CN103634009A

CN103634009A - 提高模拟量采集装置模数转换精度的方法

Info

Publication number: CN103634009A
Application number: CN201310661556.0A
Authority: CN
Inventors: 叶建忠
Original assignee: Shanghai Electric Power Industry (group) Ltd By Share Ltd
Current assignee: Shanghai Electric Power Industry (group) Ltd By Share Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: CN103634009B

Abstract

本发明属于模数转换技术领域，具体涉及一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，该方法通过将计算程式Va=Vd*Vref/(2ⁿ-1)中的Vref作为变量，由独立的电压测量装置测试实际的参考电压Vref，并由上位机通过其通信端口把实际测试得到的参考电压Vref传递至该计算程式中计算。本发明的优点是：由于Vref的测量由独立的电压测量装置测量，计算式中的Vref的精度取决于所述的独立电压测量装置，根据实际使用场合，该电压测量装置的精度可以达到1mv或以上，可以满足12位及以上的ADC转换精度的需求，采集装置的模数转换精度大为提高，避免了采用昂贵的高精度电源以达到Vref的高精度，该方法步骤简单成本较低。

Description

提高模拟量采集装置模数转换精度的方法

技术领域

本发明属于模数转换技术领域，具体涉及一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法。

背景技术

在控制领域需要采集各种各样的模拟量，如电压、电流、温度、湿度等等，为数据分析方便，一般均采用单片机对数据进行实时处理。对于各种模拟量，为处理方便，经过各种电路的转换，最终均表现为电压量的方式，由ADC（模数变换器）采样、量化、编码，变成2进制的形式，以便单片机进行数据识别和处理。

ADC转换完成后形成的数字量为：

Vd=Vin/Vref*(2ⁿ-1) (1）

式中，Vd: ADC 转换完成后的数量值；

Vin：为待采集的模拟量转换为电压量后的电压值；

Vref：为ADC的参考电压；

n:为ADC编码的位数。

经过ADC转换后，模拟量转换成了2进制的数据，单片机能够识别。但这些只是2进制，还不是实际模拟量的数值，为适合数据处理，还需要转换成实际的电压量：

Va=Vd*Vref_理/(2ⁿ-1) (2)

所存在的问题是：根据ADC的原理，在ADC转换过程中，实际的待转换的电压量和参考电压（Vref）是逐次比较后得到的2进制序列，式（1）中的Vref是实际的参考电压，而式（2）中的Vref_理是实际参考电压的理论值，可以理解为是一个常量。比如有个ADC的参考电压是5V，那么我们认为理论值就是5V，我们在单片机中运算式（2）时，式中的Vref_理就等于5V，但式（1）中的Vref是实际值，总是有个误差存在，如果此时参考电压的精度是1%，则实际电压是4.95V—5.05V。那么，我们即使不考虑ADC本身的精度，仅仅参考电压就带来了1%的误差，这在高精度的ADC中是难以接受的。

通常解决这个问题的方法是提高电源的精度。如果ADC的参考电压是5V，参见下表中ADC量化数据和精度关系：

编码位数（n）	2ⁿ-1	电压（5VFS）	%FS
				8	255	19.55mV	0.39
10	1023	4.07mV	0.098
				12	4095	1.22mV	0.024
14	16383	0.31mV	0.0061

从上表中可以看到，在8位系统，如果不考虑其他因素带来的误差，ADC本身的精度就有0.39%的精度，可识别的步进为19.55mV 。而那么就需要有0.39%以上精度的电源相匹配，如果是12位系统，就需要有0.02%精度的电源相匹配。但实际上，超过0.5%精度的电源就比较昂贵，超过0.1%精度的电源就比较难获得，在普通的ADC领域对成本比较敏感，难以推广。在ADC的精度上面，现在12位就比较普遍，甚至有些商用单片机就集成12位ADC。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，该方法通过将二进制数字量Vd转换成实际电压量Va的计算程式中Vref作为变量使用，在模拟量采集装置校准时增设独立电压测量装置，以测试出实际的参考电压Vref，提高模拟量采集装置的模数转换精度。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，涉及既有的模拟量采集装置，由ADC、参考电源、单片机以及存储器组成，所述参考电源和单片机分别与所述ADC连接，其特征在于：所述ADC将采集到的模拟量转换为二进制的数字量形式，转换中所用的计算程式为：

Vd=Vin/Vref*(2ⁿ-1) (1）

计算程式（1）中，Vd为所述ADC 转换完成后的二进制数字量；Vin为采集的模拟量转换为电压量后的电压值；Vref为所述ADC获得的所述参考电源的参考电压；n为ADC编码的位数；

