基于ＡＤ６５２的高精度数据采集系统

罗　毅　李　莺　韩　勇

[摘要]随着自动控制领域的高速发展，实现高精度参数采集变得非常重要。实现高精度的参数采集处理目前主要有并行A/D转换和串行A/D转换两种方式，而串行方式以其精度高且成本低廉被广泛应用。它主要有两种有代表性的实现形式（A/D串行、V/F方式）。着重讨论在模拟机参数采集处理应用中采用V/F转换实现稳定性好、抗干扰能力强而且应用简单和成本低廉的良好效果。

[关键词]V/F转换 电荷平衡

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120021－02

一、前言

随着医疗水平的不断提高，医疗设备的精度将直接影响诊疗效果，模拟机作为在放射治疗系统中实现精确放疗的必备设备，实现高精度的参数采集是模拟机控制设计中的一个极其重要的任务。模拟机由于在比较恶劣的环境下，受到很强的电磁干扰和长时间的持续工作，如何保证模拟机参数精度的同时保证参数的稳定性是参数采集系统的关键。以LM331为核心的参数转换采集系统，由于自身的核心转换芯片的精度限制（线性度、温漂系数等），使其不可能满足更高的要求。而以AD652为核心的新型参数转换采集系统能够做到这点，可以为计算机等后续处理系统提供脉冲信号实现精确定位。但是目前国内还没有成熟的AD652实际应用电路，尤其是适合我厂模拟机要求的实际应用电路和相关技术参数。经过长期的探索研究现已实现AD652的成功应用，并在模拟机参数采集系统获取了良好的效果。

二、国内外技术现状

以AD652为核心的新型参数采集处理系统中，由于AD652为军品级的芯片产品，与生俱来就具有工作适用范围广、线性度高、温漂系数低等诸多特点，使其在军事上得到了广泛的应用，如导弹的精确定位导向系统。

由于AD652没有成熟的应用电路供借鉴和参考，因此在国内的工业设备和放疗设备中应用还不很广泛。目前在国内的放疗设备和其他产品中大多采用以LM331为核心的参数采集处理系统。LM331系统中只能采用R-C作为芯片外围振荡基准频率，因此对RC振荡器件的要求比较高，但RC振荡器件受工作温度和周围器件影响很大，再加上LM331本身的线性度及温漂系数大等因素的影响，这样LM331系统在我厂的模拟机中只能做到≥±1mm的参数精度，并且参数由于器件的温度等因素的变化还会产生较大的漂移。

为了提高参数精度和减小参数的漂移使之满足精确放疗的要求，我们采用了以AD652为核心的新型参数转换采集系统，使参数精度提高到了≥±0.01mm，并大大减小了参数的漂移，使定位参数更加精确、更加稳定、更加可靠。

以下是AD652和LM331性能特点的比较：

1．AD652可以实现－55℃－125℃温度范围内工作；LM331工作范围0℃－70℃温度范围内工作。

2．AD652采用外部频率时钟为其提供频率，频率稳定度很高；LM331采用R－C振荡器为其提供频率，受工作环境影响。

3．最大线性度比较

4．AD652仅仅需要一个要求不高的积分电容就可以工作，受外围电路的影响小；LM331对外围器件要求精度高，电阻要求达到0.1Ω的精度。电容要求采用CBB精度级的。

5．AD652的时钟脉冲输入可与TTL和CMOS兼容；LM331单一的R－C振荡频率。

三、技术方案

AD652具有高精度线性积分输入特性，在一些非快速的检测通道中，越来越趋向使用电压转换代替通常的A/D转换。AD652是美国模拟器件公司新近推出的一种高性能同步电压转频率转换器件。AD652是单片电荷平衡式电压转频率转换器件，它不采用高质量的低温漂的电容构成单稳态多谐振荡作为基本定时电路，而采用外部时钟定时，结果是一种更加稳定，更加线性的转换功能。

