CN103149395B

CN103149395B - 一种用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法

Info

Publication number: CN103149395B
Application number: CN201310066042.0A
Authority: CN
Inventors: 余辉; 周佳璐; 陈文亮; 时尧; 陶嘉明; 于旭耀
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103149395A

Abstract

本发明属于数据采集技术领域，涉及一种用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法：在温度下，选通某一路采集通道，同时将其他路模拟量采集通道与后端处理电路及所选通的该路采集通道进行隔离，然后采集其输入至AD转换芯片的电压值；之后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值；计算出厂温度校准参数；在工作采集时，将某一模拟量采集通道进行选通并接入所要采集的信号，获得其进入AD的电压值，然后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，计算经温度补偿后的模拟量值。本发明具有线性补偿作用，无需另置温度传感器，即可实现对采集卡自身温度漂移的补偿。

Description

一种用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法

【技术领域】

本发明属于数据采集技术领域，涉及一种模拟量采集的温度补偿方法。

【背景技术】

现有的模拟量采集温度补偿方式，通过温度传感器对环境温度进行读取，并加以离散温度曲线拟合，对采集值进行补偿，具有方法简单，实现方便的优点，但需要对模拟采集部分中每一个器件进行分析拟合，存在着单一化，离散化带来的误差，有时还会增加电路复杂性。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法。本发明提出的温度补偿方法可以实现无传感器的温度补偿方式，具有简化电路同时连续拟合的优点。

一种用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法，包括下列步骤：

（1）选定三个温度T₁,T₂,T₃，在每一个选定的温度下，选择多路模拟量采集卡的某一路采集通道，对其进行选通并接入标准电流信号I₀，同时将其他路模拟量采集通道与后端处理电路及所选通的该路采集通道进行隔离，然后采集其输入至AD转换芯片的电压值U_outT1,U_outT2,U_outT3；之后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，即自身漂移信息U'_outT1,U'_outT2,U'_outT3；

（2）根据下列三组等式可算得公式中出厂校准参数，u_n,U_zero：

\{\begin{matrix} U_{outT 1} = (t_{R} T_{1} + t_{A} T_{1} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 1}^{'} = (t_{R} T_{1} + t_{A} T_{1} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

\{\begin{matrix} U_{outT 2} = (t_{R} T_{2} + t_{A} T_{2} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 2}^{'} = (t_{R} T_{2} + t_{A} T_{2} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

\{\begin{matrix} U_{outT 3} = (t_{R} T_{3} + t_{A} T_{3} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 3}^{'} = (t_{R} T_{3} + t_{A} T_{3} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

（3）在工作采集时，将某一模拟量采集通道进行选通并接入所要采集的信号，获得其进入AD的电压值U_t，然后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，即自身漂移信息U_p，根据下式可算得经温度补偿后的模拟量值I₀，其中，R为采样电阻值R：

I_{0} = \frac{\frac{\sqrt{{(U_{p} - u_{n} U_{zero}^{2})}^{2} + {4 u}_{n} U_{t}} - \frac{U_{p} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}}}{{2 u}_{n}} - U_{zero}}{R} .

本发明所需温度相关数据不从温度传感器获取，而是从多路模拟量隔离输入所需的各路光MOS管式的电子开关开闭状态中获取，具有非离散拟合，曲线连续的特点，具有线性补偿作用，调试简单，无需另置温度传感器，即可实现对采集卡自身温度漂移的补偿。

【附图说明】

图1.本发明的实现流程图。

图2.一种光隔离MOS管控制8路采集选通电路。

图3.一种采样信号处理电路。

【具体实施方式】

图1是本发明的实现流程图。图2和图3为本发明的一种典型应用场合。如各图所示，本发明通过对各路光MOS管开断实现对各路模拟量的分时采集，各路模拟量复用前端运算放大器以及模拟-数字转换器。本发明中各路光MOS管通过开断实现对各路模拟量的分时采集，复用同一前端运算放大器以及模拟-数字转换器。本发明的温度补偿方法所需的环境温度数据通过将各路MOS管同时全部关闭获得，由于各路模拟量至AD转换器中的电路复用相同的芯片，而各路MOS管采用同一型号，温度漂移量小，故可认为各路温度漂移量一致。本发明温度补偿原理如下：

