CN102749520A - 一种基于pxi总线的多通道高精度铂热电阻模拟板 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，包括模拟部分、数字部分；模拟部分包括校准单元与多个输出电阻模块；输出电阻模块用来连接外部仪器，由m个数字电位器间并联后再与电阻R并联构成；校准单元具有与输出电阻模块结构相同的内部电阻模块，用来实现内部电阻模块或外部电阻阻值的测量与校准；由此通过校准电路对内部电阻模块校准获得的校准参数对输出电阻模块输出阻值进行修正。数字部分用来对各个部分进行控制，并实现与PXI总线控制器间的数据交互。本发明铂热电阻模拟板可提供多通道铂热电阻输出，且输出电阻模块精度高、价格低、体积小、温漂小，通过更换电阻R，可以调整输出电阻的输出范围，不影响输出电阻的精度。

Description

一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板

技术领域

本发明涉及测试、测量领域，具体来说，是一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板

背景技术

随着PXI总线技术在测试、测量领域的广泛应用，许多PXI模块和系统被开发出来以满足不同用户的需求。目前市场上有多家公司提供了基于PXI总线技术的铂热电阻模拟板，如Pickering的40-262等，但是其输出电阻由大量的控制开关和不同阻值的固定电阻组成，如图1所示，通过控制开关的开启和闭合，调整输出电阻的大小，因此，此种铂热电阻模拟板结构复杂，占用的面积较大，价格较高。又如泛华测控公司的PXI-3110，受其输出电阻结构，板卡面积的限制，其仅能提供2个通道的输出电阻。且现有铂热模拟电路板输出电阻精度普遍不高，影响了无法满足客户对更多通道输出电阻的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，具有结构简单、精度高，单通道体积小，输出电阻个数易于扩展等优点，是传感器仿真，实验室及工业自动化领域应用的理想选择。

本发明一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，包括位于总线板卡上的模拟部分、数字部分以及连接器J5；所述数字部分包括FPGA芯片、温度传感器、FRAM存储芯片、PXI总线以及PXI触发总线；模拟部分包括校准单元与n个输出电阻模块，n≥1。

所述模拟部分中，输出电阻模块采用4线制电阻接口连接外部仪器，通过连接器J5与外部仪器连接，用来实现高精度低温漂的模拟铂热电阻输出；输出电阻包括电阻R、数字电位器、DC-DC转换器与数字隔离器构成；其中，数字电位器为m个，m≥2；m个数字电位器间并联后再与电阻R并联；m个数字电位器与数字隔离器相连、通过数字隔离器与铂热电阻模拟板中的数字部分中FPGA芯片相连；m个数字电位器与数字隔离器均与DC-DC转换器相连，通过DC-DC为输出电阻模块供电。

所述校准单元包括内部电阻模块、校准模块、多路开关；其中，内部电阻模块与多路开关相连，外部电阻通过连接器J5实现与多路开关相连，多路开关与校准模块相连，且与数字部分中的FPGA芯片相连，通过FPGA芯片控制多路开关的通断实现外部电阻、内部电阻模块与校准模块间的连接断开，从而通过校准模块实现内部电阻模块或外部电阻阻值的测量与校准。

所述校准模块包括V/I转换电路、调理电路、基准电压源、参考电压与24位模拟数字转换器与DC-DC转换器；其中，V/I转换电路与多路开关相连，且与基准电压源相连，通过基准电压源用来为V/I转换电路提供电压信号；通过V/I转换电路将电压信号转换为高精度的电流信号I，并根据外部电阻或内部电阻模块的阻值得到外部电阻或内部电阻模块的电压信号V发送给调理电路；调理电路与24位模拟数字转换器相连，用来将接受到的电压信号V进行放大，发送给24位模拟数字转换器将经放大后的电压信号V转换为24位的串行电压数据；24位模拟数字转换器通过数字隔离器B与数字模块中的FPGA相连，通过数字隔离器B将转换后的24位串行电压数据发送到数字模块中的FPGA芯片中，通过FPGA芯片进行存储；24位模拟数字转换器还与参考电压源相连，根据参考电压源提供的参考电压调整24位模拟数字转换器的测量范围；上述V/I转换电路、基准电压源、参考电压源、24位模拟数字转换器、调理电路、数字隔离器B均与DC-DC相连，通过DC-DC转换器为校准模块供电。

