CN102288215B - 一种高精度应变传感器模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度应变传感器模拟器，包括外接测量仪表的传感器接口、温度传感器、依次连接并构成回路的精密电阻网络、基准电压变换电路、第一多路分压电路、基准电压放大电路、DA转换电路和第二多路分压电路，所述模拟器还包括PWM电路和控制系统，所述控制系统分别连接所述温度传感器、第一多路分压电路、DA转换电路、第二多路分压电路和PWM电路，所述PWM电路还连接所述基准电压变换电路和精密电阻网络。本发明使模拟器的分辨率高于普通DAC器件的分辨率，同时使得共模电压的变化不影响模拟器的输出，另外通过增加的一个极大电阻还能对模拟器的零点进行修正。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度应变传感器模拟器。
背景技术
在生产、检修、检验各种以应变式传感器输出为输入信号的测量仪表时，通常要用高准确度稳压电源作为标准信号来测量仪表的各项误差。一方面高准确度稳压电源的价格较贵，要与高准确度电压表配合使用，不便于现场使用。因此，在生产实践的过程中，往往需要采用传感器模拟器来检验、试验测量仪表。因此，本申请的申请人与他人共同申请过专利申请号为CN03245772.3的专利《高准确度应变传感器模拟器》。
但是，原专利采用DAC电路的输出通过精密电阻加到精密电阻网络，从而模拟器的分辨率即满量程的内码数不大于DAC的分辨率；同时，原专利中DAC电路的输出电压是相对于激励电源的负极，因此精密电阻网络的确定的共模电压的变化会造成模拟器零点输出和满量程输出的变化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种高精度应变传感器模拟器，本发明通过DA转换电路加上PWM电路的方案，通过控制系统的控制，使模拟器的分辨率高于DAC器件的分辨率，提高了模拟器的分辨率，同时通过增加的阻值极大的电阻能对模拟器的零点进行修正。
实现上述目的的技术方案是：
一种高精度应变传感器模拟器，包括外接测量仪表的传感器接口(1)、温度传感器(10)、依次连接并构成回路的精密电阻网络(2)、基准电压变换电路(3)、第一多路分压电路(4)、基准电压放大电路(5)、DA转换电路(6)和第二多路分压电路(7)，所述模拟器还包括PWM电路(8)和控制系统(9)，其中：
控制系统(9)，分别连接温度传感器(10)、第一多路分压电路(4)、DA转换电路(6)、第二多路分压电路(7)和PWM电路(8)；该控制系统(9)有三个功能，第一，用于接收所述第一多路分压电路(4)输出的一路分压信号，并依据该分压信号测量输入模拟器的激励电压值，控制多路分压电路(4)选择合适的分压比，使DA转换电路(6)的参考电压在合适的范围内，输出第一、第二控制信号分别至所述第一多路分压电路(4)和第二多路分压电路(7)；第二，该控制系统(9)按照预先设定的输出信号设定值控制所述DA转换电路(6)的输出值；第三，发送PWM信号至所述PWM电路(8)；
PWM电路(8)，连接基准电压变换电路(3)、精密电阻网络(2)和控制系统(9)；该PWM电路(8)分别接收来自所述基准电压变换电路(3)的基准电压和来自所述控制系统(9)的PWM信号，在该PWM信号的脉冲占空比为1的情况下，所述PWM电路(8)的输出电压经精密电阻网络(2)产生一信号电压，该信号电压等于DA转换电路(6)的1个内码在精密电阻网络(2)上产生的电压。
上述的高精度应变传感器模拟器，其中，所述精密电阻网络(2)包括第一至第六电阻，第一电阻、第三电阻、第五电阻依次串联，第一电阻、第二电阻、第四电阻、第六电阻依次串联，第四电阻、第六电阻的连接点和第三电阻、第五电阻的连接点相连，其中：
第一电阻和第二电阻的阻值相等；第四电阻用来形成负零点输出信号，以对模拟器的零点进行细微的调整；第五电阻、第六电阻分别为第二多路分压电路(7)和PWM电路(8)的输出信号的分压电阻。