设当前环境温度为T，一阶系统中采样电阻R，运放A温漂系数分别为t_R，t_A，二阶非线性系数u_n，模拟量有效值为I₀，模拟量输入至AD为U_out，零点漂移电压为U_zero则有如下式：

U_out＝(t_RT+t_AT+u_n(I₀R+U_zero))(I₀R+U_zero) 等式①

同时，将各路光MOS管通过全部关断的方式进行采集，所得模拟量输入至AD为U'_out，则有下式：

U'_out＝(t_RT+t_AT+u_nU_zero)U_zero 等式②

根据上两式可通过对MOS的关断控制在出厂时通过3个不同的标准温度测试点分别测得3组不同的AD输出值，并通过二次型矩阵运算算得参数系数t_R+t_A，u_n，U_zero。

设计算参数t_R+t_A，u_n，U_zero已知，对AD采集模拟量进行补偿，有下式：

T = \frac{U_{out}^{'} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero} (t_{A} + t_{R})}

等式③

I_{0} = \frac{\frac{\sqrt{{(t_{A} T + t_{R} T)}^{2} + {4 u}_{n} U_{out}} - t_{A} T - t_{R} T}{{2 u}_{n}} - U_{zero}}{R}

等式④

其中，T为根据光MOS管全关断状态下拟合出的温度系数，I₀为所需采集的模拟量。

根据上两式，可得出模拟量补偿公式为：

I_{0} = \frac{\frac{\sqrt{{(\frac{U_{out}^{'} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}})}^{2} + {4 u}_{n} U_{out}} - \frac{U_{out}^{'} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}}}{{2 u}_{n}} - U_{zero}}{R}

等式⑤

如上式所述，最终可略去参数t_R+t_A的参与，温度系数相关计算全部可由光MOS管全关断状态下所得输出进行加权计算，有效的简化了电路，电路中各个器件的温度系数可全部不参与计算，简化了校准步骤。本发明的温度补偿流程如图1所示。

采集时序部分电路控制实现：根据说明书附图2中的电路，采用光隔离MOS管对各路信号进行选通以及隔离。以第一路为例，当对第一路模拟信号进行分时采样时，选通第一路模拟信号处的MOS管，将第一路模拟信号接入后端模拟处理部分电路，同时关断其他各路光隔离MOS管，将其他路信号与后端处理电路及第一路信号进行隔离。以此类推依次采集各路信号。当采集过最后一路信号后，将全部MOS管关断与外部信号全部隔离，采集自身漂移信息。

后端模拟处理部分电路控制实现：根据说明书附图3中的电路，采用高共模电压差动放大器对信号进行差分放大处理，然后对处理过的信号进行指定增益放大，最后进行模数转换送入处理器。

下面结合具体实施例对本发明的温度补偿方法进行说明：

校准量获取：出厂校准时，首先以某一路作为采集组，接入标准电流源10MA，分别在273.15K，283.15K，298.15K（绝对温度）下采集该路信号经AD转换后的数字量D0，D1，D2以及自身漂移信息经AD转换后的数字量P0，P1，P2。通过前面有关原理说明中的等式

U_out＝(t_RT+t_AT+u_n(I₀R+U_zero))(I₀R+U_zero)

U'_out＝(t_RT+t_AT+u_nU_zero)U_zero

将U_out值依次设为D0,D1,D2，将U'_out值依次设为P0,P1,P2带入等式中，经计算得到所需的校准量值u_n，U_zero。

采集数据处理方法：将各路信号经模数转换后的数字量存入数组a[i]中，将自身漂移信息经模数转换后的数字量存入变量b中，通过前面原理说明中的等式

I_{0} = \frac{\frac{\sqrt{{(\frac{U_{out}^{'} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}})}^{2} + {4 u}_{n} U_{out}} - \frac{U_{out}^{'} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}}}{{2 u}_{n}} - U_{zero}}{R},

将U_out值设为a[i],将U'_out值设为b带入等式中，并将出厂校准后所得的校准量值u_n，U_zero也带入等式中。最后计算所得的I₀即为经温度补偿后的模拟量值。

