基于ＡＤ６５２的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

羅　毅　李　鶯　韓　勇

[摘要]隨著自動控制領域的高速發(fā)展，實現(xiàn)高精度參數(shù)采集變得非常重要。實現(xiàn)高精度的參數(shù)采集處理目前主要有并行A/D轉(zhuǎn)換和串行A/D轉(zhuǎn)換兩種方式，而串行方式以其精度高且成本低廉被廣泛應用。它主要有兩種有代表性的實現(xiàn)形式（A/D串行、V/F方式）。著重討論在模擬機參數(shù)采集處理應用中采用V/F轉(zhuǎn)換實現(xiàn)穩(wěn)定性好、抗干擾能力強而且應用簡單和成本低廉的良好效果。

[關鍵詞]V/F轉(zhuǎn)換 電荷平衡

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0120021－02

一、前言

隨著醫(yī)療水平的不斷提高，醫(yī)療設備的精度將直接影響診療效果，模擬機作為在放射治療系統(tǒng)中實現(xiàn)精確放療的必備設備，實現(xiàn)高精度的參數(shù)采集是模擬機控制設計中的一個極其重要的任務。模擬機由于在比較惡劣的環(huán)境下，受到很強的電磁干擾和長時間的持續(xù)工作，如何保證模擬機參數(shù)精度的同時保證參數(shù)的穩(wěn)定性是參數(shù)采集系統(tǒng)的關鍵。以LM331為核心的參數(shù)轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)，由于自身的核心轉(zhuǎn)換芯片的精度限制（線性度、溫漂系數(shù)等），使其不可能滿足更高的要求。而以AD652為核心的新型參數(shù)轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)能夠做到這點，可以為計算機等后續(xù)處理系統(tǒng)提供脈沖信號實現(xiàn)精確定位。但是目前國內(nèi)還沒有成熟的AD652實際應用電路，尤其是適合我廠模擬機要求的實際應用電路和相關技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過長期的探索研究現(xiàn)已實現(xiàn)AD652的成功應用，并在模擬機參數(shù)采集系統(tǒng)獲取了良好的效果。

二、國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

以AD652為核心的新型參數(shù)采集處理系統(tǒng)中，由于AD652為軍品級的芯片產(chǎn)品，與生俱來就具有工作適用范圍廣、線性度高、溫漂系數(shù)低等諸多特點，使其在軍事上得到了廣泛的應用，如導彈的精確定位導向系統(tǒng)。

由于AD652沒有成熟的應用電路供借鑒和參考，因此在國內(nèi)的工業(yè)設備和放療設備中應用還不很廣泛。目前在國內(nèi)的放療設備和其他產(chǎn)品中大多采用以LM331為核心的參數(shù)采集處理系統(tǒng)。LM331系統(tǒng)中只能采用R-C作為芯片外圍振蕩基準頻率，因此對RC振蕩器件的要求比較高，但RC振蕩器件受工作溫度和周圍器件影響很大，再加上LM331本身的線性度及溫漂系數(shù)大等因素的影響，這樣LM331系統(tǒng)在我廠的模擬機中只能做到≥±1mm的參數(shù)精度，并且參數(shù)由于器件的溫度等因素的變化還會產(chǎn)生較大的漂移。

為了提高參數(shù)精度和減小參數(shù)的漂移使之滿足精確放療的要求，我們采用了以AD652為核心的新型參數(shù)轉(zhuǎn)換采集系統(tǒng)，使參數(shù)精度提高到了≥±0.01mm，并大大減小了參數(shù)的漂移，使定位參數(shù)更加精確、更加穩(wěn)定、更加可靠。

以下是AD652和LM331性能特點的比較：

1．AD652可以實現(xiàn)－55℃－125℃溫度范圍內(nèi)工作；LM331工作范圍0℃－70℃溫度范圍內(nèi)工作。

2．AD652采用外部頻率時鐘為其提供頻率，頻率穩(wěn)定度很高；LM331采用R－C振蕩器為其提供頻率，受工作環(huán)境影響。

3．最大線性度比較

4．AD652僅僅需要一個要求不高的積分電容就可以工作，受外圍電路的影響??；LM331對外圍器件要求精度高，電阻要求達到0.1Ω的精度。電容要求采用CBB精度級的。

5．AD652的時鐘脈沖輸入可與TTL和CMOS兼容；LM331單一的R－C振蕩頻率。

三、技術(shù)方案

AD652具有高精度線性積分輸入特性，在一些非快速的檢測通道中，越來越趨向使用電壓轉(zhuǎn)換代替通常的A/D轉(zhuǎn)換。AD652是美國模擬器件公司新近推出的一種高性能同步電壓轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換器件。AD652是單片電荷平衡式電壓轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換器件，它不采用高質(zhì)量的低溫漂的電容構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩作為基本定時電路，而采用外部時鐘定時，結(jié)果是一種更加穩(wěn)定，更加線性的轉(zhuǎn)換功能。