上述的高精度应变传感器模拟器，其中，所述PWM电路(8)在所述PWM信号的脉冲占空比为1的情况下，输出电压经精密电阻网络(2)在所述第三电阻上产生一信号电压，该信号电压等于DA转换电路(6)的1个内码在所述第三电阻上产生的电压。
上述的高精度应变传感器模拟器，其中，所述第五电阻和第三电阻间的分压为模拟器的输出电压，所述第三电阻与第一电阻、第二电阻的连接点为模拟器输出电压的基准点；所述第五电阻、第三电阻间的连接点和所述第三电阻、第一电阻、第二电阻间的连接点分别通过传感器接口(1)与所述测量仪表连接。
上述的高精度应变传感器模拟器，其中，所述控制系统(9)接收所述第一多路分压电路(4)输出的一路分压信号，并依据该分压信号输出第一控制信号至所述第一多路分压电路(4)，使该第一多路分压电路(4)输出的另一路分压信号经过基准电压放大电路(5)放大后作为所述DA转换电路(6)中且在要求电压范围内的正参考电压。
上述的高精度应变传感器模拟器，其中，所述控制系统(9)按照预先设定的输出信号设定值控制所述DA转换电路(6)的输出值，并根据接收自所述第一多路分压电路(4)输出的一路分压信号，输出第二控制信号控制所述第二多路分压电路(7)，使该第二多路分压电路(7)输出与输入模拟器的传感器激励电压值和输出信号设定值的乘积成正比的电压，并将该电压送至精密电阻网络(2)。
上述的高精度应变传感器模拟器，其中，所述控制系统(9)根据温度传感器(10)的测量数据，对DA转换电路(6)的输出信号进行修正。
本发明的有益效果是：本发明的高精度应变传感器模拟器通过DA转换电路加上PWM电路的方案，通过控制系统的控制，使模拟器的分辨率高于DAC器件的分辨率；同时，DA转换电路的输出电压是相对于模拟器输出电压的基准点，因此经精密电阻网络的确定的共模电压的变化对模拟器输出没有影响；另外，本发明用一个阻值极大的电阻形成一个非常小的负零点信号，能对模拟器的零点进行修正。
附图说明
图1是本发明的高精度应变传感器模拟器的原理方框图；
图2是本发明的高精度应变传感器模拟器的的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的一种高精度应变传感器模拟器，该模拟器包括传感器接口1、精密电阻网络2、基准电压变换电路3、第一多路分压电路4、基准电压放大电路5、DA转换电路6、第二多路分压电路7、PWM(脉宽调制)电路8、控制系统9和温度传感器10，其中：
外部的测量仪表(图中未示)通过传感器接口1与该模拟器连接，传感器接口1连接精密电阻网络2；
精密电阻网络2、基准电压变换电路3、第一多路分压电路4、基准电压放大电路5、DA转换电路6和第二多路分压电路7依次连接并构成回路；
控制系统9分别连接温度传感器10、第一多路分压电路4、DA转换电路6、第二多路分压电路7和PWM电路8；PWM电路8还连接基准电压变换电路3和精密电阻网络2。
请参阅图2，精密电阻网络2包括第一至第六电阻(R1-R6)，第一电阻R1和第三电阻R3、第五电阻R5依次串联，第一电阻R1和第二电阻R2、第四电阻R4、第六电阻R6依次串联，第四电阻R4、第六电阻R6的连接点和第三电阻R3、第五电阻R5的连接点相连，其中：
第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相等，使得第一电阻R1和第二电阻R2的连接点上的共模电压为从传感器接口1输入的激励电压的1/2；第三电阻R3的阻值略大于模拟器的输出阻抗，以满足对模拟器输出阻抗的要求；第四电阻R4的阻值极大，用来形成非常小的负零点输出信号，以对模拟器的零点进行细微的调整；第五电阻R5、第六电阻R6分别为第二多路分压电路7和PWM电路8的输出信号的分压电阻。
基准电压变换电路3包括第一、第二运算放大器(U1、U2)及第七至第十电阻(R7-R10)，其中：
第二运算放大器U2输出的基准电压送入第一多路分压电路4和PWM电路8；
第一运算放大器U1连接第一电阻R1和第二电阻R2的连接点，第一电阻R1和第二电阻R2的连接点上的共模电压经第一运算放大器U1输出，作为DA转换电路6中的负参考电压Vrev-。
