專利名稱：多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)是在編碼、測量等領(lǐng)域廣泛采用 的技術(shù)。A/D與D/A的使用使得處理器能更好的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，而不需要 過多模擬器件如電阻、電容等，采用處理器通過A/D與D/A對需要的參數(shù)， 如電壓、電流、壓力、流量等的處理的應(yīng)用日益廣泛。
現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換大多是通過提高處理器的采樣精度來提高處理精度，這 對于A/D的總體性能來說是有良好效果的，但是對于采樣的模擬信號較小 時(shí)，如采樣的模擬信號是滿量程信號的20%或更低，其并不能用到所有的量 化比特。如對12bit的AD，將采樣信號量化為4096個(gè)，接近滿量程的精度 誤差為(1/4096) *100%=0.024%，而對采樣信號在20%或更低時(shí)，其采樣 信號量化也減小為4096*20%=819個(gè)，使得A/D采樣通道不飽和，采樣精度 誤差為(1/819) *100%=0.12%，采樣誤差增加了5倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中采樣模擬信號較小時(shí)采樣精度誤差會(huì)較大的問 題，提出一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法和設(shè)備，以提高在采樣模擬信號較小時(shí) 的采樣精度。
本發(fā)明提供一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，該方法包括對模擬信號進(jìn)行采 樣得到采樣信號；將采樣信號輸入多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到 多個(gè)輸出值，其中每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程都不同；根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換通道的 所述多個(gè)輸出值并結(jié)合每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程確定最終輸出值，該最終輸出值的采樣精度不低于最大量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。
本發(fā)明還提供一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備，該設(shè)備包括用于對模擬信號
進(jìn)行采樣的采樣模塊；和用于接收采樣信號并對采樣信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的 A/D轉(zhuǎn)換器，其中所述A/D轉(zhuǎn)換器包括執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到多個(gè)輸出值的多 個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的量程不同；該設(shè)備還包括處理器， 用于接收多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的多個(gè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合每個(gè) A/D轉(zhuǎn)換單元的量程確定最終輸出值，該最終輸出值的采樣精度不低于最大 量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。
本發(fā)明由于采用了量程不同的多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道或多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元， 并對每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道或A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出值進(jìn)行判斷，如果采樣模擬 信號較小，例如小于最大輸入信號幅度的20%以上，則可以直接使用量程小 而精度高的A/D轉(zhuǎn)換通道或A/D轉(zhuǎn)換單元得到高精度的輸出值作為最終輸 出值，或者使用幾個(gè)精度較高的輸出值擬合出精度較高的最終輸出值，或者 采用其他方式確定具有相對于最大量程的A/D轉(zhuǎn)換單元的高的采樣精度的 最終輸出值。如果多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元中僅有最大量程的A/D轉(zhuǎn)換單元沒有 達(dá)到滿量程，則只有最大量程的A/D轉(zhuǎn)換單元輸出，此時(shí)的采樣精度即為最 大量程的A/D轉(zhuǎn)換單元的采樣精度。本發(fā)明的最終輸出值的精度與現(xiàn)有技術(shù) 中的量程唯一的單A/D轉(zhuǎn)換通道或單A/D轉(zhuǎn)換器相比，精度在一定程度上 有所提高，達(dá)到精確采樣的目的。


圖1是本發(fā)明的多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)圖; 圖2是本發(fā)明的多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的方框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明提供一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法，該方法包括對 模擬信號進(jìn)行采樣得到采樣信號；將采樣信號輸入多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道并執(zhí)行