所述数字部分中：FPGA芯片通过接收PXI总线与PXI触发总线的地址、数据、控制信号，通过数字隔离器A与数字隔离器B自动控制模拟部分中校准单元中的内部电阻模块与各个输出电阻内的数字电位器输出阻值进行设置，从而控制内部电阻模块与输出电阻模块的输出阻值。

上位机采集FPGA芯片中存储的24位串行电压数据，通过PXI总线发送给上位机，上位机根据24位串行电压数据便可得到被测量对象的电阻值R=V/I，V为电压、I为电流。

温度传感器用来实时测量铂热电阻模拟板工作过程中的实际温度数值，由FPGA定时读取温度传感器测得的温度数据，通过PXI总线将温度数据传递给上位机。

FRAM存储器用来存储模拟部分中校准单元的校准系数、每个输出电阻的输出电阻阻值，以及外部电阻或内部电阻的阻值测量数据；PXI总线通过FPGA芯片读取FRAM的存储数据，获得铂热电阻模拟板的固有信息。

本发明的优点在于：

1、本发明铂热电阻模拟板是一款符合PXI标准规范的6U PXI总线板卡，提供多通道铂热电阻输出；

2、本发明铂热电阻模拟板作为一款标准PXI模块可以直接应用于所有的PXI机箱；

3、本发明铂热电阻模拟板采用高速数字隔离器件对数字、模拟电路进行隔离以保护上位机免受现场异常信号的干扰；

4、本发明铂热电阻模拟板支持板上温度测试、支持对模拟铂热电阻的校准，且校准单元可同时对内部电阻与各个电阻输出模块校准；

5、本发明铂热电阻模拟板中的输出电阻模块在不改变数字电位器的情况下，通过更换电阻R，可以轻松调整输出电阻模块电阻的输出范围，但不影响输出电阻的精度；

6、本发明铂热电阻模拟板中校准单元中得内部电阻模块与输出电阻模块采用相同结构，由此通过校准单元对内部电阻模块进行校准后所获取的校准参数，可直接用来供各个输出电阻模块对自身输出阻值进行修正。

附图说明

图1为现有电阻模拟板中输出电阻结构示意图；

图2为本发明铂热电阻模拟板整体结构框图。

图3为本发明铂热电阻模拟板中输出电阻模块进行多次输出电阻模块的有效性测试结果图。

具体实施方式

本发明铂热电阻模拟板符合PXI标准规范的6U PXI总线板卡，提供多通道高精度的铂热电阻输出，包括位于总线板卡上的模拟部分、数字部分以及连接器J5，如图2所示，所述数字部分包括FPGA芯片、温度传感器、FRAM存储芯片、PXI总线以及PXI触发总线；模拟部分包括校准单元与n个输出电阻模块，n≥1。下面具体对数字部分与模拟部分中各个电路以及模块间的关系进行说明：

如图2所示，所述模拟部分中，输出电阻模块通过连接器J5与外部仪器连接，用来实现高精度低温漂的模拟铂热电阻输出，满足客户对可编程模拟铂热电阻的需求，包括电阻R、数字电位器、DC-DC转换器（直流转直流电源）与数字隔离器构成；其中，数字电位器为m个，m≥2;m个数字电位器间并联后再与电阻R并联，由此m个数字电位器通过数字信号控制电阻R的阻值变化。从而减小了m个数字电位器步长对输出电阻模块输出精度的影响，实现了高精度低温漂的模拟铂热电阻输出；且在不改变数字电位器的情况下，通过更换电阻R，可以轻松调整输出电阻模块的电阻输出范围，但不影响输出电阻的精度。

所述m个数字电位器均采用至少10位的数字电位器，由此可保证输出电阻模块的电阻输出精度。由于相互并联的数字电位器个数影会影响输出电阻模块的电阻输出精度以及范围，同时考虑到输出电阻模块的体积与成本，因此本发明输出电阻模块的电阻输出精度与范围的前提下，采用两个10位的AD5270数字电位器并联后与电阻R并联，AD5270数字电位器电阻R的最大输出阻值为20KΩ，具有1%电阻误差，温度系数为5ppm/°C，由此可在保证输出电阻模块的电阻输出精度的同时，还可使输出电阻模块具有较快的响应。本发明中电阻R的阻值为124欧，0.1%精度，10ppm温漂的高精密电阻。

m个数字电位器与数字隔离器相连、通过数字隔离器（高速数字隔离器件）与铂热电阻模拟板中的数字部分相连，通过数字隔离器防止模拟信号对数字信号的造成影响，损害，从而保护上位机免受现场异常信号的干扰。m个数字电位器与数字隔离器均与DC-DC转换器相连，通过DC-DC为输出电阻模块供电。

