CN103322899B - 一种应变式传感器模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种应变式传感器模拟器，包括：传感器接口、精密电阻网络、共模电压转换电路、输出信号生成电路、DA转换电路、基准电压生成电路、控制系统以及温度传感器；其中，传感器接口、精密电阻网络、共模电压转换电路与输出信号生成电路依次相连，基准电压生成电路连接于传感器接口、共模电压转换电路和DA转换电路，控制系统连接于温度传感器和DA转换电路，DA转换电路与输出信号生成电路相连接；传感器接口连接外部测量仪器；基准电压生成电路根据共模电压转换电路输出的电压和传感器接口输出的正电压生成DA转换电路的正负基准源电压；DA转换电路根据正负基准源电压和设定数字量生成DA输出电压后，与共模电压转换电路输出的电压共同生成输出模拟信号，输出模拟信号通过传感器接口输出给外部测量仪器。

Description

一种应变式传感器模拟器

技术领域

本发明涉及一种应变式传感器模拟器，尤其涉及一种高精度电阻应变式传感器模拟器。

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，另一方面，高准确度稳压电源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。

现有的一种传感器模拟器如图1所示，是利用精密电阻网络的分压点电压作为输出信号的共模电压和DAC数模转换器负电压基准源，从而消除了因共模电压变化对输出信号零点的影响。

但是，现有的这种传感器模拟器电路虽然消除了共模电压对零点的影响，但是DAC电路的输出信号通过运算放大器、电阻R5、电阻R3后影响到了共模电压的值，使得仅仅在零点时共模电压才是R1和R2对输入正负电压的分压，从而造成信号的有效输出与DAC的设定值不是线性关系，使得设定值与实际输出值之间有系统误差存在。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的有效输出与系统设定存在误差的不足，提供一种高精度应变式传感器模拟器。

为了达到上述目的，本发明实施例公开了一种应变式传感器模拟器，包括：传感器接口、精密电阻网络、共模电压转换电路、输出信号生成电路、DA转换电路、基准电压生成电路、控制系统以及温度传感器；其中，所述传感器接口、精密电阻网络、共模电压转换电路与所述输出信号生成电路依次相连，所述基准电压生成电路连接于所述传感器接口、共模电压转换电路和DA转换电路，所述控制系统连接于所述温度传感器和所述DA转换电路，所述DA转换电路与所述输出信号生成电路相连接；所述传感器接口连接外部测量仪器，所述精密电阻网络根据所述传感器接口输入的正电压和负电压生成共模电压，传给所述共模电压转换电路；所述基准电压生成电路根据所述共模电压转换电路输出的电压和所述传感器接口输出的正电压生成所述DA转换电路的正负基准源电压；所述DA转换电路根据所述正负基准源电压和设定数字量生成DA输出电压后，传输给所述输出信号生成电路；所述输出信号生成电路根据所述共模电压转换电路输出的电压和DA转换电路生成的DA输出电压，生成输出模拟信号，所述输出模拟信号通过所述传感器接口输出给所述外部测量仪器；所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度信号，对所述DA转换电路的输出信号进行修正，实现温度补偿。

进一步地，所述精密网络电路包括相串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述传感器接口的正电压端相连接，所述第二电阻与所述传感器接口的负电压端相连接；其中，所述第一电阻和第二电阻之间的分压为生成的所述共模电压。

进一步地，所述第一电阻和第二电阻的阻值相同。

进一步地，所述共模电压转换电路为由第一运算放大器构成的电压跟随器，其输出的电压等于所述精密电阻网络生成的共模电压。

进一步地，所述输出信号生成电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻；其中，所述第五电阻连接所述共模电压转换电路的输出端，并与所述第六电阻、第八电阻与第七电阻依次串联；所述第三电阻与第四电阻串联，并连接于所述传感器接口的正负电压；所述第六电阻和第八电阻的连接点与所述第三电阻和第四电阻的连接点相连；所述第三电阻、第四电阻、第六电阻和第八电阻的阻值相同，所述第五电阻和第七电阻的阻值相同。