A/D轉(zhuǎn)換得到多個(gè)輸出值，其中每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程都不同；根據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換通道的所述多個(gè)輸出值并結(jié)合每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程確定最終輸出 值，該最終輸出值的釆樣精度不低于最大量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。 采樣得到的采樣信號接下來被輸入到量程不同的多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道中， 優(yōu)選的，以下以雙量程模數(shù)轉(zhuǎn)換為例，即采用兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道A/D1轉(zhuǎn) 換通道和A/D2轉(zhuǎn)換通道，其中A/D1轉(zhuǎn)換通道和A/D2轉(zhuǎn)換通道的量程比例 可以為2-50倍之間的任一值，例如5倍，相應(yīng)的采樣精度誤差降低到該比 例的倒數(shù)倍。
舉例來說，采樣信號為-5V +5V的電壓信號，A/D1轉(zhuǎn)換通道與A/D2 轉(zhuǎn)換通道都是精度為12bit的相同的A/D轉(zhuǎn)換通道，但是A/D1轉(zhuǎn)換通道對 應(yīng)滿量程-5V +5V，而A/D2轉(zhuǎn)換通道對應(yīng)小量程-lV +lV，所述量程均為 線性。如果輸入到A/D轉(zhuǎn)換通道的電壓的絕對值大于等于IV，則A/D2轉(zhuǎn) 換通道的輸出值始終表示IV， A/D1轉(zhuǎn)換通道的輸出值則代表測量的電壓值。 如果電壓的絕對值變?yōu)樾∮贗V，則A/D2轉(zhuǎn)換通道的輸出值和A/D1轉(zhuǎn)換通 道的輸出值都代表測量的電壓值，但A/D2轉(zhuǎn)換通道的輸出值的精度是A/D1 轉(zhuǎn)換通道的輸出值的精度的5倍，此時(shí)有許多可用的確定高精度的最終測量 值的手段，如過零檢測法、加權(quán)平均法、平方開方法或任何其它己知的手段。
在過零檢測法中，從沒有達(dá)到滿量程的至少一個(gè)輸出值中選擇具有最小 量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值作為最終輸出值。對于前述的雙量程的實(shí)施方 式來說，將預(yù)定滿量程值的20%與A/D2轉(zhuǎn)換通道的輸出值進(jìn)行比較。當(dāng)A/D2 轉(zhuǎn)換通道的輸出值小于滿量程值的20%時(shí)，也就是A/D2轉(zhuǎn)換通道的輸出值 在沒有達(dá)到滿量程的輸出值中其量程最小，采用A/D2轉(zhuǎn)換通道的輸出值作 為A/D轉(zhuǎn)換通道的最終輸出值；而當(dāng)A/D2轉(zhuǎn)換通道的輸出值等于或大于滿量程值的20%時(shí)，這時(shí)A/D1轉(zhuǎn)換通道的輸出值在沒有達(dá)到滿量程的輸出值 中其量程最小，采用A/D1轉(zhuǎn)換通道的輸出值作為A/D轉(zhuǎn)換通道的最終輸出 值。
在加權(quán)平均法中，從沒有達(dá)到滿量程的輸出值中選擇至少兩個(gè)具有最小 量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值進(jìn)行加權(quán)平均得到最終輸出值。例如雙通道中 兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值都沒有達(dá)到滿量程值的情況下，可以把A/D2轉(zhuǎn) 換通道轉(zhuǎn)換的數(shù)字值與5倍的A/D1轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換的數(shù)字值取平均值(例如 電壓為0.5V時(shí)，A/D2的值為0x7FF， A/D1的值為0x199， 5*0xl99=0x7FD， 取平均值為0x7FE，再轉(zhuǎn)換回模擬電壓值)而得到測量值。
在平方開方法中，從沒有達(dá)到滿量程的輸出值中選擇至少兩個(gè)具有最小 量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值進(jìn)行先平方再開方得到最終輸出值。例如雙通 道中兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值都沒有達(dá)到滿量程值的情況下，可以把 A/D2轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換的輸出值與A/D1轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換的輸出值分別平方，求和 后再開方的方法得到測量值。
所述的多量程采樣方法并不局限于上述方法，還可以是在A/D2轉(zhuǎn)換通 道前和采樣后加一個(gè)放大倍數(shù)為5倍的放大電路，則A/D2只有在模擬值小 于20%時(shí)才有非滿量程的數(shù)字值，則采用該數(shù)字值或采用該值與A/D1值的 加權(quán)；否則只采用A/D1的數(shù)字值。
