CN104410418A - 一种高动态范围的模数转换电路 - Google Patents

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Abstract

一种高动态范围的模数转换电路，它包括连接于传感器信号输入的调理电路，所述调理电路通过之后连接的模数转换器相连于信号处理器；所述的调理电路包括两路并联的、具有不同量程的调理电路，两路调理电路之后各自相接有一24位模数转换器，由所述两路模数转换器同时对各自的输入信号进行采样，并在采样后将信号数据送至后面相连的信号处理器；所述的调理电路由放大电路、单端转差分电路及抗混叠滤波电路组成，其中，所述的放大电路将传感器送来的信号进行放大或缩小，使之与模数转换器的测量范围一致；所述的单端转差分电路将放大电路放大或缩小后的信号转成差分信号，以满足模数转换器对输入信号的要求；所述的抗混叠滤波电路将测量带宽外的信号滤除，以防在模数转换时产生噪声混叠。

Description

一种高动态范围的模数转换电路
技术领域
本发明涉及的是一种高动态范围的模数转换电路，属于高精度模拟/数字转换技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，在声学、振动测量领域的要求越来越高，所测量的信号跨度也越来越大，被测信号可能会有120dB甚至更大的动态范围，与这些测量要求对应的声学、振动传感器的动态范围已经做到140dB或更大，但是在模拟/数字转换器（ADC）上现有最高精度模数转换器只有24位，其理论的动态范围为: 20log(223) ≈ 138dB（24位的最高位为符号位），实际的动态范围一般在115dB左右，因此，模数转换器的性能已经成为声学、振动测量领域的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种改进的，能实现140dB动态范围模数转换的高动态范围的模数转换电路。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种高动态范围的模数转换电路，它包括连接于传感器信号输入的调理电路，所述调理电路通过之后连接的模数转换器相连于信号处理器；所述的调理电路包括两路并联的、具有不同量程的调理电路，两路调理电路之后各自相接有一24位模数转换器，由所述两路模数转换器同时对各自的输入信号进行采样，并在采样后将信号数据送至后面相连的信号处理器。
所述的调理电路由放大电路、单端转差分电路及抗混叠滤波电路组成，其中，所述的放大电路将传感器送来的信号进行放大或缩小，使之与模数转换器的测量范围一致；所述的单端转差分电路将放大电路放大或缩小后的信号转成差分信号，以满足模数转换器对输入信号的要求；所述的抗混叠滤波电路将测量带宽外的信号滤除，以防在模数转换时产生噪声混叠。
所述的两路调理电路除量程不同，其余电路完全相同；所述的调理电路中使用的运算放大器选用低噪声放大器；所述的模数转换器为24位ADC，两个模数转换器（ADC）采用相同的模数转换器实现。
假设将两路调理电路的量程差设计成20倍（即放大电路的放大倍数差为20倍），则最终理论的动态范围为 20log(223) + 20log(40) ≈ 164 dB ，实际的动态范围为 115 dB + 20log(40) ≈ 141 dB；本发明具有结构合理，使用可靠，能实现140dB动态范围模数转换等特点。
附图说明
图1是本发明所述的结构组成框图。
图2是本发明所述调理电路的原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的一种高动态范围的模数转换电路，它包括连接于传感器信号输入1的调理电路2，所述调理电路2通过之后连接的模数转换器3相连于信号处理器4；所述的调理电路2包括两路并联的、具有不同量程的调理电路21、22，两路调理电路21、22之后各自相接有一24位模数转换器31、32，由所述两路模数转换器31、32同时对各自的输入信号进行采样，并在采样后将信号数据送至后面相连的信号处理器4。