进一步地，所述DA转换电路由DA转换器和第二运算放大器组成。

进一步地，所述基准电压生成电路包括：第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第九电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻以及第十六电阻；所述共模电压转换电路输出的电压通过所述第九电阻输入到所述第三运算放大器，所述第三运算放大器接成电压跟随器电路，其输出等于所述共模电压转换电路输出的电压，提供所述DA转换器的负基准源，并通过所述第十三电阻输入到所述第五运算放大器的正输入端；所述第十一电阻与第十二电阻对所述传感器接口输入的正电压进行分压后，输入到第四运算放大器的正输入端，所述第四运算放大器接成电压跟随器电路，其输出通过所述第十四电阻输入到所述第五运算放大器的正输入端，两个电压共同提供所述DA转换器的正基准源。

进一步地，所述控制系统为MSP430F149单片机系统。

进一步地，所述温度传感器的型号为DS18B20。

进一步地，所述DA转换器为DAC8871转换器。

本发明的应变式传感器模拟器通过增加共模电压转换电路，使得输出真正与设定值成线性关系，克服了有效输出与系统设定存在误差的不足。并且，本发明实施例还通过增加电阻网络，降低了输出信号幅值，实现了精细调整，并且使得电路的输出阻抗降低，利于信号的后续处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明现有技术中的传感器模拟器的结构示意图；

图2为本发明实施例的应变式传感器模拟器的结构示意图；

图3为本发明实施例的应变式传感器模拟器的模拟信号生成电路图；

图4为图2所示实施例的基准电压生成电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2为本发明现有技术中的传感器模拟器的结构示意图；图3为本发明实施例的应变式传感器模拟器的模拟信号生成电路图；图4为图2所示实施例的基准电压生成电路的结构示意图。

如图1所示，本实施例的传感器模拟器包括：传感器接口1、精密电阻网络2、共模电压转换电路3、输出信号生成电路4、DA转换电路5、基准电压生成电路6、控制系统7以及温度传感器8；

其中，所述传感器接口1、精密电阻网络2、共模电压转换电路3与所述输出信号生成电路4依次相连，所述基准电压生成电路5连接于所述传感器接口1、共模电压转换电路3和DA转换电路5，所述控制系统7连接于所述温度传感器8和所述DA转换电路5，所述DA转换电路5与所述输出信号生成电路4相连接；

所述传感器接口1连接外部测量仪器，所述精密电阻网络2根据所述传感器接口1输入的正负电压生成共模电压，传给所述共模电压转换电路3；

所述基准电压生成电路6根据所述共模电压转换电路3输出的电压和所述传感器接口1输出的正电压生成所述DA转换电路5的正、负基准源电压；

所述DA转换电路5根据所述正、负基准源电压和设定数字量生成DA输出电压后，传输给所述输出信号生成电路4；

所述输出信号生成电路4根据所述共模电压转换电路3输出的电压和DA转换电路生成的DA输出电压，生成输出模拟信号，所述输出模拟信号通过所述传感器接口1输出给所述外部测量仪器；

所述控制系统7根据所述温度传感器8测得的温度信号，对所述DA转换电路5的输出信号进行修正，实现温度补偿。

在本实施例中，参看图3，所述精密网络电路2包括相串联的第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1与所述传感器接口1的正电压端V₊相连接，所述第二电阻R2与所述传感器接口1的负电压端V_-相连接；其中，所述第一电阻R1和第二电阻R2之间的分压为生成的所述共模电压V_a。

在本实施例中，所述第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同。

在本实施例中，参看图3，所述共模电压转换电路3为由第一运算放大器U1构成的电压跟随器，其输出的电压V_r等于所述精密电阻网络2生成的共模电压V_a。

在本实施例中，参看图3，所述输出信号生成电路4包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8；其中，所述第五电阻R5连接所述共模电压转换电路3的输出端，并与所述第六电阻R6、第八电阻R8与第七电阻R7依次串联；所述第三电阻R3与第四电阻R4串联，并连接于所述传感器接口1的正负电压V₊、V_-；所述第六电阻R6和第八电阻R8的连接点与所述第三电阻R3和第四电阻R4的连接点相连；所述第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6和第八电阻R8的阻值相同，所述第五电阻R5和第七电阻R7的阻值相同。