将所述二进制数字量Vd传输至所述单片机中，在所述单片机中设定计算程式（2），以将所述二进制数字量Vd转换成实际的电压量Va，所述计算程式（2）为：

Va=Vd*Vref_理/(2ⁿ-1) (2)

其中所述计算程式（2）中的所述参考电源的参考电压Vref_理作为变量使用。

在所述单片机初始化时，所述计算程式（2）中的Vref_理以理论值填入。

所述计算程式（2）中的参考电压Vref_理是在所述模拟量采集装置校准时，在其外围增设相互连接的电压测量装置和上位机，使所述电压测量装置与所述参考电源连接，使所述上位机的通信端口与所述单片机相连接，之后通过所述电压测量装置测得实际的参考电压Vref_理，由所述上位机通过其通信端口把实际测试得到的参考电压Vref_理传递至所述单片机中，替代初始化时的Vref_理理论值，完成计算程式（2）的计算。

由所述上位机通过其通信端口把实际测试得到的参考电压Vref_理传递至所述单片机中，并以浮点数，4字节形式存储于与所述单片机相连的存储器中。

本发明的优点是：

由于Vref的测量由独立的电压测量装置测量，计算式中的Vref 的精度取决于所述的独立电压测量装置，根据实际使用场合，该电压测量装置的精度可以达到1mv或以上，可以满足12位及以上的ADC转换精度的需求，采集装置的模数转换精度大为提高，避免了采用昂贵的高精度电源以达到Vref 的高精度，该方法步骤简单成本较低；

模拟量采集装置的参考电源一般在使用一段时间后，均会出现不同程度的漂移，在发生参考电源发生漂移后，可以再次用独立的电压测量装置测量参考电压，并由上位机通过通信端口把实际测得的电压传递给计算程式，可再次得较准精度而无须更换昂贵的高精度参考电压源。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例：本实施例具体涉及一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，该提高模数转换精度的方法主要是通过将计算程式中原来作为常量使用的Vref_理改换作为变量使用，以提高精度，克服原方法中所存在的误差。

如图1所示，该方法涉及一既有的模拟量采集装置，该模拟量采集装置在控制领域用于采集各种各样的模拟量，如电压、电流、温度、湿度等，并将这些模拟量转换成数字量，以方便数据分析。模拟量采集装置在使用时与一被测装置连接，被测装置的具体种类、型号并不唯一，以获取其被采集量，如电压、电流、温度、湿度等。该既有的模拟量采集装置具体是由ADC（即模数变换器）、参考电源、单片机以及存储器构成，参考电源以及单片机额分别与ADC相连接，存储器与单片机单独连接，参考电源、ADC、单片机以及存储器，可以被封装在一个单片芯片中，也可以独立的模块形式存在；其中的ADC负责采样、量化、编码，参考电源向ADC提供电能，同时其电压作为参考电压使用，单片机则负责数据处理，存储器负责存储计算程式和采集数据。

如图1所示，本实施例中提高模拟量采集装置模数转换精度的方法具体包括如下步骤：

① 当上述既有的模拟量采集装置校准时，在其外围增设一电压测量装置以及一上位机，两者相互连接，同时电压测量装置还与参考电源相连接，上位机的通信端口还与单片机相连接。

②模拟量采集装置中的ADC进行模拟量采集，对于各种采集到的模拟量，为处理方便，经过各种电路的转换，最终均表现为电压量的方式，由ADC（模数变换器）采样、量化、编码，变成二进制数字量形式Vd，以便单片机进行数据识别和处理；ADC转换完成后形成的数字量为：

Vd=Vin/Vref*(2ⁿ-1) (1）

式中，Vd: ADC 转换完成后的数量值；

Vin：为待采集的模拟量转换为电压量后的电压值；

Vref：为ADC的参考电压；

n: 为ADC编码的位数。

当ADC转换发生时刻，采集的是Vin/Vref的比值，式（1）中的Vref是实际值。

③经过ADC转换后，模拟量转换成了二进制的数字量Vd，将该二进制数字量Vd传输至所述单片机中，单片机能够识别；但这些只是二进制，还不是实际模拟量的数值，为适合数据处理，还需要转换成实际的电压量Va；为此，在单片机中设定一个Vd转换至Va的计算程式，该计算程式为：

Va=Vd*Vref_理/(2ⁿ-1) (2)

