CN101964660A

CN101964660A - 一种自校正模拟量输出电路

Info

Publication number: CN101964660A
Application number: CN2010102745650A
Authority: CN
Inventors: 李小文; 陈明奎; 苏理; 谭利红; 李进进; 刘伟良
Original assignee: Zhuzhou CSR Times Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: CN101964660B

Abstract

本发明公开了一种自校正模拟量输出电路，包括CPU控制电路单元，DA转换电路单元，比较电路单元，电压基准单元，CPU控制电路单元与DA转换电路单元相连，控制DA转换电路单元输出模拟电压值，电压基准单元产生已知基准电压，比较电路单元将DA转换电路单元输出的模拟电压信号与电压基准单元产生的基准电压进行比较，并将比较得到的高低电平信号输出至CPU控制电路单元，CPU控制电路单元对输出的模拟量进行自动校正，并最终通过DA转换电路单元输出经过校正的模拟量。该发明所描述的实施方式可以很好地克服现有技术存在的模拟量输出存在偏差，具有零度漂移现象，同时存在一致性误差，而人工校正手段费时费力的技术问题。

Description

一种自校正模拟量输出电路

技术领域

本发明涉及一种模拟量输出电路，尤其是一种能够对一路或多路模拟量输出电路进行自动校正，消除零漂，消除一致性差异的模拟量输出电路。

背景技术

在工程应用中，常常需要用模拟量输出电路，主要是因为现在的CPU处理器均为数字化芯片，那么CPU处理器进行运算后所需对外输出模拟量就需要先进行数模转换（简称：DAC）。DAC电路作为一种特定的转换电路广泛的应用于电子电器、工业控制中，其特点是可以将数字量信号变换成模拟量信号。那么，这种数模转换过程是开环的，其最终输出的模拟量是否正确、是否存在偏差需要通过外部专业的仪器来进行校正。本发明提出一种自校正模拟量输出电路，不需要另外的专业仪器进行校正，校正过程在电路内部完成，快捷、简单、方便。

目前，市场上比较普遍的技术方案是：CPU+DAC芯片+放大电路。此方案的控制方法是一种开环的形式。其模拟量输出的最终结果需要通过外部专业的仪器来进行校正。目前，市场上所使用各种各样的DAC芯片，有12位的，有16位的；运放芯片有高精度的、低功耗的。用这些芯片组成模拟量输出电路十分容易，但其缺陷十分明显：1、有零漂：CPU明明输出的是代表零的数字信号，可从DAC芯片出来的模拟量也不会是零，有时为几个毫伏，有时为几十个毫伏。2、一致性差异：使用不同的DAC芯片输出同一个电压值可能得到不同的数值。由于存在以上缺点，要进行人工校正既费时又费劲。加上自校正的功能则可以节约大量的人力物力。

发明内容

本发明提供一种自校正模拟量输出电路，该发明可以很好地克服现有技术存在的模拟量输出存在偏差，具有零度漂移现象，同时存在一致性误差，而人工校正手段费时费力的技术问题，提供一种具备消除零漂和一致性差异功能的自校正模拟量输出电路。

本发明提供一种自校正模拟量输出电路的具体实施方式，一种自校正模拟量输出电路，包括CPU控制电路单元，DA转换电路单元，一路或一路以上的比较电路单元，一路或一路以上的电压基准单元，CPU控制电路单元与DA转换电路单元相连，CPU控制电路单元控制DA转换电路单元输出模拟电压值，电压基准单元产生已知基准电压，比较电路单元分别与DA转换电路单元和电压基准单元相连，比较电路单元将DA转换电路单元输出的模拟电压信号与电压基准单元产生的基准电压进行比较，并将比较得到的高低电平信号输出至CPU控制电路单元，CPU控制电路单元对输出的模拟量进行自动校正，并最终通过DA转换电路单元输出经过校正的模拟量。