利用AD652實現(xiàn)模擬機參數(shù)采集方案如下：

四、工作原理

電荷平衡式轉(zhuǎn)換是由一個積分器、比較器、精密電流源、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器和輸出三極管構(gòu)成。輸入信號既可以為電壓也可以為電流，當積分器輸出電壓達到比較器的閥值電壓時，輸出三極管輸出一個脈寬一定的負脈沖，同時精密電荷源被觸發(fā)，并有一個固定的電荷從該積分器中被遷移，電荷放電的速率一定與被施加的電壓相一致。

因此電荷源被觸發(fā)的頻率既輸出脈沖串的頻率，與輸入電壓成正比，所以實現(xiàn)了電壓到頻率的轉(zhuǎn)換。

為了保證參數(shù)的實時性和精度，實現(xiàn)頻率信號的采集的定時非常重要，定時時間與分辨率的關系可以用以下公式描述：

計數(shù)值=F(MAX)×T

分辨率=行程/計數(shù)值=行程/(F(MAX)×T)

由上可見，精度與定時時間T成正比，而實際工作中參數(shù)的實時性與定時時間成反比，所以必須尋求一個同時保證實時性與精度的定時時間周期，綜合模擬機的運動速度要求以及精度要求，確定定時時間T為200ms。模擬機實際應用對于最長行程為800mm的情況下，精度達到0.1mm，可見能夠滿足模擬機高精度參數(shù)采集的要求。

右圖為AD652內(nèi)部工作原理，其實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性V/F轉(zhuǎn)換機理如下：

鎖存器輸出Q為高時，衡流源開關S接通H端，使積分器正向充電，使積分電容C充入一定的電荷Qc=Ir.*To，由于電路設計成Ir＞Vin/Rin，因此在To階段積分器一定以正向充電為主，當鎖存器輸出Q為低時，恒流源開關S接通L端積分器輸出反向放電，此時積分器電壓下降，當鎖存器輸出Q再變?yōu)楦唠娖綍r，積分器電壓停止下降，轉(zhuǎn)到正向充電，根據(jù)正反充電電荷量相等的電荷平衡原理，可以得出：

（I r－ Vin／Rin）×To=Vin／Rin×（T－To）即

Ir×To－Vin ／Rin×To=Vin／Rin×T－Vin／Rin×To

由上得到Ir×To=Vin／Rin×T，因此可以得出輸出頻率：

F=1／T=（1／Ir×Rin×To）×Vin

式中常量Ir、Rin的穩(wěn)定性只與AD652的工藝決定，外界工作條件對它的影響很小，所以可以簡單地認為Ir、Rin為常數(shù)，所以F與模擬電壓Vin成正比。而外部輸入時鐘決定輸出頻率的范圍（小于外部時鐘頻率的一半）同時其時鐘的穩(wěn)定性也必將影響輸出的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)采用晶振提供時鐘可以保證其高穩(wěn)定性，所以該性能結(jié)構(gòu)大大減少了外部元器件對其性能的影響，提高了穩(wěn)定性和抗干擾能力。

模擬機應用中采用低脈動高精度雙電源±15V供電，采用100KHz有源晶振提供外部時鐘，采用穩(wěn)定性較好的0.1uF電容作為積分電容。具體電路如下所示，其外圍連接件非常少，對各元器件的性能要求也不高，但可以實現(xiàn)非常線性的V/F轉(zhuǎn)換。

該電路輸入信號為0-10V電壓信號，輸入阻抗為20千歐姆，可實現(xiàn)最高50KHz的頻率輸出，應用于模擬機理論上最低可實現(xiàn)0.06mm，最高可實現(xiàn)0.005mm的參數(shù)精度，考慮其它因素，完全能夠?qū)崿F(xiàn)滿足目前放射設備普遍為0.1mm的精度要求。它的成功應用同時為高精度參數(shù)方案提供了又一個應用基礎。

五、應用數(shù)據(jù)及結(jié)論

工作條件及器件要求：

AD652SQ電路中采用有源晶振：100KHZ；

輸入信號電源：+10V±1‰；

工作電源電壓：±12V±0.3﹪；

傳感器：10K±0.3﹪；線性度：±0.05﹪；

常溫下持續(xù)工作5天。

由上表可見實際轉(zhuǎn)換關系線性度很好，可以確保模擬機系統(tǒng)的精度要求。

另外，在同一輸入電壓，且其它條件不變情況下，持續(xù)工作5天實際測量頻率變化小于3Hz，可見穩(wěn)定性很好。

由于該高精度參數(shù)采集方案的良好線性、穩(wěn)定性以及高抗干擾能力以及該參數(shù)采集系統(tǒng)電路簡單等強大優(yōu)勢，其應用領域?qū)⑦M一步擴大，其應用前景將十分廣闊。

參考文獻：

[1]施麗蓮、周澤魁，基于V∕F變換的高精度電量測試系統(tǒng)[J].電子測量與儀器學報，2004.(3):1～5.

[2]紀宗南，V∕F轉(zhuǎn)換器[J].電子技術(shù)月刊，1992，(9).

[3]《monolithic synchronous voltage-to-frequency converter》說明書.