由于数字电位器价格低，体积小，温漂小，精度高，因此使输出电阻模块价格低、体积小、温漂小，精度高，由此大大节约的制作成本，同时根据需要可在总线板卡上设置多个输出电阻模块，占用的空间较小，大大的缩小了整个铂热电阻模拟器的体积。本发明中输出电阻模块采用4线制电阻接口连接外部仪器，由此可排除用户连接线缆的电阻对输出电阻模块电阻输出的影响。如果采用2线制电阻接口，则无法消除连接线缆的影响，用户需要自己校准连接线缆的影响。

所述校准单元包括内部电阻模块、校准模块、多路开关；其中，内部电阻模块作为校准单元中的一部分，供校准单元使用。内部电阻模块与外部电阻作为被校准对象，内部电阻模块与多路开关相连，外部电阻通过连接器J5实现与多路开关相连，多路开关与校准模块相连，且与数字部分中的FPGA芯片相连，由此通过FPGA芯片控制多路开关的通断实现外部电阻、内部电阻模块与校准模块间的连接断开（即决定被校准对象是内部电阻模块还是外部电阻），从而通过校准模块实现内部电阻模块或外部电阻阻值的测量与校准。通过校准电路对内部电阻模块进行校准，可防止铂热电阻电路板长时间使用后精度和性能降低。

所述校准模块包括V/I转换电路、调理电路、基准电压源、参考电压与24位模拟数字转换器（24-Bit ADC，24-Bit Analog to Digital Converter）与DC-DC转换器。其中，V/I转换电路与多路开关相连，且与基准电压源相连，通过基准电压源用来为V/I转换电路提供稳定、高精度的电压信号；由此通过V/I转换电路将基准电压源提供的电压信号转换为高精度的电流信号I（固定值），并根据外部电阻或内部电阻模块的阻值得到外部电阻或内部电阻模块的电压信号V发送给调理电路；调理电路与24 bit ADC相连，用来将接受到的微弱电压信号V进行放大，发送给24位模拟数字转换器转换为24位串行电压数据（即将模拟信号转换为数字信号）。24位模拟数字转换器通过数字隔离器B（高速数字隔离器件）与数字模块中的FPGA相连，通过数字隔离器B将转换后的24位的串行数据将24位串行电压数据发送到数字模块中的FPGA芯片中，通过FPGA芯片进行存储。24位模拟数字转换器还与参考电压源相连，根据参考电压源提供的参考电压，从而可根据参考电压调整24位模拟数字转换器的测量范围。上述V/I转换电路、基准电压源、参考电压源、24位模拟数字转换器、调理电路、数字隔离器B均与DC-DC相连，通过DC-DC转换器为校准模块供电。

所述数字部分中：FPGA芯片作为本发明铂热电阻模拟板的主控制器，是模拟部分和PXI总线、PXI触发总线之间的桥梁，PXI总线和触发总线的信号来自于PXI总线控制器，即为上位机（工业电脑）。

FPGA芯片通过接收PXI总线与PXI触发总线的地址、数据、控制信号，通过数字隔离器A与数字隔离器B自动控制模拟部分中校准单元中的内部电阻模块与各个输出电阻模块内的数字电位器输出阻值进行设置，从而控制内部电阻模块与输出电阻模块的输出阻值。

