一种基于负反馈的高精度AD转换装置及AD转换方法

本发明涉及电子信息，具体涉及一种基于负反馈的高精度ad转换装置及ad转换方法。

背景技术：

1、a/d转换器件是目前电子行业应用广泛的模块，解决模拟信号进入数字系统的门禁问题。

2、a/d转换模块目前大多集成到主流mcu里（例如：stm32、8051、arm等未处理芯片中）方便实现对模拟信号的数字处理。随着信息技术不断发展，现有内嵌式a/d模块（mcu集成a/d模块本文称为内嵌式a/d模块）已经不能支撑应用对高精度要求，所以市场上出现了许多独立a/d转块。现有的内嵌式a/d模块和独立a/d转换模块以下技术缺陷：其一，内嵌式a/d模块不能很好贴合一些高精度使用场景；其二，独立a/d转换模块成本高昂，不利于低成本民用设备批量生产；其三，内嵌式a/d模块和独立a/d转换模块应用适应性不好，对于一些低精度应用场景来说，独立a/d转换模块成本高，对于一些高精度应用场景来说，内嵌式a/d模块性能不够。

3、针对现有技术弊端，亟需一种结构简单、成本低廉、精度可调、符合现有技术架构、运行稳定的a/d模块，解决现有技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于负反馈的高精度ad转换装置及ad转换方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于负反馈的高精度ad转换装置，包括：

4、滤波模块、采样保持与直通选择模块、差分放大模块、可编程放大器及mcu；

5、所述滤波模块用于滤除模拟信号的工频；

6、所述采样保持与直通选择模块包括两端的多路选择器、多路选择器之间的直通通道和采样保持通道，通过多路选择器选择通道，直通通道用于让滤除工频后的模拟信号直接通过，采样保持通道用于对滤除工频后的模拟信号进行采样并保持；

7、所述差分放大模块对采样保持与直通选择模块输出的模拟信号和mcu反馈的模拟信号进行差分放大，得到放大的差值；

8、所述可编程放大器的放大倍数可调，用于对放大的差值进行放大或保持，

9、所述mcu内置ad转换器和da转换器，ad转换器用于对可编程放大器输出的模拟信号进行模数转换，得到数字信号，da转换器用于对数字信号进行数模转换，得到反馈给的差分放大模块的模拟信号，用于计算量化误差。

10、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

11、进一步地，所述采样保持通道由rc低通电路、电容电荷泄放电路和电压跟随器电路组成；

12、所述rc低通电路用于采样信号，电容电荷泄放电路用于模数转换结束后，卸载rc低通电路中的电容电荷；电压跟随器电路用于保持电容电压稳定。

13、进一步地，装置工作于一般模式或单次采样模式，所述差分放大模块为差分放大器。

14、进一步地，装置工作于一般模式、单次采样模式或连续采样模式，所述差分放大模块为带输入互换的差分放大模块，具体包括两个多路选择器、一个差分放大器和正负判决电路，多路选择器均为2选1多路选择器，采样保持与直通选择模块输出的模拟信号和mcu反馈的模拟信号，多路选择器的两个输入通道分别为采样保持与直通选择模块输出的模拟信号和mcu反馈的模拟信号，通过mcu提供的选路信号选择其中一个多路选择器输出采样保持与直通选择模块输出的模拟信号，另一个多路选择器输出mcu反馈的模拟信号；

15、其中一个多路选择器的输出信号输入差分放大器的正相端，另一个多路选择器的输出信号输入差分放大器的反相端，差分放大器的输出端连接可编程放大器的输出端，并且差分放大器的输出端还连接正负判决电路，用于判断差分放大器输出信号的正负，将正负判决结果输入mcu，当差分放大器输出信号为负值时，通过改变选路信号的值，使两个多路选择器的输出信号互换，保持差分放大器输出信号为正值。

