多通道传感器差分信号AD转换电路

技术领域

本发明涉及传感器信号处理技术领域，尤其涉及一种多通道传感器差分信号AD转换电路。

背景技术

传感器模拟量输出信号类型主要有单端信号、伪差分信号和差分信号。大多数应用是采集传感器模拟量的单端信号进行AD转换。单端输入的一线变化时，GND不变，所以电压差变化较大。单端信号依靠高低两个阈值电压判断，受工艺，温度的影响较大，对于低幅度信号，其时序上的误差较大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种多通道传感器差分信号AD转换电路，实现高速多通道稳定转换功能，可用于需要高速多通道差分信号AD转换应用领域。

因差分是将单端信号进行差分变换，输出两个信号，一个和原信号同相，一个和原信号反相。差分输入时，是判断两信号线的电压差。

差分信号有较强的抗共模干扰能力，适合较长距离传输，单端信号则没有这个功能。

信号受干扰时 ，差分的两根线会同时受到影响，但电压差变化不大。而单端输入的一线变化时，GND不变，所以电压差变化较大。

本发明采取的技术方案是：

一种多通道传感器差分信号AD转换电路，其特征是，包括四路仪表运放，两路轨到轨运放，一个AD转换器和一个微控制器，所述微控制器与AD转换器控制相连，第1路仪表运放的输入端连接第1路传感器差分信号，经第1路仪表运放转换后的单端信号连接至第1路轨到轨运放的第1路运放通道的反向输入端；第2路仪表运放的输入端连接第2路传感器差分信号，经第2路仪表运放转换后的单端信号连接至第1路轨到轨运放的第2路运放通道的反向输入端；第3路仪表运放的输入端连接第3路传感器差分信号，经第3路仪表运放转换后的单端信号连接至第2路轨到轨运放的第1路运放通道的反向输入端；第4路仪表运放的输入端连接第4路传感器差分信号；经第4路仪表运放转换后的单端信号连接至第2路轨到轨运放的第2路运放通道的反向输入端；所述AD转换器的REF管脚分别连接至第1轨到轨运放的第3路运放通道的正向输入端，以及第2轨到轨运放的第3路运放通道的正向输入端；所述第1路轨到轨运放的第1第2路运放通道的两个输入端同时输入电压，输出端分别连接至AD转换器的输入通道；所述第2路轨到轨运放的第1第2路运放通道的两个输入端同时输入电压，输出端分别连接至AD转换器的输入通道。

进一步，四路传感器差分信号分别经低通滤波器连接至对应四路仪表运放的输入端。

进一步，四路仪表运放转换后的单端信号经过电阻送入至对应的轨到轨运放的运放通道的反向输入端。

进一步，两路轨到轨运放的第1第2路运放的输出端分别经过电阻形成负反馈电路。

进一步，所述AD转换器的REF管脚经过分压电阻分压后分别输入到第1第2轨到轨运放的第3路运放通道的正向输入端，第3路运放通道的输出端输出的电压经过电阻分压后，输入到第1第2路运放通道的同相输入端。

进一步，两路轨到轨运放的第1第2路运放通道的输出端分别连接滤波电路后连接至AD转换器的输入通道。

进一步，所述仪表运放的型号为AD8421BRZ、轨到轨运放的型号为AD8608ARZ、AD转换器的型号为AD7689，微控制器的型号为10M08SAE144CG。

本发明的有益效果是：

差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下方面：

（1）抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好(最好相邻布线)，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消；

（2）能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少；

（3）时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。

附图说明

图1为本发明的第1路和第2路AD采样信号调理电路原理图；

图2为本发明的第3路和第4路AD采样信号调理电路原理图；

图3为本发明的四路AD采集和控制器通讯原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明多通道传感器差分信号AD转换电路的具体实施方式作详细说明。

参见附图，本发明的高速多通道差分信号AD转换电路，包括仪表运放 U1-U4、轨到轨运放U5-U6、AD转换器 U7、微控制器U8。

微控制器U8与AD转换器U7相连，即微控制器U8的MOSI端与AD转换器 U7的DIN管脚相连，微控制器U8的SCLK端与AD转换器 U7的SCK管脚相连，微控制器U8的MISO端与AD转换器 U7的SDO管脚相连，微控制器U8的CONV端与AD转换器 U7的CNV管脚相连。

仪表运放 U1输入端连接外部传感器差分信号，第1路传感器差分信号经过电阻R1和电容C1、电阻R2和电容C2组成的一阶RC低通滤波器，去除不需要的高频信号，Vout1为IN+与IN-的差值，实现差分转单端信号功能。

仪表运放 U2输入端连接外部传感器差分信号，第2路传感器差分信号经过电阻R3和电容C3、电阻R4和电容C4组成的一阶RC低通滤波器，去除不需要的高频信号，Vout2为IN+与IN-的差值，实现差分转单端信号功能。