第一多路分压电路4包括第一模拟开关U3及第十一至第十六电阻(R11-R16)，其中：第十一电阻R11和第十二电阻R12间的一路分压信号送到控制系统9的ADC(模数转换)输入端C，另一路由第一模拟开关U3控制的分压信号送入基准电压放大电路5。
基准电压放大电路5包括第三运算放大器U4、第十七至第十九电阻(R17-R19)和第一电容C1，其中：第十七电阻R17和第一电容C1组成RC滤波电路，第十八、十九电阻(R18、R19)决定了放大倍数，基准电压放大电路5的输出作为DA转换电路6的正参考电压Vrev+输入。
DA转换电路6包括相连的DAC(数模转换)器件U5和第四运算放大器U6。
第二多路分压电路7包括第二十至第二十三电阻(R20-R23)、第二模拟开关U7和第五运算放大器U8，其中：
第二多路分压电路7的输出端与精密电阻网络2中的第五电阻R5连接，第五电阻R5和第三电阻R3间的分压为模拟器的输出电压，第三电阻R3与第一电阻R1、第二电阻R2的连接点为模拟器输出电压的基准点；
第五电阻R5、第三电阻R3间的连接点和第三电阻R3、第一电阻R1、第二电阻R2间的连接点分别通过传感器接口1与测量仪表(图中未示)连接。
PWM电路8包括P沟道绝缘栅场效应管Q1、第二十四至第二十七电阻(R24-R27)和第二电容C2，其中：控制系统9的PWM(脉宽调制)输出端D连接PWM电路8的输入端，PWM电路8的基准电压是基准电压变换电路3中第二运算放大器U2的输出，PWM电路8的输出端连接精密电阻网络2中的第六电阻R6。
温度传感器10将环境温度数据送入控制系统9。
在本实施例中，第一至第五运算放大器(U1、U2、U4、U6、U8)均选用OP07等高精度运算放大器；第一、二模拟开关(U3、U7)均选用双四通道模拟开关CD4052；DAC器件U5选用ADI公司推出的20位高精度DAC器件AD5791；温度传感器10选用集成温度传感器TC77；控制系统9选用具有ADC输入、PWM输出的单片机系统，如具有键盘、显示器、存储器、通讯接口等部件的以ST32F101单片机为核心的单片机系统。在本实施例中，模拟器可以达到24bit以上的分辨率和1ppm/℃的量程温度影响和1ppm F.S/℃零点温度影响。
本发明的工作原理：从传感器接口1输入的激励电压经精密电阻网络2、基准电压变换电路3处理后(即第二运算放大器U2的输出)送至第一多路分压电路4，第一多路分压电路4中的第十一电阻R11和第十二电阻R12间的一路分压信号送到控制系统9的ADC(模数转换)输入端C，控制系统9根据该分压信号输出第一控制信号(信号A、B)控制第一模拟开关U3，使第一模拟开关U3输出的电压经过基准电压放大电路5放大后在5-10V的范围内，保证DA转换电路6中DAC器件U5的参考电压Vrev+在要求的电压范围内；控制系统9按照预先设定的输出信号设定值的大小控制DA转换电路6的输出值，并根据第一多路分压电路4中的第十一电阻R11和第十二电阻R12间的一路分压信号输出第二控制信号(信号A、B)从而控制第二模拟开关U7，使第二多路分压电路7输出与输入模拟器的传感器激励电压值和输出信号设定值的乘积成正比的电压，将该电压送到精密电阻网络2的第五电阻R5，并在第三电阻R3上产生预期的信号电压，通过传感器接口1输出到测量仪表(图中未示)的信号输入端；控制系统9根据温度传感器10的测量数据，对DA转换电路6的输出信号进行修正，使温度的影响减低到最小；PWM电路8接收来自基准电压变换电路3的基准电压和来自控制系统9的PWM信号，在该PWM信号的脉冲占空比为1的情况下，在精密电阻网络2的第三电阻R3上产生的信号电压为DA转换电路6的1个内码在第三电阻R3上产生的电压，因此控制系统9通过PWM电路8可以对DA转换电路6的输出进行细分，提高了模拟器的分辨率，使其高于DAC器件U5的分辨率。
综上所述，本发明的高精度应变传感器模拟器模拟的应变式传感器可以是称重传感器，也可以是测量压力、小位移、扭矩、加速度等物理量的传感器。本发明通过DA转换电路6加上PWM电路8的方案，通过控制系统9的控制，使模拟器的分辨率高于DAC器件U5的分辨率；DA转换电路6的输出电压是相对于模拟器输出电压的基准点(即第三电阻R3与第一电阻R1、第二电阻R2的连接点)，因此共模电压的变化对输出没有影响。同时，用一个阻值极大的第四电阻R4形成一个非常小的负零点信号，以便对模拟器的零点进行修正。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (7)
