（中環(huán)天儀股份有限公司，天津 300384）

在智能閥門定位器設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集單元（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）主要用于采集4～20 mA控制信號和閥門開度信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便微機系統(tǒng)處理[1]。當信號很微弱或信號變化量很小時，低分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將檢測不到信號或信號的變化，從而無法實現(xiàn)高精度定位控制。目前通常采用以下2種方法解決上述問題：一種是先將信號放大濾波，再用低或中分辨率的AD轉(zhuǎn)換器進行采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，再做信號處理；另一種是使用高分辨率AD轉(zhuǎn)換器，對微弱信號直接采樣，再進行數(shù)字信號處理。2種方法各有千秋，也都有自己的缺點。前一種方法，AD轉(zhuǎn)換器要求不高，特別是現(xiàn)在大部分微處理器都集成有低或中分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，大大節(jié)省了開支，但是增加了繁瑣的模擬電路。后一種方法省去了模擬電路，但是對AD轉(zhuǎn)換器性能要求高，且高分辨率AD轉(zhuǎn)換器價格昂貴[2-4]。本文基于智能閥門定位器硬件設(shè)計，在對信號進行簡單濾波放大后，采用過采樣技術(shù)將10位AD轉(zhuǎn)換器分辨率提高到12位，提高閥門定位器控制精度的同時，避免采用昂貴的片外AD轉(zhuǎn)換器，降低產(chǎn)品成本。

1 過采樣原理

過采樣技術(shù)是以遠高于奈奎斯特采樣頻率的頻率對模擬信號采樣。過采樣技術(shù)提高AD轉(zhuǎn)換器的分辨率理論分析如下：

由信號采樣量化理論可知，N位的AD轉(zhuǎn)換器其量化步Δ長定義為

式中，Vref為參考電壓，則量化誤差eq：

在量化過程中，量化誤差被認為是一種加性白噪聲，是在-Δ/2到Δ/2之間均勻分布的隨機變量，隨機變量的方差，代表噪聲的平均功率：

則帶內(nèi)噪聲功率為

式中：fm為信號最高頻率；fs為信號采樣正頻率。在這里，定義過采樣率OSR為

通過式（1）～式（5）得到噪聲功率與過采樣率和分辨率的關(guān)系為

由式（6）推導可以得出有效位數(shù)N：

每增加一位分辨率，需要以4倍的采樣頻率進行過采樣，即：

式中：w是希望增加的分辨率位數(shù)；fs是初始采樣頻率；fos是過采樣頻率[5]。

通過以上分析可知，過采樣技術(shù)提高分辨率的必要條件是：引入到信號的噪聲必須逼近白噪聲，且噪聲幅度足夠大，能引起輸入信號隨機變化。因此在實際應用中，通常有意引入這種噪聲，稱為擾動[6]。

2 Matlab仿真

以上述理論為依據(jù)，利用Matlab對過采樣技術(shù)提高AD轉(zhuǎn)換器的分辨率及信噪比進行仿真。仿真結(jié)果如圖1～圖3所示，其中原始信號S（t）=0.1cos（2π ft），f=1 Hz，初始采樣頻率fs=4 Hz，過采樣頻率fos=64 Hz。

圖1 仿真環(huán)境下原始信號Fig.1 Original signal in simulation

圖2 未疊加噪聲激勵信號時重構(gòu)原始信號Fig.2 Signal after oversampled D/A conversion without stimulating noise signa

圖3 疊加方波信號時重構(gòu)原始信號Fig.3 Signal after oversampled D/A conversion with squarewave as stimulating noise signal

對比圖2和圖3可以得出：疊加方波信號作為噪聲激勵信號后，結(jié)合過采樣，重構(gòu)的信號失真很小，可以看出明顯的正弦波形。

3 實驗方案及結(jié)果分析

在智能閥門定位器設(shè)計中，采用Renesas M16C/ 62P M30626微處理器，利用其自帶10位AD轉(zhuǎn)換器采用過采樣和求均值技術(shù)實現(xiàn)12位的分辨率。

本文利用瑞薩M30626單片機的內(nèi)部定時計數(shù)器，設(shè)計產(chǎn)生幅值為3 V，周期為10 ms，占空比為50%的PWM信號作為噪聲激勵信號加載到閥門定位器4～20 mA控制信號及閥門開度信號上。AD轉(zhuǎn)換器參考電壓為2.5 V。根據(jù)理論分析可知，要想提高2位分辨率，需要16倍于初始采樣頻率進行采樣。4～20 mA采樣信號濾波及過采樣電路如圖4所示，4～20 mA模擬輸入信號經(jīng)由MAX4163運算放大，同時單片機輸出PWM信號作為噪聲激勵信號通過電阻R6加載到放大后的4～20 mA信號上進入M30626單片機的A/D采集引腳。

圖4 4～20 mA信號過采樣硬件實現(xiàn)方案Fig.4 Circuit schematic diagram of the 4～20 mA oversampling signal

圖5為過采樣程序流程圖。在一個PWM信號周期內(nèi)，單片機均勻采集16次4～20 mA信號，并將采集結(jié)果累加后右移2位得到所需ADC結(jié)果，將此結(jié)果經(jīng)過單片機內(nèi)部線性換算后得到輸入電流值。

圖5 過采樣程序流程圖Fig.5 Flow chart of oversampling program

由于智能閥門定位器輸入信號為4～20 mA直流信號，因此為了更加直觀地展現(xiàn)過采樣技術(shù)對信號采集精度及分辨率的影響，測量了不同情況下智能閥門定位器的死區(qū)，即在各個測試點，單片機所能檢測到并控制閥門動作的輸入電流最小變化范圍。實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同測試點智能閥門定位器死區(qū)分布圖Fig.6 Distribution of dead zoon at different testpoints in smart electrical valve positioner

從圖6可以看出：在4～20 mA信號輸入范圍內(nèi)，未加入噪聲激勵信號之前智能閥門定位器的死區(qū)值約為0.055 mA；加入方波信號作為噪聲激勵信號，采用過采樣技術(shù)，智能閥門定位器的死區(qū)值減小為0.02 mA。從以上實驗數(shù)據(jù)可以得出：在不采用昂貴片外AD轉(zhuǎn)換器的條件下，采用過采樣技術(shù)，加入噪聲激勵信號，提高了單片機信號采樣的分辨率及精度。

4 結(jié)語

本文采用瑞薩M30626單片機，在其自帶10位AD轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)上，利用過采樣技術(shù)實現(xiàn)了12位分辨率，提高閥門定位器控制精度，并給出了軟件及硬件實現(xiàn)方案。利用這種技術(shù)可避免采用昂貴的片外AD轉(zhuǎn)換器，降低產(chǎn)品成本。

[1] 林慧.智能電氣閥門定位器的研究開發(fā)[D].天津：天津大學，2003.

[2] 李剛，張麗君，林凌，等.利用過采樣技術(shù)提高ADC測量微弱信號時的分辨率[J].納米技術(shù)與精密工程，2009，7（1）：71-75.

[3] 劉青蘭，方志剛，邵志學.利用過采樣技術(shù)提高ADC測量分辯率[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（12）：74-76，79.

[4] 高光天.模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用技術(shù)[M].北京：科學出版社，2001：5-33.

[5]J C Candy，G C Temes.Oversampling Methods for A/D and D/A Conversion[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，1987（6）：32-39.

[6] 李剛，張麗君，林凌，等.結(jié)合過采樣技術(shù)和鋸齒成形函數(shù)的微弱信號檢測[J].電子學報，2008，36（4）：756-759.