所存在的问题是：根据ADC的原理，在ADC转换过程中，实际的待转换的电压量和参考电压（Vref）是逐次比较后得到的二进制序列，式（1）中的Vref是实际的参考电压，而式（2）中的Vref_理是实际参考电压的理论值，可以理解为是一个常量。比如有个ADC的参考电压是5V，那么我们认为理论值就是5V，我们在单片机中运算式（2）时，式中的Vref_理就等于5V，但式（1）中的Vref是实际值，总是有个误差存在，如果此时参考电压的精度是1%，则实际电压是4.95V—5.05V。那么，我们即使不考虑ADC本身的精度，仅参考电压就带来了1%的误差，这在高精度的ADC中是难以接受的。

因此，在程式（2）的计算过程中，将其中的参考电压Vref_理作为变量使用，在单片机计算程式初始化时，Vref_理配置为理论值，在模拟量采集装置校准时，通过电压测量装置测得实际的参考电压Vref_理，之后由上位机通过其通信端口把实际测试得到的参考电压Vref_理传递至单片机中的计算程式（2）中计算，以获得实际的电压量Va；这样处理后，计算程式（1）中和计算程式（2）中的Vref_理均为实际的参考电压值，2个表达式中的参考电压几乎一致，测量精度大为提高，对参考电压的精度已经几乎没有特别要求；在电压测量装置测量后由上位机通过通信端口传递到单片机中的Vref_理存储在存储器中。经过校准的模拟量采集装置再次启动时，从存储器中获取存储的Vref_理值。由于独立的电压测量装置精度可以达到1 mV 以上的精度，可以满足12位及以上的ADC转换精度的需求。

本实施例的有益效果在于，将计算程式（2）中的Vref_理作为变量，通过电压测量装置测试其实际的参考电压值，在避免采用以往价格高昂的高精度电源的同时，有效提高了模数转换的精度，且该方法步骤简单，操作方便，涉及的装置结构简单，只需在既有的采集装置在校准时增加一电压测量装置和上位机即可，成本较低，适合大规模推广应用。

以下是本实施例中所述的方法在实际工程中的应用：

① 本实施例中的模拟量采集装置用于采集电压传感装置的电压模拟量；

② 在模拟量采集装置中，参考电源的参考电压理论值是5V,其精度是1%；

③ ADC将从电压传感装置上采集到的电压模拟量假定为2.5V,采用8位ADC转换成二进制数字量形式Vd，转换的计算过程为：

Vd=Vin/Vref*(2ⁿ-1) (1）

=2.5/4.95*（2⁸-1）

=129

④ 之后再通过单片机计算出实际的电压量Va，计算的过程为：

Va=Vd*Vref/(2ⁿ-1) (2)

=129*4.95/255

=2.504V

⑤ 假使步骤④中的Vref采用的是参考电压的理论值，那么

Va_理 =Vd*Vref/(2ⁿ-1)

=129*5/255

=2.529V

⑥ 本实施例中所采用的方法所带来的误差为：Va-Vin =2.504-2.5=0.004V，其精度为：（Va-Vin）/ Vin=0.004/2.5*100%=0.16%，精度的误差主要为ADC转换量化时的误差带入，消除了电源误差带入的影响；

⑦ 采用常规的方法时，即将Vref作为常量使用时，所带来的误差为：Va_理-Vin =2.529-2.5=0.029V，其精度为：（Va_理-Vin）/ Vin=0.029/2.5*100%=1.16%，可见精度误差主要为电源的精度误差带入。

由此可见，采用本实施例中提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，精度提高了一个数量级。

Claims

1.一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，涉及既有的模拟量采集装置，由ADC、参考电源、单片机以及存储器组成，所述参考电源和单片机分别与所述ADC连接，其特征在于：所述ADC将采集到的模拟量转换为二进制的数字量形式，转换中所用的计算程式为：

Vd=Vin/Vref*(2ⁿ-1) (1）

Va=Vd*Vref_理/(2ⁿ-1) (2)

2.根据权利要求1所述的一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，其特征在于所述计算程式（2）中的参考电压Vref_理是在所述模拟量采集装置校准时，在其外围增设相互连接的电压测量装置和上位机，使所述电压测量装置与所述参考电源连接，使所述上位机的通信端口与所述单片机相连接，之后通过所述电压测量装置测得实际的参考电压Vref_理，由所述上位机通过其通信端口把实际测试得到的参考电压Vref_理传递至所述单片机中，完成计算程式（2）的计算。

3.根据权利要求2所述的一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，其特征在于由所述上位机通过其通信端口把实际测试得到的参考电压Vref_理传递至所述单片机中，并以浮点数，4字节形式存储于与所述单片机相连的存储器中。