利用AD652实现模拟机参数采集方案如下：

四、工作原理

电荷平衡式转换是由一个积分器、比较器、精密电流源、单稳态多谐振荡器和输出三极管构成。输入信号既可以为电压也可以为电流，当积分器输出电压达到比较器的阀值电压时，输出三极管输出一个脉宽一定的负脉冲，同时精密电荷源被触发，并有一个固定的电荷从该积分器中被迁移，电荷放电的速率一定与被施加的电压相一致。

因此电荷源被触发的频率既输出脉冲串的频率，与输入电压成正比，所以实现了电压到频率的转换。

为了保证参数的实时性和精度，实现频率信号的采集的定时非常重要，定时时间与分辨率的关系可以用以下公式描述：

计数值=F(MAX)×T

分辨率=行程/计数值=行程/(F(MAX)×T)

由上可见，精度与定时时间T成正比，而实际工作中参数的实时性与定时时间成反比，所以必须寻求一个同时保证实时性与精度的定时时间周期，综合模拟机的运动速度要求以及精度要求，确定定时时间T为200ms。模拟机实际应用对于最长行程为800mm的情况下，精度达到0.1mm，可见能够满足模拟机高精度参数采集的要求。

右图为AD652内部工作原理，其实现高精度、高稳定性V/F转换机理如下：

锁存器输出Q为高时，衡流源开关S接通H端，使积分器正向充电，使积分电容C充入一定的电荷Qc=Ir.*To，由于电路设计成Ir＞Vin/Rin，因此在To阶段积分器一定以正向充电为主，当锁存器输出Q为低时，恒流源开关S接通L端积分器输出反向放电，此时积分器电压下降，当锁存器输出Q再变为高电平时，积分器电压停止下降，转到正向充电，根据正反充电电荷量相等的电荷平衡原理，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，因此可以得出输出频率：

F=1／T=（1／Ir×Rin×To）×Vin

式中常量Ir、Rin的稳定性只与AD652的工艺决定，外界工作条件对它的影响很小，所以可以简单地认为Ir、Rin为常数，所以F与模拟电压Vin成正比。而外部输入时钟决定输出频率的范围（小于外部时钟频率的一半）同时其时钟的稳定性也必将影响输出的稳定性，但系统采用晶振提供时钟可以保证其高稳定性，所以该性能结构大大减少了外部元器件对其性能的影响，提高了稳定性和抗干扰能力。

模拟机应用中采用低脉动高精度双电源±15V供电，采用100KHz有源晶振提供外部时钟，采用稳定性较好的0.1uF电容作为积分电容。具体电路如下所示，其外围连接件非常少，对各元器件的性能要求也不高，但可以实现非常线性的V/F转换。

该电路输入信号为0-10V电压信号，输入阻抗为20千欧姆，可实现最高50KHz的频率输出，应用于模拟机理论上最低可实现0.06mm，最高可实现0.005mm的参数精度，考虑其它因素，完全能够实现满足目前放射设备普遍为0.1mm的精度要求。它的成功应用同时为高精度参数方案提供了又一个应用基础。

五、应用数据及结论

工作条件及器件要求：

AD652SQ电路中采用有源晶振：100KHZ；

输入信号电源：+10V±1‰；

工作电源电压：±12V±0.3﹪；

传感器：10K±0.3﹪；线性度：±0.05﹪；

常温下持续工作5天。

由上表可见实际转换关系线性度很好，可以确保模拟机系统的精度要求。

另外，在同一输入电压，且其它条件不变情况下，持续工作5天实际测量频率变化小于3Hz，可见稳定性很好。

由于该高精度参数采集方案的良好线性、稳定性以及高抗干扰能力以及该参数采集系统电路简单等强大优势，其应用领域将进一步扩大，其应用前景将十分广阔。

参考文献：

[1]施丽莲、周泽魁，基于V∕F变换的高精度电量测试系统[J].电子测量与仪器学报，2004.(3):1～5.

[2]纪宗南，V∕F转换器[J].电子技术月刊，1992，(9).

[3]《monolithic synchronous voltage-to-frequency converter》说明书.