作为本发明进一步的实施方式，CPU控制电路单元进一步包括逐次逼近校正模块，当DA转换电路单元输出的模拟电压信号低于电压基准单元输出的基准电压，则比较电路单元向CPU控制电路单元输出控制信号，CPU控制电路单元的逐次逼近校正模块增加输出数字量；当DA转换电路单元输出的模拟电压信号高于电压基准单元输出的基准电压，则比较电路单元向CPU控制电路单元输出控制信号，CPU控制电路单元的逐次逼近校正模块减小输出数字量。

作为本发明进一步的实施方式，CPU控制电路单元通过IO口采集比较电路单元给出的输出控制信号，CPU控制电路单元的逐次逼近校正模块设定初始起点输出电压，并逐次循环调整输出数字量，直到比较电路单元送至CPU控制电路单元的输出控制信号发生高低电平的跳转，CPU控制电路单元记录下最终逼近的输出数字量，并将数字量输出至DA转换电路单元，DA转换电路单元输出经过校正的正确模拟量。

作为本发明进一步的实施方式，电压基准单元包括了电压基准芯片和滤波电容，滤波电容连接在电压基准芯片的参考电源端和接地端之间，电压基准芯片输出的基准电压是可调整的。

作为本发明进一步的实施方式，DA转换电路单元的数据线和CPU控制电路单元的数据线相连，DA转换电路单元的片选信号线与CPU控制电路单元相连，DA转换电路单元的W/R写信号线与CPU控制电路单元相连。

作为本发明进一步的实施方式， CPU控制电路单元是单片机或DSP或MCU或PC。

作为本发明进一步的实施方式，DA转换电路单元可以成为独立的部分，也可以是集成在CPU控制电路单元的内部。

作为本发明进一步的实施方式，比较电路单元的反相端接参考电压，同相端接模拟量反馈信号，输出端接CPU控制电路单元的IO控制脚。

通过应用本发明实施方式所描述的一种自校正模拟量输出电路，具有以下技术效果：

（1）可以提供一路或多路自校正模拟量输出电路；

（2）可以彻底消除零漂；

（3）可以消除一致性差异；

（4）可以实现自动校正，无需借助外部专业仪器和人力干涉，节约了大量人力物力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种自校正模拟量输出电路的结构原理框图；

图2为本发明一种自校正模拟量输出电路的DA转换电路单元的电路原理图；

图3为本发明一种自校正模拟量输出电路的比较电路单元的电路原理图；

图4为本发明一种自校正模拟量输出电路的电压基准单元的电路原理图；

其中，1-CPU控制电路单元，2-DA转换电路单元，3-比较电路单元，4-电压基准单元，C1-滤波电容，U1-DA转换芯片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明一种自校正模拟量输出电路的具体实施方式，自校正模拟量输出电路主要包括以下几部分：CPU控制电路单元1、DA转换电路单元2、比较电路单元3、电压基准单元4。其中，比较电路单元3和电压基准单元4具有一路或一路以上，其原理框图如图1所示。CPU控制电路单元1与DA转换电路单元2相连，CPU控制电路单元1控制DA转换电路单元2输出模拟电压值，电压基准单元4产生已知基准电压，比较电路单元3分别与DA转换电路单元2和电压基准单元4相连，比较电路单元3将DA转换电路单元2输出的模拟电压信号与电压基准单元4产生的基准电压进行比较，并将比较得到的高低电平信号输出至CPU控制电路单元1，CPU控制电路单元1对输出的模拟量进行自动校正，并最终通过DA转换电路单元2输出经过校正的模拟量。其中，CPU控制电路单元1可以是单片机、DSP或其它微处理器。DA转换电路单元2可以是集成在控制器内部，也可以独立设置。比较电路单元3路数可以根据实际应用需要进行灵活配置，其可以是一个比较器芯片。电压基准单元4则是电压基准芯片，其电压值可以选择。

下面将自校正模拟量输出电路各单元电路部分详细介绍如下：

1、CPU控制电路单元

CPU控制电路单元可以是单片机、DSP、MCU、PC等数字控制器。

2、DA转换电路单元

DA转换电路单元是一种DA芯片，其输出通道为模拟量电压输出。CPU控制电路单元将需要输出的模拟量值以二进制的数字量的形式发送给数据总线，并通过控制总线控制DA芯片使其接收数据总线上的数据。DA芯片在成功接收到数据后便输出相应的模拟量。

