CN101915869A - 减小激励信号幅值波动引入测量误差的方法及实施装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量电路，具体地说涉及用于减小激励信号幅值波动引入测量误差的测量方法和电路。为含有激励源的一般电测系统提供一种能够减小激励信号幅值引入测量误差的方法、电路，本发明采取的技术方案是，通过将激励信号通过变换电路转换为直流电压作为模拟/数字转换数字器A/DC的基准电压，使传感器在激励源下输出的信号经过放大处理电路后进入模拟/数字转换器A/DC采样，利用模拟/转换数字器A/DC的传输特性取到待测信号与激励信号的比值，实现采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对激励信号幅值波动进行补偿。本发明主要应用于高精度的测量场合。
Description
技术领域
本发明涉及测量电路，具体地说涉及用于减小激励信号幅值波动引入测量误差的测量方法和电路。
背景技术
随着科学技术的发展和深入，科学研究和工业生产应用中对电测系统的各种物理参数测量精度要求日益提高，例如在应变测量中需要检出几十μΩ的变化，在温度测量中需要辨别零点零几度的变化等。因此，如何实现更高精度的测量、检测系统是研究人员和工程师们面临的日久弥新的探索问题。对于包含激励源的电测系统，影响系统测量精度的主要因素之一是激励信号的幅值波动，激励源的精度、稳定度在一定程度上决定了系统可达到的测量精度。为了避免激励信号幅值变化带来的误差，常规的做法是采用高精度激励源，对于直流激励信号而言，达到幅值稳定相对容易做到，幅值精度和稳定性的提高在设计上和工艺上都比较困难且成本较高，这成为含激励源电测系统提高测量精度的一个瓶颈。
激励源作为一般电测系统的关键组成部分之一，为了保证系统精度，激励信号的波动须小于系统数据采集电路所用模拟/数字转换器(A/DC)的1个LSB，因此实现高精度和高分辨率的测量系统需要更高精度的激励源电路。为了提高现有测量系统激励源的精度，很多学者进行了相关的研究，一种主要的方法是应用直接数字合成原理，用FPGA或直接数字合成(DDS)集成芯片产生一定精度的电压激励信号。不难看出，用这种方法只能改善激励信号的频率精度，对其幅值精度及稳定性改善不大，因为其幅值精度主要取决于所用或所集成的DAC的精度，同时这种方法大大增加了系统成本。另外，为了对激励信号幅值波动引起的测量误差进行补偿，一种传统的方法是先用模拟/数字转换器(A/DC)进行待测信号转换，再进行激励信号转换，最后将两转换结果做数字信号除法运算。然而这种方法存在一定的局限性，包括需要所用模拟/数字转换器(A/DC)至少有两个信号输入通道、模拟/数字转换器(A/DC)的采样时间和通道转换时间应满足要求、模拟/数字转换器(A/DC)本身达要到较高的转换精度、模拟/数字转换器(A/DC)参考电压要达到较高精度等。比例测量法是通过引入参比电阻、利用电压并联负反馈电路或模数转换器等方法，用于减小电源电压波动对测量精度的影响。目前比例测量法已在测量应力、温度、电网器件直流电阻等电阻性测量系统中有了一定的应用。然而，这种方法只能用于测量电阻或以电阻作为敏感元件的测量系统。
发明内容
为克服现有技术的不足，为含有激励源的一般电测系统提供一种能够减小激励信号幅值引入测量误差的方法、电路，本发明采取的技术方案是，通过将激励信号通过变换电路转换为直流电压作为模拟/数字转换数字器A/DC的基准电压，使传感器在激励源下输出的信号经过放大处理电路后进入模拟/数字转换器A/DC采样，利用模拟/转换数字器A/DC的传输特性取到待测信号与激励信号的比值，实现采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对激励信号幅值波动进行补偿。
所述方法的一种实施装置，包括：激励源的输出连接传感器，传感器的输出连接放大处理电路，放大处理电路连接模拟/转换数字器A/DC，激励源的输出还通过变换电路输出到模拟/转换数字器A/DC作为模拟/转换数字器A/DC的基准电压。
所述变换电路为整流滤波电路、均方根值检测电路、峰值检测电路、分压电路、放大电路中的一种。
本发明其特点在于：采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对激励信号幅值波动进行了补偿，因而本发明可显著减小激励信号幅值波动在测量结果中引入的误差，降低系统精度对激励源稳定性、精度等性能的要求。