1.一种高精度应变传感器模拟器，包括外接测量仪表的传感器接口（1）、温度传感器（10）、精密电阻网络（2）、基准电压变换电路（3）、第一多路分压电路（4）、基准电压放大电路（5）、DA转换电路（6）和第二多路分压电路（7），其中：精密电阻网络（2）、基准电压变换电路（3）、第一多路分压电路（4）、基准电压放大电路（5）、DA转换电路（6）和第二多路分压电路（7）依次连接并构成回路，其特征在于，所述模拟器还包括PWM电路（8）和控制系统（9），其中:
控制系统（9），分别连接温度传感器（10）、第一多路分压电路（4）、DA转换电路（6）、第二多路分压电路（7）和PWM电路（8）；该控制系统（9）有三个功能，第一，用于接收所述第一多路分压电路（4）输出的一路分压信号，并依据该分压信号测量输入模拟器的激励电压值，控制第一多路分压电路（4）选择合适的分压比，使DA转换电路（6）的参考电压在合适的范围内，输出第一、第二控制信号分别至所述第一多路分压电路（4）和第二多路分压电路（7）；第二，该控制系统（9）按照预先设定的输出信号设定值控制所述DA转换电路（6）的输出值；第三，发送PWM信号至所述PWM电路（8）；
PWM电路（8），连接基准电压变换电路（3）、精密电阻网络（2）和控制系统（9）；该PWM电路（8）分别接收来自所述基准电压变换电路（3）的基准电压和来自所述控制系统（9）的PWM信号，在该PWM信号的脉冲占空比为1的情况下，所述PWM电路（8）的输出电压经精密电阻网络（2）产生一信号电压，该信号电压等于DA转换电路（6）的1个内码在精密电阻网络（2）上产生的电压。
2.根据权利要求1所述的高精度应变传感器模拟器，其特征在于，所述精密电阻网络（2）包括第一至第六电阻，第一电阻、第三电阻、第五电阻依次串联，第一电阻、第二电阻、第四电阻、第六电阻依次串联，第四电阻、第六电阻的连接点和第三电阻、第五电阻的连接点相连，其中：
第一电阻和第二电阻的阻值相等；第四电阻用来形成负零点输出信号，以对模拟器的零点进行细微的调整；第五电阻、第六电阻分别为第二多路分压电路（7）和PWM电路（8）的输出信号的分压电阻。
3.根据权利要求2所述的高精度应变传感器模拟器，其特征在于，所述PWM电路（8）在所述PWM信号的脉冲占空比为1的情况下，输出电压经精密电阻网络（2）在所述第三电阻上产生一信号电压，该信号电压等于DA转换电路（6）的1个内码在所述第三电阻上产生的电压。
4.根据权利要求2所述的高精度应变传感器模拟器，其特征在于，所述第五电阻和第三电阻间的分压为模拟器的输出电压，所述第三电阻与第一电阻、第二电阻的连接点为模拟器输出电压的基准点；所述第五电阻、第三电阻间的连接点和所述第三电阻、第一电阻、第二电阻间的连接点分别通过传感器接口（1）与所述测量仪表连接。
5.根据权利要求1所述的高精度应变传感器模拟器，其特征在于，所述控制系统（9）接收所述第一多路分压电路（4）输出的一路分压信号，并依据该分压信号输出第一控制信号至所述第一多路分压电路（4），使该第一多路分压电路（4）输出的另一路分压信号经过基准电压放大电路（5）放大后作为所述DA转换电路（6）中且在要求电压范围内的正参考电压。
6.根据权利要求1所述的高精度应变传感器模拟器，其特征在于，所述控制系统（9）按照预先设定的输出信号设定值控制所述DA转换电路（6）的输出值，并根据接收自所述第一多路分压电路（4）输出的一路分压信号，输出第二控制信号控制所述第二多路分压电路（7），使该第二多路分压电路（7）输出与输入模拟器的传感器激励电压值和输出信号设定值的乘积成正比的电压，并将该电压送至精密电阻网络（2）。
7.根据权利要求1或6所述的高精度应变传感器模拟器，其特征在于，所述控制系统（9）根据温度传感器（10）的测量数据，对DA转换电路（6）的输出信号进行修正。
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