摘 要： AD构件广泛运用在医疗器械、工业控制、民用电子产品中。随着设备控制精度和准确度的提高，对AD构件分辨率的要求也越来越高。目前高分辨率的AD构件成本较高，单片AD构件不能有分段不同的分辨率。通过对低成本低性能AD构件和放大电路的研究，设计了一款使用低成本低性能元器件和放大器实现的低成本高性能可分段AD构件，简称为HLSAD模块，该模块的成本与低成本AD构件成本相当，分辨率等性能成倍增加，并且可以分段设置分辨率。该模块已用于江苏省级和苏州市级项目，取得了良好的效果。
关键词： HLSAD； 放大电路； AD构件； 分辨率
中图分类号：TP211 文献标志码：A 文章编号：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构件一般包括AD前端放大电路和AD采集两部分，对于微弱信号，需要用放大电路进行信号放大，然后通过AD采集电路将模拟信号转换成数字信号，从而方便后端信号处理。
1 AD构件的现状及发展趋势
1.1 AD前端放大电路现状
AD前端放大电路负责将传感器中微弱的信号转换成适合AD采集部分采集到的信号，一般由放大器、滤波电路及其配套电路组成，其中放大器是核心部分，决定了整个AD前端放大电路的性能和质量。放大器只对信号进行放大，并不进行模拟/数字转换，目前有模拟信号放大器和数字信号放大器之分，市面上主流的是模拟信号放大器。现阶段几乎每个完整的电子产品中都离不开放大器，而放大器性能的提高对电子产品的功能起着重要的决定作用[1]。
放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，根据不同的应用需求主要分化为通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。一般而言，高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA等以电池供电的便携式电子产品；高精度运放主要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。这三种放大器是针对某些领域的特定需求设计的，针对性强，功能强大，但价格偏高[2，3]。通用放大器应用最广，几乎任何需要添加简单信号增益或信号调理功能的电子系统都可采用通用运放，其价格相对比较便宜，但是性能方面略低。
1.2 AD前端放大电路发展趋势
AD前端放大电路的两个部分是相互配合使用的，无论哪个部分工作出现问题，都会导致整个AD前端放大电路部分不能正常工作，所以要求设计人员对电路设计既有过硬的技术又有丰富的经验，因为一些初级电子工程师往往无法做出稳定可靠的电子产品。
目前较有实力的公司（如AD、TI等公司）开始将AD前端放大电路集成在一起，设计生产出了单片集成AD前端放大电路，内部集成了放大器功能及放大器配套电路功能，大大简化了电子产品设计流程，用户只需要进行简单滤波，就可以把传感器信号直接接入到集成芯片上，完成信号变换功能，这已经成为AD前端放大电路的主流发展趋势[4]，但此类产品价格一般比较高，比如普通LM358放大器成本在几毛钱，而集成了附加电路的前端放大产品价格在20元左右，价格相差悬殊，不适合用于普通民用产品。
1.3 AD采集部分现状及发展趋势
在独立性方面，目前AD采集部分可以分为两类，一类是独立的AD构件，如常见的TLC2543等，另一类是将独立AD构件集成到微处理器MCU或者数字处理芯片中，如freescale公司的MCU大部分都集成了AD构件。前者不能独立使用，必须配合处理单元才能完成信号采集处理工作，而后者在MCU的协助下，完成后期信号处理，总体价格比较便宜。在民用领域，与MCU集成在一起的AD构件成为发展的主流，使用量越来越大，独立的AD模块主要向高端使用领域发展[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，最高的达到24位甚至32位，但是高分辨率的AD构件价格太高，不适合普通场合使用。目前常用的且价格适中的分辨率为12位精度，独立模块的价格在十元左右，集成到MCU中适合普通场所使用的一般总体价格在3～20元不等。
2 HLSAD模块的设计实现
本文使用集成在MCU内部的廉价AD模块，配合外围简单电路，设计了一款成本低廉、性能可靠并且可分段调节AD采样精度的HLSAD模块，适合民用领域使用要求。
2.1 HLSAD可分段局部高精度设计
在一些具体应用场所中，要求不同AD范围设备做出不同的反应，所以，根据具体应用场所，需要对AD采集电路做适当设计，使之可分段处理。
2.1.1 HLSAD可分段局部高精度设计缘由
在全自动鸡苗孵化控制设备中，对鸡苗孵化场的温度和湿度要求非常高，温度高了或者低了就会导致鸡苗孵出率降低；湿度过高会导致孵出的鸡苗大肚子，湿度过低会导致蛋壳过硬，鸡苗啄不开蛋壳而闷死，所以温度和湿度要严格控制在预定范围内。拿温度来讲，比如温度在22℃～25℃范围以外，采用精度要求比较低，那么系统就可以进行简单采样，低于22度时加足马力加热，而高于25度时加足马力降温，使环境温度迅速到达合适温度范围；如果环境温度在22℃～25℃之间，如果过快加热或者制冷，就会导致温度波动幅度过大，因此在控制中对采用精度要求较高，按照采用数据对压缩机进行准确的功率控制，将温度控制在某个温度点上，从而快速准确地将温度控制在预定温度点上。
2.1.2 HLSAD可分段局部高精度设计思想
对于固定的AD采样模块，它的采样精度是固定的，所以按照使用环境的不同调整某一路AD通道的采样精度是不现实的，本文采用调整前端AD放大电路的方法，巧妙地实现了HLSAD可分段设计，如图1所示。