在本实施例中，参看图3，所述DA转换电路5由DA转换器DAC和第二运算放大器U2组成。在本实施例中，所述DA转换器为DAC8871转换器。

在本实施例中，参看图4，所述基准电压生成电路6包括：第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、第九电阻R9、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15以及第十六电阻R16；所述共模电压转换电路2输出的电压通过所述第九电阻R9输入到所述第三运算放大器U3，所述第三运算放大器U3接成电压跟随器电路，其输出V_refL等于所述共模电压转换电路2输出的电压，提供所述DA转换器的负基准源，并通过所述第十三电阻R13输入到所述第五运算放大器U5的正输入端；所述第十一电阻R11与第十二电阻R12对所述传感器接口1输入的正电压V₊进行分压后，输入到第四运算放大器U4的正输入端，所述第四运算放大器U4接成电压跟随器电路，其输出V₊'通过所述第十四电阻R14输入到所述第五运算放大器U5的正输入端，两个电压共同提供所述DA转换器的正基准源V_refH。

在本实施例中，所述控制系统7为MSP430F149单片机系统，温度传感器8的型号为DS18B20。控制系统7接收外部设定数字量，并把外部设定数字量输出到DA转换器的数字量输入端，从而设定传感器模拟器的模拟输出信号幅值。同时，控制系统7接收温度传感器8的温度信号，以此自动修正DA转换器的输出，从而实现温度补偿。

参考图3，在一具体实施例中，传感器接口1与外部测量仪表（未示出）相连接。精密电阻网络由R1和R2相连而组成，阻值选为R1=R2=1.5KΩ，与传感器接口1的正负电源引脚相连接。

共模电压转换电路2由运算放大器U1接成电压跟随器而构成。基准电压生成电路6由图4所示电路组成。

输出信号生成电路4由电阻R3、R4、R5、R6、R7和R8组成，阻值选为R3=R4=R6=R8=100Ω，R5=R7=24.9KΩ。

温度传感器选用DS18B20。

单片机系统可选用MSP430F149。

（1）输出信号计算

如图3所示，传感器接口1输入的高低电压为V₊、V_-，共模电压转换电路输出电压为V_r，DAC正负基准电压分别为V_refH、V_refL，V_s-、V_s+为输出信号生成电路输出的传感器模拟电压值。

设图3中a点、S-点、S+点、b点、c点的电压分别为V_a、V_s-、V_s+、V_b、V_c。则由电路原理：

$V_{s+}=\frac{R8}{R8+R7}*V_b+\frac{R7}{R8+R7}*V_c---\left(1\right)$

$V_{s-}=\frac{R6}{R6+R5}*V_r+\frac{R5}{R6+R5}*V_c---\left(2\right)$

则式（1）减式（2），并把选用的具体电阻数值代入得：

V_s+-V_s-=(V_b-V_r)*0.004（3）

共模电压转换电路3中运算放大器U1接成电压跟随器电路，因此：V_r=V_a，代入（3）式得：

V_s+-V_s-=(V_b-V_a)*0.004（4）

由于加入了共模电压转换电路3，在a点和R5之间存在运算放大器U1，则b点电压通过R7、R8、R6、R5后影响不到a点的电压，因此，b点的电压改变，不再对a点的电压带来影响，从而使得传感器模拟器的输出信号与b点信号成线性关系，即使得电路的输出真正与设定值成线性关系。

（2）DAC的基准源计算

由图3和图4得知，共模电压转换电路的输出电压V_r通过第九电阻R9输入到运算放大器U3，而U3接成电压跟随器电路，所以其输出V_refL就等于V_r，V_refL为DA转换器的负基准源；V_r又等于共模电压V_a，所以DA转换器的负基准源等于共模电压V_a，即：

V_refL=V_r=V_a（5）

由图4得知，第十一电阻R11与第十二电阻R12对传感器接口1输入的正电压V₊进行适当分压后，其分压输入到运算放大器U4的正输入端，U4接成电压跟随器电路，其输出记为V₊'，即有：

${V_{+}}^{\′}=\frac{R12}{R11+R12}*V_{+}---\left(6\right)$

V₊'通过第十四电阻R14、V_refL通过第十三电阻R13共同输入到运算放大器U5的正输入端，以此构成对V_refL和V₊'的加法电路，选取R13=R14=3.3KΩ，R15=R16=10KΩ，则DA转换器的正基准源是上述两个电压的和，即：

V_refH=V₊'+V_refL（7）

其中，R11、R12起到设定合适的基准源的作用，其设定的DAC的正基准源在DAC正基准源的最大允许数值范围内即可。

根据DAC8871芯片输出的计算公式：

$V_b=\frac{(V_{\mathrm{refH}}-V_{\mathrm{refL}})*\mathrm{code}}{65536}+V_{\mathrm{refL}}---\left(8\right)$