上位机采集FPGA芯片中存储的经24位串行电压数据，通过PXI总线发送给上位机，以供上层应用程序使用，由此上位机便可得到被测量对象的电阻数值R=V/I；由于在铂热电阻模拟板中校准单元在出厂前，需要使用高精度仪器对其进行校准，因此校准单元具有很高的精度；对于外部电阻或者内部电阻来说，通过校准单元获得外部电阻或内部电阻的阻值R为真实值，并通过上位机设定外部电阻或者内部电阻阻值期望值R’；由此得到R与R’间的函数关系：R=kR’+b，b为常数，k即为校准系数，从而实现对R’进行修正，从而完成内部电阻模块或外部电阻的校准，且同时可获得校准系数k。本发明中内部电阻模块的结构与输出电阻模块采用相同结构，由此使内部电阻模块具有输出电阻模块的全部特征，且校准单元通过对内部电阻模块进行校准后所获取的校准参数k，可直接用来供各个输出电阻模块对自身输出阻值进行修正。

所述温度传感器用来实时测量铂热电阻模拟板工作过程中的实际温度数值，由FPGA定时读取温度传感器测得的温度数据，通过PXI总线将温度数据传递给上层应用程序。上层应用程序根据温度数据可以获得不同温度条件下，铂热电阻模拟板的温度变化曲线，为铂热电阻模拟板的温度补偿算法等提供依据。

FRAM存储器用来存储模拟部分中校准单元的校准系数k、每个输出电阻模块的输出电阻阻值，以及外部电阻或内部电阻模块的阻值测量数据。PXI总线通过FPGA芯片读取FRAM的存储数据，获得本发明铂热电阻模拟板的固有信息。

上述模拟部分中输出电阻模块采用4线制电阻接口连接外部仪器，由此可以排除用户连接线缆的电阻对输出电阻的影响。如果采用2线制电阻接口，则无法消除连接线缆的影响，用户需要自己校准连接线缆的影响。

本发明中内部电阻或各个电阻输出模块中的输出阻值和数字电位器的关系为：

Z＝1/(1/X+1/Y+1/R)    （1）

Z为输出阻值，X为数字电位器阻值，Y为电位器阻值，R为与数字电位器并联电阻阻值。

令Z＝1/P、P＝1/X+1/Y+1/R，则根据误差传递方法可得到：

$E_z=-\frac{E_p}{Z^z}---\left(2\right)$

$E_p=-(\frac{E_X}{X^z}+\frac{E_Y}{Y^z}+\frac{E_R}{R^z})---\left(3\right)$

其中，E_z、E_p、E_X、E_Y、E_R分别为Z，P，X，Y，R的绝对误差。

将式(2)、(3)合并，可得到输出阻值的绝对误差公式：

$E_z=\frac{1}{Z^z}\·(\left(\frac{E_X}{X}\right)\·\left(\frac{1}{X}\right)+\left(\frac{E_Y}{Y}\right)\·\left(\frac{1}{Y}\right)+\left(\frac{E_R}{R}\right)\·\left(\frac{1}{R}\right))---\left(4\right)$

其中，

分别为数字电位器和并联固定电阻的相对误差，即元器件的固有参数。以本文的实际电路为例其数值分别为：1%，1%，0.1%。假设E_RX、E_RY、E_RR分别为X，Y，R的相对误差，则可得到：

$E_z=\frac{1}{Z^z}\·(E_{\mathrm{RX}}\·\left(\frac{1}{X}\right)+E_{\mathrm{RY}}\·\left(\frac{1}{Y}\right)+E_{\mathrm{RR}}\·\left(\frac{1}{R}\right))---\left(5\right)$

由公式(5)可知：

1、输出电阻的绝对误差和输出电阻的阻值得平方成反比关系；

2、输出电阻的绝对误差随着X，Y的变大逐渐变小；

3、更换具有相同精度，不同阻值的并联电阻R，对输出电阻的误差影响很小。

因此，当X，Y的数值远大于Z时，输出电阻的绝对误差将非常小。以X=10000Ω，Y=10000Ω，R=124Ω为例，其绝对误差约为7.5×10-5。在不改变数字电位器的情况下，通过更换电阻R，可以轻松调整输出电阻的输出范围，但不影响输出电阻的精度。

通过对本发明中的输出电阻模块进行多次测试以验证输出电阻模块的有效性，测试结果如图3所示，图中输出电阻的期望值为100~122Ω，测量间距为0.2Ω；由图3可以看出，随着输出电阻阻值变大，误差数值快速减小，实验结果和理论分析保持一致。虽然输出电阻阻值较小时输出电阻的误差较大，但其误差数值小于0.25Ω，依然具有很高的精度。图3的数据证明了本发明中输出电阻模块的设计具有很高的精度，验证了输出电阻模块的有效性。