附图说明
附图1为减小激励源幅值波动引入测量误差方法的框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的减小激励源幅值波动引入测量误差方法作出详细说明。
发明的减小激励源幅值波动引入测量误差的方法，是在如图1所示的框图上实现的。
发明的减小激励信号幅值波动引入测量误差的新方法是，将激励信号E经过一定的变换电路后用来提供模拟/数字转换器(A/DC)的基准电压Vref。传感器对激励源提供的激励信号E作用下的被测参量做出响应，输出信号V1，理想情况下V1与E成比例关系。传感器输出信号经信号处理电路的线性处理后，如滤波、放大等，输出信号为V2。模拟/数字转换器(A/DC)是将模拟信号数字化的输出器件，虽然各种模拟/数字转换器(A/DC)转换原理不同，但所有模拟/数字转换器(A/DC)都是将输入信号与基准电压进行比较，即用基准电压的满量程数分之一来度量输入信号，输出的数字量是输入模拟电压信号与基准电压的比值乘以满量程数。信号处理电路的输出信号由模拟/数字转换器(A/DC)采样量化后转换为数字输出D。由图1可得如下关系：
V1＝E·I·S
其中I为被测参量的强度，S为传感器的灵敏度。
V2＝V1·P＝E·I·S·P
其中P为信号处理电路的增益，电路结构一定时，P为常数。
Vref＝E·T
其中T为变换电路的变换系数，当变换电路结构一定时，T可视为常数。
D＝(V2/Vref)·FS·R＝E·I·S·P·FS·R/E·T＝I·S·P·FS·R/T
其中FS为模拟/数字转换器(A/DC)满量程数，Vref为模拟/数字转换器(A/DC)基准电压，R为模拟/数字转换器(A/DC)的比例系数，描述了模拟/数字转换器(A/DC)内部的放大和变换过程，当模拟/数字转换器(A/DC)的内部结构一定时，R为常数。
可见，测量系统数字量输出为待测参量的一次比例函数，系统输出在理论上只与待测参量强度、传感器灵敏度及系统各部分线性变换系数有关，与激励信号的绝对值无关，因此规避了激励信号幅值波动影响系统测量精度的问题，降低了对系统激励源和模拟/数字转换器(A/DC)基准电压相关性能的要求。
方法中使用的变换电路，当激励信号为直流时，其可以为分压电路或放大电路；当激励信号为交流时，变换电路通常为整流滤波电路或均方根值电路或峰值检测电路。
所述变换电路为整流滤波电路、均方根值检测电路、峰值检测电路、分压电路(激励信号为直流信号时或交流激励信号转变为过大的幅值的直流信号时)、放大电路中的一种(激励信号为直流信号过小时或交流激励信号转变为过小的幅值的直流信号时)。
发明将激励信号经过一定的变换电路后用来提供模拟/数字转换器(A/DC)的基准电压，传感器在激励源下输出的信号经过处理电路后进入模数转换器采样，利用模拟/数字转换器(A/DC)的传输特性取到了待测信号与激励信号的比值，采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对激励信号幅值波动进行了补偿，减小了激励信号幅值和模拟/数字转换器(A/DC)基准电压幅值波动引入的测量误差，从而降低了测量系统对激励源和模拟/数字转换器(A/DC)参考电压幅值精度和稳定性的要求，使系统成本降低。
Claims (3)
1.一种减小激励信号幅值波动引入测量误差的方法，其特征是，通过将激励信号通过变换电路转换为直流电压作为模拟/数字转换数字器A/DC的基准电压，使传感器在激励源下输出的信号经过放大处理电路后进入模拟/数字转换器A/DC采样，利用模拟/转换数字器A/DC的传输特性取到待测信号与激励信号的比值，实现采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对激励信号幅值波动进行补偿。
2.权利要求1所述方法的一种实施装置，其特征是，包括：激励源的输出连接传感器，传感器的输出连接放大处理电路，放大处理电路连接模拟/转换数字器A/DC，激励源的输出还通过变换电路输出到模拟/转换数字器A/DC作为模拟/转换数字器A/DC的基准电压。
3.根据权利要求2所述的一种实施装置，其特征是，所述变换电路为整流滤波电路、均方根值检测电路、峰值检测电路、分压电路、放大电路中的一种。
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