CN102654771A - 一种模拟通道的自动校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟通道的自动校准方法，通过获取各个频率下调理电路的幅值线性关系，根据模拟信号的主频率，得到各个幅值线性关系的权值，采用加权最小二乘法得到调理电路的增益系数、零漂校准参数，发送到被测系统的处理器中，对模拟通道采集的信号进行补偿。同时，获取各个频率下调理电路的相差，依据权值，利用加权最小二乘法求得最优相位差，并转换为延迟时间，被测系统的处理器控制时，将延迟时间τ考虑到控制过程中。在本发明中，考虑到了信号主频率实际分布情况，采用了加权最小二乘法，使处于主频率附近的拟合曲线精度更高，更加客观地反映了调理电路的实际情况，从而提高了模拟信号主频率附近的校准精度。

Description

一种模拟通道的自动校准方法及系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种模拟通道的自动校准方法及系统。

背景技术

在工业控制中，需要对温度、湿度、流量、压力等过程变量进行监测和控制。在监测和控制过程中，需要通过传感器将这些物理量转换为模拟信号，模拟信号通过模拟通道的放大、调理及模数转换之后变成计算机可以识别的数字信号。

然而，模拟信号通过调理电路时，往往会产生幅值偏差和相位偏差，造成控制系统不稳定、控制性能降低等后果。因此，为了减小模拟信号经过模拟通道所产生的误差，需要对模拟通道进行校准。

目前最常用的方法是通过人工测量、计算出增益系数、零漂和相位差三个校准参数并用最小二乘法拟合出调理电路前后端幅值的最优线性关系以及最优相位差，然后对模拟通道进行校准以达到对模拟信号全频段校准目的。

图1是现有模拟通道校准方法的示意图。

如图1所示，首先利用示波器分别对调理电路前后两端的模拟信号进行测量，得到当前频率ω下模拟信号通过调理电路前，即测量点1和通过调理电路后，即测量点2的幅值和相位差，经过数据处理得到校准参数，然后逐渐改变频率，并按同样的方法依次计算出各个频率下的校准参数，最后通过最小二乘法得到调理电路前后端幅值的最优线性关系以及最优相位差，从而得到模拟信号全频段的校准参数，并下载到处理器中，对模拟信号经过调理、模数转换后数字信号进行校准。

但这种方法的不足之处在于，没有考虑到信号频率的实际分布情况，不能从实际出发给模拟信号主频附近更高精度的校准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟通道的自动校准方法，以提高模拟信号主频率附近的校准精度。

为实现上述发明目的，本发明模拟通道的自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、幅值校准

1.1）、获取调理电路的幅频数据

输入幅值x=A₁的模拟信号S₁到调理电路，依次改变模拟信号S₁频率ω₁,ω₂,…,ω_i,…,ω_m，分别测得调理电路输出端幅值y=A′₁₁,A′₁₂,…,A′_1i，…,A′_1m；

输入幅值x=A₂的模拟信号S₂到调理电路，依次改变模拟信号S₂频率ω₁,ω₂,…,ω_i,…,ω_m，分别测得调理电路输出端幅值y=A′₂₁,A′₂₂，…,A′_2i，…,A′_2m；

其中，m是频率数，频率ω₁,ω₂,…,ω_i,…,ω_m覆盖了调理电路工作的频率范围；

1.2）、确定调理电路在频率ω_i,i＝1,2,…,m下前后端幅值线性关系

根据两点法，有： $\left\{\begin{array}{c}{A}_{1i}^{\′}=a_i{A}_1+b_i\\ A_{2i}^{\′}=a_i{A}_2+b_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

则：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_i=\frac{A_{1i}^{\′}-A_{2i}^{\′}}{A_1-A_2}\\ b_i=A_{1i}^{\′}-\frac{A_{1i}^{\′}-A_{2i}^{\′}}{A_1-A_2}{A}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

从而得到调理电路在频率ω_i下的前后端幅值线性关系：y=a_ix+b_i，这样得到对应于频率ω₁,ω₂,…,ω_i,…,ω_m下的m条前后端幅值线性关系：

$\left\{\begin{array}{c}y=a_{1}x+b_1\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_1\\ y=a_{2}x+b_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y=a_{i}x+b_i\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_i\\ \·\\ \·\\ \·\\ y=a_{m}x+b_m\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_m\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，a_i、b_i分别为调理电路在频率ω_i下的增益系数和零漂；

1.3）、拟合调理电路前后端最优幅值线性关系y=ax+b

公式（3）每条直线对应的权值分别为

并且

ω'为模拟信号的主频率，则有：

以输入幅值x₁,x₂,…,x_j,…,x_n在每条直线上取n个点，即y_ij，其中i＝1,2,…,m，表示对应频率ω_i下直线，j=1,2,…,n，表示取点序号；