仪表运放 U3输入端连接外部传感器差分信号，第3路传感器差分信号经过电阻R5和电容C5、电阻R6和电容C6组成的一阶RC低通滤波器，去除不需要的高频信号，Vout3为IN+与IN-的差值，实现差分转单端信号功能。

仪表运放U4输入端连接外部传感器差分信号，第4路传感器差分信号经过电阻R7和电容C7、电阻R8和电容C8组成的一阶RC低通滤波器，去除不需要的高频信号，Vout4为IN+与IN-的差值，实现差分转单端信号功能。

第1路转换后的单端信号Vout1经过电阻R10送入至轨到轨运放U5的第1路运放通道的反向输入端。

第2路转换后的单端信号Vout2经过电阻R11送入至轨到轨运放U5的第2路运放通道的反向输入端。

第3路转换后的单端信号Vout3经过电阻R13送入至轨到轨运放U6的第1路运放通道的反向输入端。

第4路转换后的单端信号Vout4经过电阻R14送入至轨到轨运放 U6的第2路运放通道的反向输入端。

轨到轨运放U5的第1路运放的输出端经过电阻R15形成负反馈电路，电阻R15电阻R10形成反向比例运算关系。

轨到轨运放U5的第2路运放的输出端经过电阻R16形成负反馈电路，电阻R16电阻R11形成反向比例运算关系。

轨到轨运放U6的第1路运放的输出端经过电阻R17形成负反馈电路，电阻R17电阻R13形成反向比例运算关系。

轨到轨运放U6的第2路运放的输出端经过电阻R18形成负反馈电路，电阻R18电阻R14形成反向比例运算关系。

AD转换器 U7的REF管脚使用内部基准源产生4.096V的系统基准电压，经过电阻R23和电阻R21分压后，输入到轨到轨运放U5的第3路运放正向输入端，第3路运放为同相跟随器，输出端输出的电压经过电阻R19和电阻R9分压后，输入到轨到轨运放U5的第1路运放同相输入端和U5的第2路运放同相输入端。

AD转换器 U7的REF管脚使用内部基准源产生4.096V的系统基准电压，经过电阻R24和电阻R22分压后，输入到轨到轨运放U6的第3路运放正向输入端，第3路运放为同相跟随器，输出端输出的电压经过电阻R20和电阻R12分压后，输入到轨到轨运放U6的第1路运放同相输入端和轨到轨运放U6的第2路运放同相输入端。

轨到轨运放U5的第1路运放的两个输入端同时有电压输入，构成减法器，轨到轨运放U5的第1路运放的输出端ADC1电压值为同相输入端电压值与反相输入端电压值的差值，即由基准电压VREF、电阻R23、电阻R21、电阻R19、电阻R9、仪表运放U1输出电压Vout1、电阻R10和电阻R15值计算获得。

轨到轨运放U5的第2路运放的两个输入端同时有电压输入，构成减法器，轨到轨运放U5的第2路运放的输出端ADC2电压值为同相输入端电压值与反相输入端电压值的差值，即由基准电压VREF、电阻R23、电阻R21、电阻R19、电阻R9、仪表运放U2输出电压Vout2、电阻R11和电阻R16值计算获得。

轨到轨运放U6的第1路运放的两个输入端同时有电压输入，构成减法器，轨到轨运放U6的第1路运放的输出端ADC3电压值为同相输入端电压值与反相输入端电压值的差值，即由基准电压VREF、电阻R24、电阻R22、电阻R20、电阻R12、仪表运放U3输出电压Vout3、电阻R13和电阻R17值计算获得。

轨到轨运放U6的第2路运放的两个输入端同时有电压输入，构成减法器，轨到轨运放U6的第2路运放的输出端ADC4电压值为同相输入端电压值与反相输入端电压值的差值，即由基准电压VREF、电阻R24、电阻R22、电阻R20、电阻R12、仪表运放U4输出电压Vout4、电阻R14和电阻R18值计算获得。

经过基准电压和上述调理电路，保证了轨到轨运放U5、U6运放输出端的电压ADC1、ADC2、ADC3、ADC4输入至AD转换器 U7输入通道的电压精度和电压范围。

ADC1经过电阻R25和C13组成RC滤波器后，输入至AD转换器的通道IN2。

ADC2经过电阻R27和C15组成RC滤波器后，输入至AD转换器的通道IN3。

ADC3经过电阻R26和C14组成RC滤波器后，输入至AD转换器的通道IN6。

ADC4经过电阻R28和C16组成RC滤波器后，输入至AD转换器的通道IN7。

经AD转换器 U7转换后，微控制器U8通过SPI通讯协议与U7通讯，实现对传感器数据的快速通讯。

仪表运放 U1-U4的型号为AD8421BRZ、轨到轨运放U5-U6的型号为AD8608ARZ、AD转换器 U7的型号为AD7689，微控制器U8的型号为10M08SAE144CG。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。