本发明的用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法的具体流程如下：

（1）选定三个温度T₁,T₂,T₃，在每一个选定的温度下，选择多路模拟量采集卡的某一路采集通道，对其进行选通并接入标准电流信号I₀，同时将其他路模拟量采集通道与后端处理电路及所选通的该路采集通道进行隔离，然后采集其输入至AD转换芯片的电压值（含漂移信息的对I₀采样值）U_outT1,U_outT2,U_outT3；之后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，即自身漂移信息U'_outT1,U'_outT2,U'_outT3；将这些数据（T₁,T₂,T₃，I₀，U_outT1,U_outT2,U_outT3，U'_outT1,U'_outT2,U'_outT3）送入处理器；

（2）将这些数据作为已知量带入下面的两个公式中的变量T，I₀，U_out，U'_out（温度数据T₁,T₂,T₃带入变量T，，在三个温度环境下的含漂移信息的对I₀采样值U_outT1,U_outT2,U_outT3带入变量U_out，在三个温度环境下的自身漂移信息U'_outT1,U'_outT2,U'_outT3带入变量U'_out）：

\{\begin{matrix} U_{out} = (t_{R} T + t_{A} T + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{out}^{'} = (t_{R} T + t_{A} T + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

带入后，可得到三组等式，如下：

\{\begin{matrix} U_{outT 1} = (t_{R} T_{1} + t_{A} T_{1} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 1}^{'} = (t_{R} T_{1} + t_{A} T_{1} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

\{\begin{matrix} U_{outT 2} = (t_{R} T_{2} + t_{A} T_{2} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 2}^{'} = (t_{R} T_{2} + t_{A} T_{2} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

\{\begin{matrix} U_{outT 3} = (t_{R} T_{3} + t_{A} T_{3} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 3}^{'} = (t_{R} T_{3} + t_{A} T_{3} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

跟据这三组等式可算得公式中未知量u_n,U_zero。

（3）采集处理办法：将求得的未知量u_n,U_zero作为出厂校准参数烧写入处理器中，在工作采集时，将采集通道进行选通并接入所要采集的信号，获得其进入AD的电压值U_t，然后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，即自身漂移信息U_p，将U_t，U_p以及之前求得的出厂校准参数u_n,U_zero和电路中的采样电阻值R带入下式（将U_t带入变量U_out，U_p带入变量U'_out），可算得最终校准的输入信号I₀。

。

Claims

1.一种用于多路模拟量采集卡的温度补偿方法，包括下列步骤：

(1)选定三个温度T₁,T₂,T₃，在每一个选定的温度下，选择多路模拟量采集卡的某一路采集通道，对其进行选通并接入标准电流信号，同时将其他路模拟量采集通道与后端处理电路及所选通的该路采集通道进行隔离，然后采集其输入至AD转换芯片的电压值U_outT1,U_outT2,U_outT3；之后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，即自身漂移信息U'_outT1,U'_outT2,U'_outT3；

(2)设根据下列三组等式可算得公式中出厂校准参数，u_n,U_zero：

\{\begin{matrix} U_{outT 1} = (t_{R} T_{1} + t_{A} T_{1} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 1}^{'} = (t_{R} T_{1} + t_{A} T_{1} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

\{\begin{matrix} U_{outT 2} = (t_{R} T_{2} + t_{A} T_{2} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 2}^{'} = (t_{R} T_{2} + t_{A} T_{2} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

\{\begin{matrix} U_{outT 3} = (t_{R} T_{3} + t_{A} T_{3} + u_{n} (I_{0} R + U_{zero})) (I_{0} R + U_{zero}) \\ U_{outT 3}^{'} = (t_{R} T_{3} + t_{A} T_{3} + u_{n} U_{zero}) U_{zero} \end{matrix}

其中，t_R，t_A分别为一阶系统中采样电阻R，运放A的温漂系数，u_n为二阶非线性系数，I₀为模拟量有效值，U_zero为零点漂移电压；

(3)在工作采集时，将某一模拟量采集通道进行选通并接入所要采集的信号，获得其进入AD的电压值U_t，然后将全部模拟量采集通道与外部信号全部隔离，采集其输入至AD转换芯片的电压值，即自身漂移信息U_p，根据下式可算得经温度补偿后的模拟量有效值I₀：

I_{0} = \frac{\frac{\sqrt{{(\frac{U_{p} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}})}^{2} + {4 u}_{n} U_{t}} - \frac{U_{p} - u_{n} U_{zero}^{2}}{U_{zero}}}{{2 u}_{n}} - U_{zero}}{R} .