀態(tài)，只有當VjN-Vd時，編碼電路才發(fā)生輸出跳變。由于上述遲滯電壓寬度必須小于預(yù)采樣電路的最小分辨率，單獨應(yīng)用預(yù)采樣 電路將無法完成上述編碼。分析浮點放大器基本原理圖1，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的尾碼轉(zhuǎn)換 電路的數(shù)據(jù)采集精度要遠遠高于預(yù)采樣電路。本文巧妙地引入反饋機制，將浮 點放大器的尾碼轉(zhuǎn)換結(jié)果反饋給編碼電路，構(gòu)成了一種結(jié)構(gòu)新穎的浮點放大器， 具體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。這樣既沒有使用新的器件，又解決了上述問題，同 時實現(xiàn)了遲滯寬度可調(diào)。顯然，遲滯型編碼電路的邏輯功能較傳統(tǒng)編碼電路要復(fù)雜許多，如果采用常 規(guī)邏輯器件來實現(xiàn)，線路的復(fù)雜程度將是不可思議的。為此，本文采用VHDL 語言實現(xiàn)了上述編碼電路的所有組合邏輯和時序邏輯功能，從而簡化了線路。
權(quán)利要求
1、一種用于高精度數(shù)據(jù)采集的電路，采樣保持電路的一個輸出端與級聯(lián)程控放大器的輸入端連接，另一個輸出端與預(yù)采樣電路的輸入端連接，級聯(lián)程控放大器的輸出端與尾碼轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，尾碼轉(zhuǎn)換電路的輸出反饋給編碼電路，由編碼電路運算后反饋給級聯(lián)程控放大器，預(yù)采樣電路的輸出端與編碼電路連接；采樣保持電路采集模擬電壓信號后，分別輸送給級聯(lián)程控放大器與預(yù)采樣電路，首先，預(yù)采樣電路對該模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送給編碼電路，由編碼電路根據(jù)該模數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制級聯(lián)程控放大器的放大倍數(shù)，然后，級聯(lián)程控放大器根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，將該放大后的模擬輸送給尾碼轉(zhuǎn)換電路，尾碼轉(zhuǎn)換電路同步對該信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，該模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果被反饋至編碼電路，由編碼電路根據(jù)指定規(guī)則重新控制級聯(lián)程控放大器的放大倍數(shù)，由級聯(lián)程控放大器再次根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，并將該再次放大后的模擬信號再輸送給尾碼轉(zhuǎn)換電路，由尾碼轉(zhuǎn)換電路輸出該信號。
2、 如權(quán)利要求l所述用于高精度數(shù)據(jù)采集的電路，其特征在于，所述指定 規(guī)則如下將傳統(tǒng)浮點放大電路中采用的閾值電壓改為雙閾值電壓，即上升閾值電 壓Vu和下降閾值電壓Vd，其中Vu和Vd滿足條件其中，7 ￡《為預(yù)采樣電路的最小分辨率；如果將模擬信號V!N分為L個區(qū)間，則 所有的閾值電壓形成序列U^(1),^(1))， ......， (^(丄),^(丄))};當模擬信號輸入V!N逐漸上升達到VfVu時，編碼電路輸出改變，即改變程控放大器的放大倍數(shù)，如果在上升過程中出現(xiàn)模擬信號輸入V!N:Vd，編碼電路將保持原來輸出不變；當模擬信號輸入V:N逐漸下降到V!N-Vu時，編碼電路 維持現(xiàn)在狀態(tài)；只有當模擬信號輸入V!N-Vd時，編碼電路才發(fā)生輸出跳變。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)采集電路，特別是指一種用于高精度數(shù)據(jù)采集的電路。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，采樣保持電路的一個輸出端與級聯(lián)程控放大器的輸入端連接，另一個輸出端與預(yù)采樣電路的輸入端連接，級聯(lián)程控放大器的輸出端與尾碼轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，預(yù)采樣電路的輸出端與編碼電路連接；采樣保持電路采集模擬電壓信號后，分別輸送給級聯(lián)程控放大器與預(yù)采樣電路，首先，預(yù)采樣電路對該模擬電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送給編碼電路，由編碼電路根據(jù)該模數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制級聯(lián)程控放大器的放大倍數(shù)，然后，級聯(lián)程控放大器根據(jù)該放大倍數(shù)放大模擬信號，將該放大后的模擬輸送給尾碼轉(zhuǎn)換電路，尾碼轉(zhuǎn)換電路同步對該信號進行高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。本發(fā)明可以提高數(shù)據(jù)的采集精度和采集速度。
文檔編號H03M1/18GK101150320SQ200710134878
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者萬振剛 申請人:無錫矽太恒科電子有限公司