CN102929321A - 高精度全数字校准的模拟量调理分配装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度全数字校准的模拟量调理分配装置，包括接收现场信号并进行处理的仪表放大器，和接收仪表放大器处理后的现场信号并进行隔离后输出的隔离放大器，接收隔离放大器输出的信号并进行校验的校验模块，接收校验模块的信号输出到相应系统的输出驱动模块，所述校验模块连接有对其输出的现场信号进行校验的通用校准装置，所述通用校准装置包括控制校验过程的上位机和受上位机控制生成标准电压和电流信号并向校验模块输送的校验仪，上位机通过SPI接口与校验模块连接，输出驱动模块与校验仪连接。本发明采用数字电位器代替机械电位器，通过SPI接口操作数字电位器，改变其阻值，从而消除模拟量调理分配装置存在的失调及线性误差。

Description

高精度全数字校准的模拟量调理分配装置

技术领域

本发明涉及信号采集领域，具体涉及一种模拟量信号采集分配并实现全数字校准的模拟量采集调理分配装置。

背景技术

在许多工业现场，不同的系统连接时，希望双方的信号不互相影响。特别是一方的系统故障不会损坏另一方的正常工作，在这种情况下，通常需要信号进行隔离后再连接。同时，信号隔离也能消除地环路的影响。模拟信号调理分配装置主要功能为信号隔离和信号分配，应用于需要将现场信号传输给多个不同的系统使用的场合。模拟信号调理分配装置输入为0~20mA电流信号或0~5V电压信号，输出为符合工业标准的4~20mA电流信号。

现有技术中的模拟量信号调理电路，包含电源电路、运算放大电路和信号隔离电路，在这样的模拟电路中，由于运放及隔离放大器等器件存在失调及线性误差，所以要想保证信号传输精度，需要对调理电路进行校准。通常模拟电路采用机械电位器（电位计）来实现失调和增益校准，以满足较高的传输精度（0.2%左右），但是使用机械式电位器存在如下问题：

1、机械式电位器需要采用螺丝刀进行模拟调节，工作效率较低，而且人工调节存在人为误差，难以实现非常高的精度，板卡一致性受到人为因素影响。针对一个模块进行校准与测试，大约需要操作人员花费10分钟左右的时间，效率比较低下；

2、此方式成本较高，包括物料成本、人工成本和时间成本；

3、机械电位器温度系数大，受温度影响大，而且机械电位器在长期使用时，机械触点会存在氧化及滑动现象，会带来可靠性的问题。

发明内容

为解决现有技术中利用机械式电位器对模拟量的调理电路进行调校时，存在误差大、效率低及可靠性差的问题，本发明提供一种利用数字电位器对模拟量的调理电路进行调理的装置，具体方案如下：高精度全数字校准的模拟量调理分配装置，包括接收现场信号并进行处理的仪表放大器，和接收仪表放大器处理后的现场信号并进行隔离后输出的隔离放大器，接收隔离放大器输出的信号并进行校验的校验模块，接收校验模块的信号输出到相应系统的输出驱动模块，其特征在于，所述校验模块连接有对其输出的现场信号进行校验的通用校准装置，所述通用校准装置包括控制校验过程的上位机和受上位机控制生成标准电压和电流信号并向校验模块输送的校验仪，上位机通过SPI接口与校验模块连接，输出驱动模块与校验仪连接。

优选为：所述隔离放大器有多个且分别与仪表放大器连接，每个隔离放大器分别依次连接一个校验模块和输出驱动模块，所述上位机通过SPI接口依次对每个隔离放大器连接的校验模块输出的电压信号进行校验，校验仪根据上位机的控制同步对相应的校验模块发送标准电压或电流信号同时接收相应输出驱动模块反馈的输出电流信号。

优选为：所述校验模块包括带有数字电位器DP1的调节增益偏差电路和带有数字电位器DP2的调节失调偏差电路，其中数字电位器DP1和数字电位器DP2分别通过SPI接口受上位机控制。

优选为：所述输出驱动模块包括将输入电压线性变换为输出电流的压流变换芯片，及设置在压流变换芯片外围用于提供电流路径的三极管或MOS管。

优选为：所述上位机读取校验仪接收的输出驱动模块输出的电流信号，然后与校验仪输出的标准电压或电流信号进行比对，然后根据差值去校准校验模块内的数字电位器DP1或数字电位器DP2，直到输出驱动模块输出的电流信号符合设定标准。

优选为：所述设定标准为：当模拟量调理分配装置输入为电流信号时，输出驱动模块输出的电流信号值与校验仪设定的电流值相等；当模拟量调理分配装置输入为电压信号时，输出驱动模块输出的电流值等于4倍的校验仪设定的电压值。