如圖2所示，本發(fā)明提供一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備，該設(shè)備包括用于 對模擬信號進(jìn)行采樣的采樣模塊；和用于接收采樣信號并對采樣信號進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器；其中，所述A/D轉(zhuǎn)換器包括執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到多 個(gè)輸出值的多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的量程不同；該設(shè)備還 包括處理器，用于接收多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的多個(gè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該多個(gè)數(shù) 據(jù)結(jié)合每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的量程確定最終輸出值，該最終輸出值的釆樣精度 不低于最大量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。所述采樣模塊是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的各種采樣模塊，采樣的數(shù)據(jù)包 括但不限于電壓、電流、流體速度、壓力等等物理量，如可以是輸出值為電 壓的電流霍爾傳感器。
同樣的，以下以雙量程模數(shù)轉(zhuǎn)換為例說明A/D轉(zhuǎn)換過程，即A/D轉(zhuǎn)換 器包括兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元:A/D1轉(zhuǎn)換單元和A/D2轉(zhuǎn)換單元，其中所述A/D1 轉(zhuǎn)換單元和A/D2轉(zhuǎn)換單元的量程比例可以為2-50倍之間的任一值，例如5 倍，相應(yīng)的采樣精度誤差降低到該比例的倒數(shù)倍。
仍以上面的例子為例，采樣信號為-5V +5V的電壓信號，A/D1轉(zhuǎn)換單 元與A/D2轉(zhuǎn)換單元都是精度為12bit的相同的A/D轉(zhuǎn)換單元，但是A/D1 轉(zhuǎn)換單元對應(yīng)滿量程-5V +5V，而A/D2轉(zhuǎn)換單元對應(yīng)小量程-lV +lV，所 述量程均為線性。如果輸入到A/D轉(zhuǎn)換單元的電壓的絕對值大于等于IV， 則A/D2轉(zhuǎn)換單元的輸出值始終表示IV， A/D1轉(zhuǎn)換單元的輸出值則代表測 量的電壓值。如果電壓的絕對值變?yōu)樾∮贗V，則A/D2轉(zhuǎn)換單元的輸出值和 A/D1轉(zhuǎn)換單元的輸出值都代表測量的電壓值，但A/D2轉(zhuǎn)換單元的輸出值的 精度是A/D1轉(zhuǎn)換單元的輸出值的精度的5倍，此時(shí)有許多可用于處理器來 確定高精度的最終測量值的手段，如上述的過零檢測法、加權(quán)平均法、平方 開方法或任何其它己知的手段。
需要說明的是，不同于如萬用表之類的傳統(tǒng)測量方式(如果超過測量量 程則有可能損壞指示數(shù)據(jù)的指針或其它組件如電容等)，該多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換 的設(shè)備即使在測量的值在滿量程以上，如電壓的絕對值始終在IV以上，A/D2 轉(zhuǎn)換單元也只是始終處于滿量程，只是所采樣的值無效，不會(huì)對A/D轉(zhuǎn)換單 元本身造成任何損壞。
每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元可以是獨(dú)立的芯片，也可以是包含在一個(gè)處理器中的 多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元。優(yōu)選的采用多個(gè)處理器中的多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元，這樣 的好處可以簡化電路，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。所述的每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的采樣精度可以是8bit、 12bit、 16bit等等。
優(yōu)選地，所述處理器可以是任何含有兩個(gè)以上A/D轉(zhuǎn)換單元的處理器， 如可以是單片機(jī)、x86型CPU、 ARM芯片等等。優(yōu)選的處理器可以是TI公 司的DSP2812。
應(yīng)該注意，三量程或更多量程的模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法與設(shè)備因?yàn)楹投嗔砍痰?方法與設(shè)備具有相同的原理，故不再贅述，量程的選取時(shí)如三量程的模數(shù)轉(zhuǎn) 換可以釆用10%和30%和100%三個(gè)量程和對應(yīng)的三個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道或A/D 轉(zhuǎn)換單元。
權(quán)利要求
1、一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換方法，該方法包括對模擬信號進(jìn)行采樣得到采樣信號；將采樣信號輸入多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到多個(gè)輸出值，其中每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程都不同；根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換通道的所述多個(gè)輸出值并結(jié)合每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程確定最終輸出值，該最終輸出值的采樣精度不低于最大量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道為兩個(gè)， 其中一個(gè)的量程為另一個(gè)的2-50倍。