其中，code是控制系统设定的数字量输出。

将式（5）、式（6）、式（7）代入到式（8）得：

$V_b=\frac{R12}{R11+R12}*V_{+}*\frac{\mathrm{code}}{65536}+V_a---\left(9\right)$

将式（9）代入到式（4）得：

$V_{s+}-V_{s-}=\frac{R12}{R11+R12}*V_{+}*\frac{\mathrm{code}}{65536}*0.004---\left(10\right)$

由此可见，输出信号幅值与控制系统的设定值code和V₊成正比线性关系。但V₊是传感器接口的输入正电压，对于确定的仪器来说，其是不变的，因此，想要什么电压值就可以通过设置设定值code而得到。

综上所述，本发明的应变式传感器模拟器通过增加共模电压转换电路，使得输出真正与设定值成线性关系，克服了有效输出与系统设定存在误差的不足。并且，本发明实施例还通过增加电阻网络，降低了输出信号幅值，实现了精细调整，并且使得电路的输出阻抗降低，利于信号的后续处理。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应变式传感器模拟器，其特征在于，包括：传感器接口、精密电阻网络、共模电压转换电路、输出信号生成电路、DA转换电路、基准电压生成电路、控制系统以及温度传感器；

其中，所述传感器接口、精密电阻网络、共模电压转换电路与所述输出信号生成电路依次相连，所述基准电压生成电路连接于所述传感器接口、共模电压转换电路和DA转换电路，所述控制系统连接于所述温度传感器和所述DA转换电路，所述DA转换电路与所述输出信号生成电路相连接；

所述传感器接口连接外部测量仪器，所述精密电阻网络根据所述传感器接口输入的正电压和负电压生成共模电压，传给所述共模电压转换电路；

所述基准电压生成电路根据所述共模电压转换电路输出的电压和所述传感器接口输出的正电压生成所述DA转换电路的正负基准源电压；

所述DA转换电路根据所述正负基准源电压和设定数字量生成DA输出电压后，传输给所述输出信号生成电路；

所述输出信号生成电路根据所述共模电压转换电路输出的电压和DA转换电路生成的DA输出电压，生成输出模拟信号，所述输出模拟信号通过所述传感器接口输出给所述外部测量仪器；

所述控制系统根据所述温度传感器测得的温度信号，对所述DA转换电路的输出信号进行修正，实现温度补偿；

所述输出信号生成电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻；

其中，所述第五电阻连接所述共模电压转换电路的输出端，并与所述第六电阻、第八电阻与第七电阻依次串联；所述第三电阻与第四电阻串联，并连接于所述传感器接口的正负电压；所述第六电阻和第八电阻的连接点与所述第三电阻和第四电阻的连接点相连；

所述第三电阻、第四电阻、第六电阻和第八电阻的阻值相同，所述第五电阻和第七电阻的阻值相同。

2.根据权利要求1所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述精密电阻网络包括相串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻与所述传感器接口的正电压端相连接，所述第二电阻与所述传感器接口的负电压端相连接；

其中，所述第一电阻和第二电阻之间的分压为生成的所述共模电压。

3.根据权利要求2所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述第一电阻和第二电阻的阻值相同。

4.根据权利要求1所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述共模电压转换电路为由第一运算放大器构成的电压跟随器，其输出的电压等于所述精密电阻网络生成的共模电压。

5.根据权利要求1所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述DA转换电路由DA转换器和第二运算放大器组成。

6.根据权利要求5所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述基准电压生成电路包括：

第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第九电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻以及第十六电阻；

所述共模电压转换电路输出的电压通过所述第九电阻输入到所述第三运算放大器，所述第三运算放大器接成电压跟随器电路，其输出等于所述共模电压转换电路输出的电压，提供所述DA转换器的负基准源，并通过所述第十三电阻输入到所述第五运算放大器的正输入端；

所述第十一电阻与第十二电阻对所述传感器接口输入的正电压进行分压后，输入到第四运算放大器的正输入端，所述第四运算放大器接成电压跟随器电路，其输出通过所述第十四电阻输入到所述第五运算放大器的正输入端，两个电压共同提供所述DA转换器的正基准源。

7.根据权利要求1所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述控制系统为MSP430F149单片机系统。

8.根据权利要求1所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述温度传感器的型号为DS18B20。

9.根据权利要求1所述的应变式传感器模拟器，其特征在于，所述DA转换器为DAC8871转换器。