本发明采用数字电位器代替机械电位器，通过SPI接口操作数字电位器，改变其阻值，从而消除模拟量调理分配装置存在的失调及线性误差。本发明中数字电位器的调节采用测试工装通过SPI接口写控制命令，实现校准，真正实现了自动化校准，生产效率高。而且整个校准过程无需人工参与，避免了人为误差。本发明的数字电位器采用的是10位的端到端阻值为10K的双路电位器，也就是说每个码值可以调节阻值10Ω，从而保证了极高的调节精度（优于0.1%）。此外数字电位器温度系数小，受温度影响较小，也不会存在机械触点的氧化、滑动问题，电路可靠性高。而且本发明采用的数字电位器物料成本低廉，在人工成本和时间成本方面更是优于传统方式，本发明从根本上解决了生产效率问题，同时提高了模块精度和可靠性且实现低成本设计。

附图说明

图1本发明的连接示意图；

图2通用校准装置的工作示意图；

图3数字电位器的电路示意图；

图4通用校准装置的工作流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的高精度全数字校准的模拟量调理分配装置，包括接收现场信号并进行处理的仪表放大器，和接收仪表放大器处理后的现场信号并进行隔离后输出的隔离放大器，接收隔离放大器输出的信号并进行校验的校验模块，接收校验模块的信号输出到相应系统的输出驱动模块，校验模块连接有对其输出的现场信号进行校验的通用校准装置，通用校准装置包括控制校验过程的上位机和受上位机控制生成标准电压和电流信号并向校验模块输送的校验仪，上位机通过SPI接口与校验模块连接，输出驱动模块与校验仪连接。

本发明在校准时，上位机利用SPI接口连接模拟量调理分配装置，校验仪通过线夹与待检验的检验模块连接，启动上位机的校准软件控制校验仪向检验模块输出一个标准电压或电流信号，校验模块将标准电压信号进行校验后输出到输出驱动模块，输出驱动模块再将此校验后的电流信号返回给校验仪，上位机读取此返回值并判断此返回值是否符合设定标准，如果符合则停止校验，如果不符合则通过SPI接口去调校校验模块，使最终输出到输出驱动模块的电压或电流信号符合设定标准。其中设定标准为：当模拟量调理分配装置输入为电流信号时，输出驱动模块输出的电流信号值与校验仪设定的电流值相等；当模拟量调理分配装置输入为电压信号时，输出驱动模块输出的电流值等于4倍的校验仪设定的电压值。

如图3所示，本发明的校验模块包括带有数字电位器DP1的调节增益偏差电路和带有数字电位器DP2的调节失调偏差电路，其中数字电位器DP1和数字电位器DP2分别通过SPI接口受上位机控制。当校验模块输出的电压信号不符合设定标准时，上位机通过SPI接口直接调校相应检验模块内的数字电位器DP1或数字电位器DP2，数字电位器DP1和数字电位器DP2的电路为实际意义上的模拟电路，由于数字电位器一旦写入程序固化，就等同于可变电阻，因此通过改变其中的译码值就可以调整相应的阻值，从而实现输出电压或电流值大小的调整。

本发明涉及的模拟量调理分配装置包括多个隔离放大器，且每个隔离放大器分别与仪表放大器连接，以实现输送到不同系统的信号隔离，其中每个隔离放大器分别依次连接一个校验模块和输出驱动模块，因此需要对每个隔离放大器的线路进行校准，通用校准装置的上位机通过SPI接口与模拟量调理分配装置连接后，能够通过SPI接口依次对每个隔离放大器连接的校验模块输出的电压信号进行校验，校验仪根据上位机的控制同步对相应的校验模块发送标准电压或电流信号同时接收相应输出驱动模块反馈的输出电流信号。通用校准装置对每个通道依次校准，在所有通道校准完成后，则断开SPI接口，完成此模拟量调理分配装置的校验。

本发明的输出驱动模块通过压流变换芯片实现，压流变换芯片将输入电压线性变换为输出电流，且一般具有输出过流保护功能。为了防止输出电流一直保持最大输出时的过热问题，输出驱动模块包括将输入电压线性变换为输出电流的压流变换芯片，及设置在压流变换芯片外围用于提供电流路径的三极管或MOS管。

本发明通过数字电位器来实现模拟量调理分配模块的精度校准，而避免采用处理器（MCU）或者可编程逻辑器件（CPLD、FPGA）等智能器件，这样一方面可以避免带有MCU而引入软件验证的问题，另一方面也避免了模数混合电路中的信号干扰问题。