这样，这些点与最优直线y=ax+b的加权离差平方和为：

将φ分别对a，b求偏导数

并令其等于零，即：

通过（6）式可解得a，b分别为：

a、b分别作为增益系数、零漂校准参数；

将增益系数、零漂校准参数发送到被测系统的处理器，对模拟通道采集的数字信号进行补偿：将数字信号的幅值减去零漂b，然后除以增益系数a，得到幅值校准后的数字信号；

（2）、相位校准

输入模拟信号S，分别测量调理电路前后端相位θ与θ'，可得相位差Δθ=θ′-θ，依次改变模拟信号的频率为ω₁,ω₂,…,ω_i,…,ω_m可分别得到相位差Δθ₁,Δθ₂,…,Δθ_i,…,Δθ_m；

利用加权最小二乘法求得最优相位差Δθ：

加权离差平方和为：

将φ_Δθ对Δθ求偏导数

可解得最优相位差Δθ为：

将最优相位差Δθ作为相位差校准参数；

将相位差校准参数发送到被测系统的处理器，对步骤（1）得到的幅值校准后的数字信号进行相位补偿：根据主频率ω′将最优相位差Δθ转换为延迟时间τ，被测系统的处理器控制时，将延迟时间τ考虑到控制过程中，从而完成调理电路的相位校准。

本发明的目的是这样实现的：

本发明模拟通道的自动校准方法，通过获取各个频率下调理电路的幅值线性关系，根据模拟信号的主频率，得到各个幅值线性关系的权值，采用加权最小二乘法得到调理电路的增益系数、零漂校准参数，发送到被测系统的处理器中，对模拟通道采集的数字信号进行补偿，完成调理电路的幅值校准；同时，获取各个频率下调理电路的相差，依据权值，利用加权最小二乘法求得最优相位差，并转换为延迟时间，被测系统的处理器控制时，将延迟时间τ考虑到控制过程中，从而完成调理电路的相位校准。

在本发明中，考虑到了信号主频率实际分布情况，采用了加权最小二乘法，使处于主频率附近的拟合曲线精度更高，更加客观地反映了调理电路的实际情况，从而提高了模拟信号主频率附近的校准精度。

附图说明

图1是现有模拟通道校准方法的示意图；

图2是实现本发明模拟通道的自动校准方法的一种校准系统原理框图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是实现本发明模拟通道的自动校准方法的一种校准系统原理框图。

在本实施例中，如图2所示，模拟通道的自动校准系统包括信号转换模块、高速同步数据采集模块；

信号转换模块利用硬件电路完成高速同步数据采集模块与调理电路之间的机械、电气连接以及测试信号的分配，测量点分别选取为调理的前后端，获得的模拟信号供高速同步数据采集模块采集；

高速同步数据采集模块用于同步采集模拟通道调理电路前后两端的模拟信号，其特征在于，还包括参数校正模块和参数下载模块；

校正模块通过软件方式控制同步数据采集模块分别对调理电路前端和后端进行数据采集，调理电路输入信号经采集变为离散序列信号x(n)＝Ae^j(ωn+θ)，模拟通道输出信号经采集为离散序列信号x'(n)＝a*Ae^{j(ω′n+θ′)}+b，A表示调理电路输入端信号幅值，a表示信号经过调理电路产生的增益，b表示信号经过调理电路产生的零漂；

模拟信号在经过调理电路时频率不会发生变化，即ω'＝ω；在一定频率ω_i下，模拟通道的增益系数a_i、零漂b_i与前后端相位差Δθ_i为定值。调理前后端幅值为线性变化的，关系为y＝a_ix+b_i，通过给定两种不同的幅值x＝A₁、x＝A₂就可以确定两个方程，从而通过两点法计算出频率ω_i下增益系数a_i、零漂b_i，而对于相位差，直接做差Δθ_i＝θ_i′-θ_i即可得出；

当频率变化时，调理电路性质将发生改变，增益系数a_i、零漂b_i与相位差Δθ_i发生变化，所以参数校正模块将采用本发明的方法先计算出在一系列频率下增益系数a_i、零漂b_i与相位差Δθ_i，然后用加权最小二乘法分别得到增益系数a、零漂b、相位差Δθ与主频率ω′的拟合曲线关系，最后根据主频率ω′和相位差Δθ得到延迟时间τ；

参数下载模块将增益系数、零漂以及相位差校准参数发送到被测系统的处理器，对模拟通道采集的数字信号进行补偿，完成模拟通道的自动校准。

在本实施例中，信号转换模块采用接口适配板对数据采集卡信号线进行匹配，并为信号测量探头提供接口。

高速同步数据采集模块选用同步采样多功能DAQ卡，具有4个模拟信号同步采样通道，分辨率为14位，最大采样率为2MS/s，电压输入范围为±10V，可以同时对两个模拟通道进行校正。同时，还具有2个模拟信号输出通道，输出范围为±10V，驱动能力为5mA。

参数校正模块采用LabVIEW进行编写，对数据采集模块提供的数据进行处理，得到调理电路前后两端的参数，通过本发明的方法得出调理电路的校准参数，同时可以将测试参数、校准参数及波形显示到软件界面，最后将校准参数发送到被测控制系统，并以报表形式打印出来供测试人员查看。