图1中，同一个传感器输出的信号，通过两路AD前端放大电路的放大处理后，输入到单片机的两个AD采集通道中，虽然两路AD采用精度相同，但是两路AD前端放大电路的放大倍数不同，基准电压也不同，所以输入到单片机里面的信号分辨率精度也就不同，从而实现了HLSAD可分段设计。
2.1.3 HLSAD可分段设计
在实际项目中，温度传感器输出0-50mv电压信号，对应温度范围为0℃～50℃，单片机内集成8通道8位AD构件，实际温度控制在22.5℃温度点上。
按照HLSAD可分段设计设计思想，AD前端放大电路1的基准电压为0，实际信号与0V差分放大，放大倍数为100，输入到AD通道1中，那么AD前端放大电路1有效输入信号范围为0～50mv，有效输出信号范围为0～5v，对应温度范围为0℃～50℃，AD构件为8位，所以最高采样精度为（50℃-0℃）/28=0.2℃。
AD前端放大电路2的基准电压为20mv，实际信号与20mv差分放大，放大倍数为500，输入到AD通道2中，那么AD前端放大电路2有效输入信号最小值为20mv，有效输出信号最小值为（IN-20mv）*500=（20mv-20mv）*500=0v，有效输入信号最大值为50mv，有效输出信号最大值为（IN-20mv）*500=（50 mv-20mv）*500=15v，由于供电电压为5v，所以真实输出有效值为5v，反推出有效输入值为30mv，因此AD前端放大电路2有效输入信号范围为20mv～30mv，对应温度范围为20℃～30℃， AD构件为8位，所以最高采样精度为（30℃-20℃）/28=0.04℃。
通过上面的计算，系统可以在环境温度为0℃-20℃或者30℃-50℃时采样AD通道1的数据，采样精度仅有0.2℃，但是当环境温度在20℃-30℃时采样AD通道2的数据，可以使采样精度提高到0.04℃，提高了50倍，0.04℃的温度波动都能被系统捕获，因此系统不但能实现全温度范围控制覆盖，而且能保证在23℃温度点上得到精准控制。
2.2 HLSAD全范围不分段高精度设计
在某些应用领域，需要对全温度范围进行精准控制，无需分段，但是成本控制非常严格，也可以采用如图1所示的设计思想进行设计，有效降低设计成本，并全范围成倍提高采样精度。
本文HLSAD全范围不分段高精度设计的思想与图1一致，只是电路参数需要稍微调整，比如在实际项目中需要16位或者更高位数精度要求，单片机内只有8位精度AD构件，一种解决方法是购买独立高精度AD模块，但是成本会增加很多，本文采用的方式是利用单片机内部多余的AD模块，提高系统采用精度，不增加任何成本。
按照图1的设计，同一个温度传感器的输出信号输出到两路AD前端放大电路中，AD前端放大电路1中，通过调整分压可调电阻，使基准电压为0V；通过调整放大倍数可调电阻，使放大倍数调整为200，因此，按照2.1.3节的计算方法可以计算出，AD前端放大电路1的有效输入为0mv-25mv，有效输出温度范围为0℃-25℃。同样的道理，AD前端放大电路2中，通过调整分压可调电阻，使基准电压为25mv；通过调整放大倍数可调电阻，使放大倍数调整为200。因此，按照2.1.3节的计算方法可以计算出AD前端放大电路2的有效输入为25mv-50mv，有效输出温度范围为25℃-50℃。那么整体采样精度=（25℃-0℃）/28=（50℃-25℃）/28=0.1℃，因此，采样精度提高了一倍。
3 应用实例与小结
本文以2012年江苏省高校科研成果产业化推进项目《基于3G的物联网平安家居系统的研发及产业化（项目编号为JHZD2012-51）》为实例说明HLSAD模块的使用。本项目要求温度范围为15℃-45℃，稳定温度点位28℃，按照HLSAD模块设计思想，系统将温度分为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，为0.2℃，在28℃-30℃这一段中分辨率要求较高，为0.05℃，利用2.1 HLSAD可分段局部高精度设计思想，可以轻松实现温度控制的要求。另外，系统中只有一路温度和一路湿度值需要采集，所以有6路AD采集通道空闲，利用2.2 HLSAD全范围不分段高精度设计可以进一步提高系统中温湿度的分辨率。本项目采用的电路如图2所示。
本设计中，放大器采用LM324，成本只有0.5元左右，控制芯片MCU采用美国ATMEL公司生产的普通八位单片机EM78P259NSO14，成本在1.0元左右，所以系统在保证了高分辨率的同时，大大降低了硬件成本。
4 结束语
本文设计的HLSAD模块分别在2012年江苏省高校科研成果产业化推进项目《基于3G的物联网平安家居系统的研发及产业化（项目编号为JHZD2012-51）》和2012年苏州市科技支撑计划项目《基于TD-LTE的物联网平安家居系统的研发应用（项目编号为SG201256）》中表现出了良好的特性。
参考文献：
[1] 安然.基于AD9273的医用全数字B超成像系统前端电路设计与研
究[D].华中科技大学硕士学位论文，2012
[2] 幸坤涛，刘晓文.基于8通道高压开关HV20220的B超探头电路设
计[J].电子世界，2009.7：48-50
[3] Art Kay.运算放大器电路固有噪声的分析与测量[J].世界电子元器
件，2010.6：41-44
[4] 王三强，何为，石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计[J].重庆大学
学报（自然科学版），2006.6：51-53
[5] 张田田，李元景等.前端放大电路阵列测量系统的研制[J].核电子学
与探测技术，2003.1：69-71，96