图2所示，本发明所述的调理电路21、22由放大电路23、单端转差分电路24及抗混叠滤波电路25组成，其中所述的放大电路为低噪声的放大电路，选用一运算放大器，所述的放大电路23将传感器送来的信号进行放大或缩小，使之与模数转换器（ADC）的测量范围一致；所述的单端转差分电路24将放大电路放大或缩小后的信号转成差分信号，以满足模数转换器（ADC）对输入信号的要求，它由一个运算放大器和两个串联的运算放大器并联而成；所述的抗混叠滤波电路将测量带宽外的信号滤除，以防在模数转换时产生噪声混叠，该抗混叠滤波电路主要由一路RC差分低通滤波电路组成。
本发明所述的两路调理电路除量程不同，其余电路完全相同；所述的调理电路中使用的运算放大器选用低噪声放大器；所述的模数转换器为24位ADC，两个模数转换器（ADC）采用相同的模数转换器实现。
实施例：在实际的声学、振动测量应用中，使用调理电路将传感器输入信号进行调理，使得该信号符合模拟/数字转换器（ADC）对输入信号的要求。
本发明所述调理电路由放大电路、单端转差分电路及抗混叠滤波电路组成。其中，放大电路将传感器送来的信号进行放大（或缩小），使之与模数转换器（ADC）的测量范围一致；一般高精度的模数转换器（ADC）的输入信号都采样差分方式，所以单端转差分电路将放大电路放大（或缩小）后的信号转成差分信号，以满足模数转换器（ADC）对输入信号的要求；抗混叠滤波电路将测量带宽外的信号滤除，以防在模数转换时产生噪声混叠。
在本发明中，将传感器输入的信号同时送入两路不同量程（即放大电路的放大倍数不同）的调理电路中，这两路信号调理后分别送入两个24位模数转换器（ADC），这两个模数转换器同时对各自的输入信号进行采样，采样后各自将数据送给后面的信号处理器。信号处理器对收到的两组采样数据进行分析，如果量程小（放大倍数大）的模数转换器送来的数据没有超出其量程，则使用量程小的模数转换器送来的数据作为最终的采样数据；如果量程小的（放大倍数小）模数转换器送来的数据超出了其量程，则使用量程大（放大倍数小）的模数转换器送来的数据作为最终的采样数据。
为了保证两组采样数据的一致性，本发明中的两路调理电路除了放大倍数不同（即R2取值不同）外，其它电路完全一样，使用的模数转换器(ADC)也完全一样。为了保证精度，调理电路中使用的运算放大器全部采样低噪声放大器。
    量程1的输入范围设计成±10V，量程2的输入范围设计成±500mV。调理电路中使用的运算放大器选择TI公司的OPA1612芯片，其折合到输入端的理论噪声为1.1nV/(Hz1/2),因此在10kHz带宽时，该运放的理论噪声是1.1nV × 100001/2 = 110nV。模数转换器采用AKM公司AK5385B芯片，该芯片为24位双ADC，包含两个相同的模数转换器，设计中需要的两个ADC用一个芯片实现，更大程度地保证一致性。信号处理器采用TI公司的6000系列DSP处理器。最终在10kHz带宽下，±10V量程时测得的通道峰值噪声约为±10uV；±500mV量程测得的通道峰值噪声约为±500nV。因此，结合两种量程的测量结果，本发明可以实现±10V ～ ±1uV范围内信号的精确测量，其动态范围为20log(10V/1uV) = 140 dB。

Claims (3)

1.一种高动态范围的模数转换电路，它包括连接于传感器信号输入的调理电路，所述调理电路通过之后连接的模数转换器相连于信号处理器；其特征在于所述的调理电路包括两路并联的、具有不同量程的调理电路，两路调理电路之后各自相接有一24位模数转换器，由所述两路模数转换器同时对各自的输入信号进行采样，并在采样后将信号数据送至后面相连的信号处理器。
2.根据权利要求1所述的高动态范围的模数转换电路，其特征在于所述的调理电路由放大电路、单端转差分电路及抗混叠滤波电路组成，其中，所述的放大电路将传感器送来的信号进行放大或缩小，使之与模数转换器（ADC）的测量范围一致；所述的单端转差分电路将放大电路放大或缩小后的信号转成差分信号，以满足模数转换器（ADC）对输入信号的要求；所述的抗混叠滤波电路将测量带宽外的信号滤除，以防在模数转换时产生噪声混叠。
3.根据权利要求1或2所述的高动态范围的模数转换电路，其特征在于所述的两路调理电路的量程不同，电路均相同；所述的调理电路中使用的运算放大器选用低噪声放大器；所述的模数转换器为24位ADC，两个模数转换器（ADC）采用相同的模数转换器实现。
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