上述所说的参数下载模块可选择RS-232、USB或者CAN通信。

本发明的优越性在于：

（1）本发明解决了传统测量中的人为误差，采用高速同步数据采集卡进行数据采集，可对调理电路前后端同步采样，且数据采集精度高；

（2）本发明可以自动完成调理电路参数测试、校准参数计算及通道校准，并且生成测试校正报告。较传统方法自动化程度高，校准精度高。可节省大量的时间和人力，大大提高测试效率，可靠性高，适合用于工业生产中的批量测试校正，符合未来的发展方向。

（3）考虑到了信号主频率实际分布情况，采用了加权最小二乘法，使处于主频率附近的拟合曲线精度更高，更加客观地反映了实际情况。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种模拟通道的自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、幅值校准

1.1）、获取调理电路的幅频数据

输入幅值x=A₁的模拟信号S₁到调理电路，依次改变模拟信号S₁频率ω₁,ω₂,...,ω_i,...,ω_m，分别测得调理电路输出端幅值y=A′₁₁,A′₁₂,...,A′_1i，...,A′_1m；

输入幅值x=A₂的模拟信号S₂到调理电路，依次改变模拟信号S₂频率ω₁,ω₂,...,ω_i,...,ω_m，分别测得调理电路输出端幅值y=A′₂₁,A′₂₂，...,A′_2i，...,A′_2m；

其中，m是频率数，频率ω₁,ω₂,...,ω_i,...,ω_m覆盖了调理电路工作的频率范围；

1.2）、确定调理电路在频率ω_i,i＝1,2,...,m下前后端幅值线性关系

根据两点法，有： $\left\{\begin{array}{c}{A}_{1i}^{\′}=a_i{A}_1+b_i\\ A_{2i}^{\′}=a_i{A}_2+b_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

则：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_i=\frac{A_{1i}^{\′}-A_{2i}^{\′}}{A_1-A_2}\\ b_i=A_{1i}^{\′}-\frac{A_{1i}^{\′}-A_{2i}^{\′}}{A_1-A_2}{A}_1\end{array}\right.---\left(2\right)$

从而得到调理电路在频率ω_i下的前后端幅值线性关系：y=a_ix+b_i，这样得到对应于频率ω₁,ω₂,...,ω_i,...,ω_m下的m条前后端幅值线性关系：

$\left\{\begin{array}{c}y=a_{1}x+b_1\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_1\\ y=a_{2}x+b_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ y=a_{i}x+b_i\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_i\\ \·\\ \·\\ \·\\ y=a_{m}x+b_m\·\·\·\·\·\·{\mathrm{\ω}}_m\end{array}\right.---\left(3\right)$

1.3）、拟合调理电路前后端最优幅值线性关系y＝ax+b

公式（3）每条直线对应的权值分别为

并且

ω'为模拟信号的主频率，则有：

以输入幅值x₁,x₂,...,x_j,...,x_n在每条直线上取n个点，即y_ij，其中i＝1,2,...,m，表示对应频率ω_i下直线，j=1,2,...,n，表示取点序号；

这样，这些点与最优直线y=ax+b的加权离差平方和为：

将φ分别对a，b求偏导数

并令其等于零，即：

通过（6）式可解得a，b分别为：

a、b分别作为增益系数、零漂校准参数；

将增益系数、零漂校准参数发送到被测系统的处理器，对模拟通道采集的数字信号进行补偿：将数字信号的幅值减去零漂b，然后除以增益系数a，得到幅值校准后的数字信号；

（2）、相位校准

输入模拟信号S，分别测量调理电路前后端相位θ与θ'，可得相位差Δθ=θ′-θ，依次改变模拟信号的频率为ω₁,ω₂,...,ω_i,...,ω_m可分别得到相位差Δθ₁,Δθ₂,...,Δθ_i,...,Δθ_m；

利用加权最小二乘法求得最优相位差Δθ：

加权离差平方和为：

将φ_Δθ对Δθ求偏导数

可解得最优相位差Δθ为：

将最优相位差Δθ作为相位差校准参数；

将相位差校准参数发送到被测系统的处理器，对步骤（1）得到的幅值校准后的数字信号进行相位补偿：根据主频率ω′将最优相位差Δθ转换为延迟时间τ，被测系统的处理器控制时，将延迟时间τ考虑到控制过程中，从而完成调理电路的相位校准。

2.一种模拟通道的自动校准系统，包括信号转换模块、高速同步数据采集模块；

信号转换模块利用硬件电路完成高速同步数据采集模块与调理电路之间的机械、电气连接以及测试信号的分配，测量点分别选取为调理的前后端，获得的模拟信号，供高速同步数据采集模块采集；

高速同步数据采集模块用于同步采集模拟通道调理电路前后两端的模拟信号，其特征在于，还包括参数校正模块和参数下载模块；

校正模块通过软件方式控制同步数据采集模块分别对调理电路前端和后端进行数据采集，然后，按照权利要求1所述的步骤进行处理，得到校准参数；

参数下载模块将增益系数、零漂以及相位差校准参数发送到被测系统的处理器，对模拟通道采集的数字信号进行补偿，完成模拟通道的自动校准。

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