Claims (6)

1.一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，其特征在于：包括位于总线板卡上的模拟部分、数字部分以及连接器J5；所述数字部分包括FPGA芯片、温度传感器、FRAM存储芯片、PXI总线以及PXI触发总线；模拟部分包括校准单元与n个输出电阻模块，n≥1；

所述模拟部分中，输出电阻模块采用4线制电阻接口连接外部仪器，通过连接器J5与外部仪器连接，用来实现高精度低温漂的模拟铂热电阻输出；输出电阻包括电阻R、数字电位器、DC-DC转换器与数字隔离器A构成；其中，数字电位器为m个，m≥2；m个数字电位器间并联后再与电阻R并联；m个数字电位器与数字隔离器A相连、通过数字隔离器A与铂热电阻模拟板中的数字部分中FPGA芯片相连；m个数字电位器与数字隔离器A均与DC-DC转换器相连，通过DC-DC为输出电阻模块供电；

所述校准单元包括内部电阻模块、校准模块、多路开关；其中，内部电阻模块与多路开关相连，外部电阻通过连接器J5实现与多路开关相连，多路开关与校准模块相连，且与数字部分中的FPGA芯片相连，通过FPGA芯片控制多路开关的通断实现外部电阻、内部电阻模块与校准模块间的连接断开，从而通过校准模块实现内部电阻模块或外部电阻阻值的测量与校准；

所述校准模块包括V/I转换电路、调理电路、基准电压源、参考电压与24位模拟数字转换器与DC-DC转换器；其中，V/I转换电路与多路开关相连，且与基准电压源相连，通过基准电压源用来为V/I转换电路提供电压信号；通过V/I转换电路将电压信号转换为高精度的电流信号I，并根据外部电阻或内部电阻模块的阻值得到外部电阻或内部电阻模块的电压信号V发送给调理电路；调理电路与24位模拟数字转换器相连，用来将接受到的电压信号V进行放大，发送给24位模拟数字转换器将经放大后的电压信号V转换为24位的串行电压数据；24位模拟数字转换器通过数字隔离器B与数字模块中的FPGA相连，通过数字隔离器B将转换后的24位串行电压数据发送到数字模块中的FPGA芯片中，通过FPGA芯片进行存储；24位模拟数字转换器还与参考电压源相连，根据参考电压源提供的参考电压调整24位模拟数字转换器的测量范围；上述V/I转换电路、基准电压源、参考电压源、24位模拟数字转换器、调理电路、数字隔离器B均与DC-DC相连，通过DC-DC转换器为校准模块供电；

所述数字部分中：FPGA芯片通过接收PXI总线与PXI触发总线的地址、数据、控制信号，通过数字隔离器A与数字隔离器B自动控制模拟部分中校准单元中的内部电阻模块与各个输出电阻内的数字电位器输出阻值进行设置，从而控制内部电阻模块与输出电阻模块的输出阻值；

上位机采集FPGA芯片中存储的24位串行电压数据，通过PXI总线发送给上位机，上位机根据24位串行电压数据便可得到被测量对象的电阻值R=V/I，V为电压、I为电流；

温度传感器用来实时测量铂热电阻模拟板工作过程中的实际温度数值，由FPGA定时读取温度传感器测得的温度数据，通过PXI总线将温度数据传递给上位机；

FRAM存储器用来存储模拟部分中校准单元的校准系数、每个输出电阻的输出电阻阻值，以及外部电阻或内部电阻的阻值测量数据；PXI总线通过FPGA芯片读取FRAM的存储数据，获得铂热电阻模拟板的固有信息。

2.如权利要求1所述一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，其特征在于：所述数字电位器为2个。

3.如权利要求1所述一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，其特征在于：所述数字电位器为至少10位的数字电位器。

4.如权利要求1所述一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，其特征在于：所述数字电位器为10位AD5270数字电位器。

5.如权利要求1所述一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，其特征在于：所述电阻R为124欧阻值，0.1%精度，10ppm温漂的高精密电阻。

6.如权利要求1所述一种基于PXI总线的多通道高精度铂热电阻模拟板，其特征在于：所述输出电阻采用4线制电阻接口连接外部仪器。

Images