3、比较电路单元

比较电路单元由比较器或运放等组成，它可以将输出的模拟电压信号和电压基准进行比较。当输出的模拟电压信号小于电压基准则比较电路单元给出“低”的电平信号；反之，当输出的模拟电压信号大于电压基准则比较电路单元给出“高”的电平信号。

4、电压基准单元

电压基准单元包括了一个电压基准芯片以及滤波电容。

本发明的原理是：

CPU控制电路单元通过地址信号、数据信号及R/W等控制信号来控制DA转换电路单元输出一个模拟电压值。然后，通过再将输出的模拟电压信号环回，并通过比较器与电压基准上的电压进行比较。CPU控制电路单元通过总线或者通用I/O口采集比较电路单元的电平信号。由于基准电压的值是已知的，这样就可以知道模拟输出的值是比电压基准大还是小。

CPU控制电路单元1包括逐次逼近校正模块，当DA转换电路单元2输出的模拟电压信号低于电压基准单元4输出的基准电压，则比较电路单元3向CPU控制电路单元1输出控制信号，CPU控制电路单元1的逐次逼近校正模块增加输出数字量；当DA转换电路单元2输出的模拟电压信号高于电压基准单元4输出的基准电压，则比较电路单元3向CPU控制电路单元1输出控制信号，CPU控制电路单元1的逐次逼近校正模块减小输出数字量。这样，就可以通过逐次逼近的方法找到电压基准所对应的DA芯片的二进制的数字量。最后，通过软件来修正此二进制的数字量，达到自动校正的目的。

CPU控制电路单元1通过IO口采集比较电路单元3给出的输出控制信号，CPU控制电路单元1的逐次逼近校正模块设定初始起点输出电压，并逐次循环调整输出数字量，直到比较电路单元3送至CPU控制电路单元1的输出控制信号发生高低电平的跳转，CPU控制电路单元1记录下最终逼近的输出数字量，并将数字量输出至DA转换电路单元2，DA转换电路单元2输出经过校正的正确模拟量。

本发明中的DA转换电路单元2的具体实施方式如图2所示：U1为12位转换精度的DA转换芯片DAC7724。DB00～DB11为U1的数据线，其和CPU控制电路单元1的数据线相连并接收数据。CS管脚为U1的片选信号，此管脚受CPU控制电路单元1的控制。当CS为低电平时，U1被选通，这时U1可以通过数据线接收的CPU控制电路单元数据。W/R管脚是U1的写信号，此管脚受CPU控制电路单元的控制。Vcc和Vss为U1的模拟电源管脚，在本发明的具体实施方式中分别接＋15V和-15V。VDD和GND为U1的数字电源和数字地，在本发明的具体实施中分别接＋5V和数字地。VREFH和VREFL为U1的参考电压，在本发明的具体实施方式中分别接＋10V和-10V。VOUTA～VOUTD为U1的四路模拟量电压输出，其输出范围为－10V～＋10V。

本发明中的比较电路单元3的具体实施方式如图3所示（此图仅给出了一路比较电路，实际应用时可根据需要配置多路，每路的结构、参数于此电路同）：N1为LM139，其“6”脚为反相端，接参考电压；“7”脚为同相端，接模拟量反馈信号；“1”脚为输出端，接CPU控制电路单元1的IO控制脚上。“3”和“12”分别为N1的电源和地。

本发明中的电压基准单元4的具体实施方式如图4所示：U2为电压基准芯片，在本发明的具体实施方式中采用REF02BU（5V的基准）；C1为滤波电容。

下面将本发明自校正模拟量输出电路的一种具体实施方式的自动校正过程详细举例说明如下：

以基准电压为5V，DA转换芯片U1为12位的情况进行说明：CPU控制电路单元1发出数字量为D1的数据（理论上，D1每增加1所对应的模拟量则增加4.8828mV。此处D1的值取921，即理论上对应到模拟量为4.5V（5V的90％作为起点）），DA转换芯片接收到后，会输出一个模拟量V1（约为4.5V）。