实施例1：在实际检验时，当现场变送器送过来0~20mA电流信号时，经过仪表放大器的250Ω取样电阻R变换成0~5V差分电压信号；或者现场变送器送过来0~5V电压输入时，差分电压信号经过增益为1的仪表放大器TA变为0~5V单端的电压信号。0~5V电压信号通过隔离放大器（U1~U4）实现输入与输出隔离。隔离后电压信号存在的失调误差和增益误差，则通过本发明的通用校准装置对信号调节，以保证输出电压信号的精度，最终输出的电压信号通过输出驱动模块的压流变换芯片输出0~20mA（其中有效值4~20mA）电流信号输出到相应系统，校准时，由通用校准装置的校验仪输出一个确定的电流或电压值，然后测量输出驱动模块的输出电流值。根据对应的公式：电流输入时，输出电流I_o＝I_I；电压输入时，输出电流I_o＝4V_I，如果测量值不在理论值范围内，则由上位机校准校验模块写入的码值，直到写完一个码值后，信号源的测量值跟输入值符合对应的公式。

本发明的通用校准装置可以调节电路中器件的输入失调、增益误差、温度漂移、时间漂移以及其他线性偏差，通过调节电位器来进行失调和增益校准，也称为零校和满校。如图4所示，校准时，零校和满校要分开交替进行。以输入信号0~5V为例，零校时，通过上位机的软件设置校验仪输出电压为1V，通过SPI接口向数字电位器DP1写入码值，改变数字电位器DP1阻值，使得输出驱动模块输出为4mA；满校时，设置校验仪输出电压为5V，通过SPI接口向数字电位器DP2写入码值，改变数字电位器DP2阻值，使得输出驱动模块输出为20mA。先零校，后满校，满校后零点已经漂移，需要重新零校，然后重新满校。如此反复几个循环，直到零点和满点同时达到，此时校准完成。

本发明的通用校准装置通过软件自动完成上述的校准过程，其中，零校时，通用校准装置采集隔离放大器输出的电压，并与目标电流4mA进行比较，不断改变码值，调节数字电位器DP1的“触点”，直到使输出达到4mA；满校时，通用校准装置采集电流，并与目标电流20mA进行比较，改变码值，调节数字电位器DP2的“触点”，直到使输出达到20mA。如此反复，直到零点和满点同时达到。测试时，隔离放大器建立时间为5ms，因此平台的数据采集要有足够的时间延时来保证采集精度。10位的数字电位器为1024阶，这样最糟糕的情况下，需要花费的时间为1024×1024×5ms×循环次数。实际调试时，可以优化校准算法，这样校准就非常快速方便。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (6)

1.高精度全数字校准的模拟量调理分配装置，包括接收现场信号并进行处理的仪表放大器，和接收仪表放大器处理后的现场信号并进行隔离后输出的隔离放大器，接收隔离放大器输出的信号并进行校验的校验模块，接收校验模块的信号输出到相应系统的输出驱动模块，其特征在于，所述校验模块连接有对其输出的现场信号进行校验的通用校准装置，所述通用校准装置包括控制校验过程的上位机和受上位机控制生成标准电压和电流信号并向校验模块输送的校验仪，上位机通过SPI接口与校验模块连接，输出驱动模块与校验仪连接。

2.如权利要求1所述的模拟量调理分配装置，其特征在于，所述隔离放大器有多个且分别与仪表放大器连接，每个隔离放大器分别依次连接一个校验模块和输出驱动模块，所述上位机通过SPI接口依次对每个隔离放大器连接的校验模块输出的电压信号进行校验，校验仪根据上位机的控制同步对相应的校验模块发送标准电压或电流信号同时接收相应输出驱动模块反馈的输出电流信号。

3.如权利要求2所述的模拟量调理分配装置，其特征在于，所述校验模块包括带有数字电位器DP1的调节增益偏差电路和带有数字电位器DP2的调节失调偏差电路，其中数字电位器DP1和数字电位器DP2分别通过SPI接口受上位机控制。

4.如权利要求1所述的模拟量调理分配装置，其特征在于，所述输出驱动模块包括将输入电压线性变换为输出电流的压流变换芯片，及设置在压流变换芯片外围用于提供电流路径的三极管或MOS管。

5.如权利要求1所述的模拟量调理分配装置，其特征在于，所述上位机读取校验仪接收的输出驱动模块输出的电流信号，然后与校验仪输出的标准电压或电流信号进行比对，然后根据差值去校准校验模块内的数字电位器DP1或数字电位器DP2，直到输出驱动模块输出的电流信号符合设定标准。

6.如权利要求5所述的模拟量调理分配装置，其特征在于，所述设定标准为：当模拟量调理分配装置输入为电流信号时，输出驱动模块输出的电流信号值与校验仪设定的电流值相等；当模拟量调理分配装置输入为电压信号时，输出驱动模块输出的电流值等于4倍的校验仪设定的电压值。

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