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中采用過零檢測法來確定最終 輸出值從沒有達(dá)到滿量程的至少一個(gè)輸出值中選擇具有最小量程的A/D轉(zhuǎn) 換通道的輸出值作為最終輸出值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中采用加權(quán)平均法來確定最終 輸出值從沒有達(dá)到滿量程的輸出值中選擇至少兩個(gè)具有最小量程的A/D轉(zhuǎn) 換通道的輸出值進(jìn)行加權(quán)平均得到最終輸出值。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中采用平方開方法來確定最終 輸出值從沒有達(dá)到滿量程的輸出值中選擇至少兩個(gè)具有最小量程的A/D轉(zhuǎn) 換通道的輸出值進(jìn)行先平方再開方得到最終輸出值。
6、 一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換的設(shè)備，該設(shè)備包括用于對模擬信號進(jìn)行采 樣的采樣模塊；和用于接收采樣信號并對采樣信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器；其中，所述A/D轉(zhuǎn)換器包括執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到多個(gè)輸出值的多個(gè)A/D 轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的量程不同；該設(shè)備還包括處理器，用于接收 多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的多個(gè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換 單元的量程確定最終輸出值，該最終輸出值的采樣精度不低于最大量程的 A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元為兩個(gè)， 其中一個(gè)的量程為另一個(gè)的2-50倍。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的設(shè)備，其中所述處理器采用過零檢測法 來確定最終輸出值從沒有達(dá)到滿量程的至少一個(gè)輸出值中選擇具有最小量 程的A/D轉(zhuǎn)換單元的輸出值作為最終輸出值。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其中所述處理器采用加權(quán)平均法 確定多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的最終輸出值該處理器從沒有達(dá)到滿量程的輸出值 中選擇至少兩個(gè)具有最小量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值進(jìn)行加權(quán)平均得到 最終輸出值。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其中所述處理器采用平方開方法 確定多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的最終輸出值該處理器從沒有達(dá)到滿量程的輸出值 中選擇至少兩個(gè)具有最小量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的輸出值進(jìn)行先平方再開方 得到最終輸出值。
全文摘要
一種多量程模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和設(shè)備，該方法包括對模擬信號進(jìn)行采樣得到采樣信號并輸入多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道并執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到多個(gè)輸出值，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道的量程都不同；根據(jù)A/D的多個(gè)輸出值并結(jié)合每個(gè)A/D的量程確定最終輸出值，該最終輸出值的采樣精度不低于最大量程的A/D轉(zhuǎn)換通道的采樣精度。該設(shè)備包括用于對模擬信號進(jìn)行采樣的采樣模塊；用于接收采樣信號并對采樣信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器，其中所述A/D轉(zhuǎn)換器包括執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換得到多個(gè)輸出值的多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元，每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的量程不同；該設(shè)備還包括處理器，用于接收多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的多個(gè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)該多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換單元的量程確定最終輸出值。本發(fā)明提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。
文檔編號H03M1/12GK101420228SQ200710165369
公開日2009年4月29日 申請日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者何耀華 申請人:比亞迪股份有限公司