比较电路单元将5V基准与V1进行对比并给出电平信号（若V1小于基准电压则给出“0”电平信号，若V1大于基准电压则给出“1”电平信号）。

CPU控制电路单元1通过IO口采集比较单元给出的电平信号。若电平为“0”，则将D1的值增加1，并重复1～3步；若电平为“1”，则记录此次D1的值，并终止循环。

那么此时记录的D1（假定此时D1＝1028）值即为真正代表的5V的值，其和理论上代表5V（1024）的值可能存在一个偏差值4。

那么在后续输出模拟量3V时，先计算出理论上的D1（D1＝614）值，再将D1加上此偏差值（4），最后将D1（D1＝618）作为二进制数字量输出，达到校正之目的。

通过应用本发明所描述的具体实施方式，可以达到如下技术效果：

1、模拟量的路数以及采样的路数可根据实际需要进行配置；

2、由于模拟输出经过了校正，可以彻底消除零漂，改善线性度；

3、由于每一个模拟输出通道均引入了校正，所以消除一致性差异；

4、由于校正的过程是自动的，所以使用方便、成本低、性能可靠，可以节约大量人力物力。

以上所述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来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：包括CPU控制电路单元（1），DA转换电路单元（2），一路或一路以上的比较电路单元（3），一路或一路以上的电压基准单元（4），CPU控制电路单元（1）与DA转换电路单元（2）相连，CPU控制电路单元（1）控制DA转换电路单元（2）输出模拟电压值，电压基准单元（4）产生已知基准电压，比较电路单元（3）分别与DA转换电路单元（2）和电压基准单元（4）相连，比较电路单元（3）将DA转换电路单元（2）输出的模拟电压信号与电压基准单元（4）产生的基准电压进行比较，并将比较得到的高低电平信号输出至CPU控制电路单元（1），CPU控制电路单元（1）对输出的模拟量进行自动校正，并最终通过DA转换电路单元（2）输出经过校正的模拟量。

2.根据权利要求1所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述CPU控制电路单元（1）包括逐次逼近校正模块，当DA转换电路单元（2）输出的模拟电压信号低于电压基准单元（4）输出的基准电压，则比较电路单元（3）向CPU控制电路单元（1）输出控制信号，CPU控制电路单元（1）的逐次逼近校正模块增加输出数字量；当DA转换电路单元（2）输出的模拟电压信号高于电压基准单元（4）输出的基准电压，则比较电路单元（3）向CPU控制电路单元（1）输出控制信号，CPU控制电路单元（1）的逐次逼近校正模块减小输出数字量。

3.根据权利要求2所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述CPU控制电路单元（1）通过IO口采集比较电路单元（3）给出的输出控制信号，CPU控制电路单元（1）的逐次逼近校正模块设定初始起点输出电压，并逐次循环调整输出数字量，直到比较电路单元（3）送至CPU控制电路单元（1）的输出控制信号发生高低电平的跳转，CPU控制电路单元（1）记录下最终逼近的输出数字量，并将数字量输出至DA转换电路单元（2），DA转换电路单元（2）输出经过校正的正确模拟量。

4.根据权利要求1、2、3中任一权利要求所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述DA转换电路单元（2）的数据线和CPU控制电路单元（1）的数据线相连，DA转换电路单元（2）的片选信号线与CPU控制电路单元（1）相连，DA转换电路单元（2）的W/R写信号线与CPU控制电路单元（1）相连。

5.根据权利要求4所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述电压基准单元（4）包括了电压基准芯片和滤波电容（C1），滤波电容（C1）连接在电压基准芯片的参考电源端和接地端之间，电压基准芯片输出的基准电压是可调整的。

6.根据权利要求5所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述CPU控制电路单元（1）是单片机或DSP或MCU或PC。

7.根据权利要求6所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述DA转换电路单元（2）集成在CPU控制电路单元（1）的内部。

8.根据权利要求7所述的一种自校正模拟量输出电路，其特征在于：所述比较电路单元（3）的反相端接参考电压，同相端接模拟量反馈信号，输出端接CPU控制电路单元（1）的IO控制脚。