16、进一步地，所述可编程放大器包括运算放大器和可编程电阻，通过mcu选择控制字的取值，调整可编程电阻的电阻值，进而调整可编程放大器的放大倍数。

17、本发明还提出一种ad转换方法，利用如上所述的ad转换装置，工作于一般模式，包括以下步骤：

18、步骤一、打开采样保持与直通选择模块的直通通道；

19、步骤二、mcu的d/a端口输出0电平；

20、步骤三、可编程放大器增益设置为一；

21、步骤四、使能mcu的ad转换器，对可编程放大器输出的模拟信号进行模数转换；

22、步骤五、读取模数转换后的数字信号的值。

23、本发明还提出一种ad转换方法，利用如上所述的ad转换装置，工作于单次采样模式，包括以下步骤：

24、步骤一、打开采样保持与直通选择模块的采样保持通道；

25、步骤二、mcu的d/a端口输出0电平；

26、步骤三、可编程放大器增益设置为一；

27、步骤四、断开电容电荷泄放电路；

28、步骤五、使能mcu的ad转换器，对可编程放大器输出的模拟信号进行模数转换；

29、步骤六、读取模数转换后的数字信号的值；

30、步骤七、mcu依据数字信号的值计算模拟信号的值；

31、步骤八、mcu通过d/a端口将模拟信号的值反馈给差分放大模块，差分放大模块基于采样保持与直通选择模块输出的模拟信号和mcu反馈的模拟信号输出量化误差；

32、步骤九、基于目标精度计算增益量，设置可编程放大器增益，对量化误差进行放大；

33、步骤十、mcu的ad转换器对放大的量化误差进行模数转换；

34、步骤十一、基于量化误差更新步骤六的数字信号的值；

35、步骤十二、闭合电容电荷泄放电路，卸载rc低通电路中的电容电荷。

36、本发明还提出一种ad转换方法，利用如上所述的ad转换装置，工作于连续采样模式，包括以下步骤：

37、步骤一、打开采样保持与直通选择模块的直通通道；

38、步骤二、mcu的d/a端口输出0电平；

39、步骤三、可编程放大器增益设置为一；

40、步骤四、使能mcu的ad转换器，对可编程放大器输出的模拟信号进行模数转换；

41、步骤五、读取模数转换后的数字信号的值；

42、步骤六、mcu依据数字信号的值计算模拟信号的值；

43、步骤七、mcu通过d/a端口将模拟信号的值反馈给差分放大模块，差分放大模块基于采样保持与直通选择模块输出的模拟信号和mcu反馈的模拟信号输出量化误差；

44、步骤八、基于目标精度计算增益量，设置可编程放大器增益，对量化误差进行放大；

45、步骤九、正负判决电路判断差分放大器输出的量化误差的正负，若为正转步骤十一，若为负转步骤十

46、步骤十、两个多路选择器的输出信号互换，使差分放大器输出的量化误差为正值；

47、步骤十一、mcu的ad转换器对放大的量化误差进行模数转换；

48、步骤十二、基于量化误差更新步骤五的数字信号的值；

49、步骤十三、判断量化误差的绝对值是否超限，若超限则转步骤六，若没有超限则转步骤九。

50、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

51、进一步地，所述mcu依据数字信号的值计算模拟信号的值具体为：

52、若mcu内部ad转换器与da转换器量化数据位数一致，则直接把数字信号的值赋值给模拟信号；

53、若mcu内部ad转换器与da转换器量化数据位数不一致，ad转换器量化数据位数为n位，da转换器量化数据位数为m位，则输出模拟信号的值由如下公式求得：，di是模数转换后的数字信号的值，do是mcu通过d/a端口输出的模拟信号，[·]表示取整。

54、进一步地，所述基于目标精度计算增益量具体为：

55、目标精度要求为x，则放大倍数，其中是量化误差，表示向上取整。

56、本发明的有益效果是：

57、1、适应多种场景：本ad转换装置设计了模式1（一般模式）、模式2（单次采样模式）和模式3（连续采样模式）三种工作模式，其中模式1适合精度要求不高的较高速模数转换的应用场景；模式2适合高精度要求的中低速模数转换的应用场景；模式3适合较高精度要求的高速模数转换的应用场景；

58、2、精度高，并可调：传统的ad转换的误差就是量化误差△；意味着△以下的模拟信号将不能被ad转换器转换，本发明通过da转换将转换后的模拟信号建立反馈，通过差分电路分离出小于△的信号，再通过放大处理，进一步降低量化误差的方法实现精度的提高；另外，通过调节放大倍数，可以获得不同精度要求的ad转换值；

59、3、结构简单，成本低廉：核心部件都是采用当前市场上的常用芯片，材料易得，无需特殊加工，装配工艺简单，适合批量生产；

60、4、运行稳定，安全性高：全部部件都是常用芯片，电路也是典型应用电路，所以电路稳定性强；所写代码，都是典型应用程序，死机率不高，设备可长时间连续稳定运行，维护成本极低；

61、5、适配性强，安装便捷：所有电路都已经整合，体积小巧，可适配不同ad转换需求。