CN104330096B - 一种测量信号的校正补偿和自动标定的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号测量领域，公开了一种测量信号校正补偿和自动标定的方法，其包括步骤：S1、将测量信号进行模数转换；S2、将经S1处理后的信号进行校正处理；S3、将经S2处理后的信号进行数模转换；S4、将未处理的测量信号和经过S3处理后的信号相加后输出；本发明还公开了一种测量信号校正补偿和自动标定的装置。本发明能够用价格低廉的低分辨率A/D转换器实现高精度的校正补偿并实现自动标定。

Description

一种测量信号的校正补偿和自动标定的方法及装置

技术领域

本发明涉及信号测量技术领域，特别是涉及一种测量信号的校正补偿和自动标定的方法和装置。

背景技术

在对测量信号实施零偏、增益、线性校正以及温度诸影响因素补偿技术中，比如，对测量信号实施线性校正，现有模拟电路技术方法，用多点标定进行标定补偿，此方法的缺陷是需要手工逐点标定，不能实现自动化，工效低，且存在人为因素；另一个缺陷是要提高精度就需要增加更多的点，这会使电路元件随之剧增，成本故障率随之剧增。现有的数字校正中，能实现自动标定解决工效低的问题，但此方法的缺点是，如有高精度要求，就要采用高分辨率的A/D以及D/A进行模数转换，而随着对A/D分辨率的要求提高，元件价格成本急剧上升。

公知的现有数字校正中，如图1所示，有A/D转换器、校正处理单元、D/A转换器等，依次排列。其中用到A/D转换器对测量信号进行模拟/数字转换，然后，进行数字校正输出。如果考虑成本因素，采用低分辨率的A/D转换器，就达不到高精度的要求。

比如采用价格低廉的10位A/D转换器，其分辨率为1024。为了简单，用1000个数字值表示满度100％F.S.量值(F.S.缩写表示Full Scale满量程)，那么，10％F.S.标定点时，数字值就是100。A/D转换器的量化误差是±1个数字，换算为精度：100％F.S.标定点时，±1/1000＝±1‰S.P.(S.P.缩写表示Set Point设定点)，10％F.S.标定点时，±1/100＝±10‰S.P.，由上看出，仅仅A/D转换器的量化误差，在10％标定点时，达到了±10‰S.P.；如果要求±1‰S.P.精度，显然远远达不到要求。也就是说在设定点低端，随着采样数字值变小，输出信号精度直线下降。由于A/D转换器量化误差的存在，且公知的现有数字校正技术把A/D采样值作为输出信号值输出了，导致了“输出信号精度直线下降”。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何用价格低廉的低分辨率A/D转换器实现高精度的校正补偿并实现自动标定。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量信号校正补偿和自动标定的方法，其包括如下步骤：

S1、将测量信号进行模数转换；

S2、将经S1处理后的信号进行校正处理；

S3、将经S2处理后的信号进行数模转换；

S4、将未处理的测量信号和经S3处理后的信号相加后输出。

其中，S2包括：将测量信号与标准值信号进行比较，根据比较结果对经S1处理后的信号进行校正处理。

其中，S2包括：根据当前的温度对经S1处理后的信号进行补偿。

其中，S2包括：在接收到标定触发信号后，对经S1处理后的信号进行标定或校正处理。

本发明还包括一种测量信号的校正补偿和自动标定的装置，其包括第一A/D转换器、校正处理单元、D/A转换器和模拟加法器，所述第一A/D转换器的信号输入端与该装置的测量信号输入端相连，所述第一A/D转换器的信号输出端与所述校正处理单元的信号输入端相连，用于对经过第一A/D转换器后的信号进行校正处理；所述校正处理单元的信号输出端与所述D/A转换器的信号输入端相连，所述模拟加法器的第一信号输入端与所述D/A转换器的信号输出端相连，所述模拟加法器的第二信号输入端与该装置的测量信号输入端相连。

其中，该装置还可以包括比较器，所述比较器适于在线实时自动调零，所述比较器的第一信号输入端与该装置的所述测量信号输入端相连，所述比较器的第二信号输入端与该装置的标准值信号输入端相连，所述比较器的第二信号输入端还通过一个电阻与该装置的零信号相连，所述比较器的信号输出端与所述校正处理单元的一个信号输入端相连；所述校正处理单元用于根据所述比较器的比较结果对经过第一A/D转换器后的信号进行校正处理。

其中，该装置还可以包括温度传感器和第二A/D转换器，所述温度传感器通过所述第二A/D转换器与所述校正处理单元的另一个信号输入端相连，所述校正处理单元用于根据所述第二A/D转换器输入的信号对经过第一A/D转换器后的信号进行补偿。

其中，该装置还可以包括用于触发所述校正处理单元工作的标定开关。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种测量信号的校正补偿和自动标定的方法和装置，所述测量信号的校正补偿和自动标定的方法将未经处理的测量信号和经过模数转换、校正处理、数模转换后的信号相加后输出，得到输出信号，有效提高了输出信号的精度。

附图说明

图1为现有技术的数字校正示意图；

图2为本发明一种测量信号的校正补偿和自动标定的装置的连接示意图；

图3为本发明一种测量信号的校正补偿和自动标定的装置的自动校正和标定系统的连接框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种测量信号校正补偿和自动标定的方法，其包括如下步骤：

S1、将测量信号进行模数转换；

S2、将经S1处理后的信号进行校正处理；

S3、将经S2处理后的信号进行数模转换；

S4、将未处理的测量信号和经S3处理后的信号模拟相加(模拟相加是指对模拟信号进行相加)后输出。

将测量信号未经处理的值作为主要值，由于A/D转换(模数转换)的量化误差无法避免，因而将测量信号经过模数转换的A/D采样值作为标定点，不作为信号输出值，并经过校正处理和D/A转换(数模转换)处理之后得到校正补偿值，然后将主要值和校正补偿值经过模拟加法合成，得到输出信号。由于所述主要值不经过A/D采样转换，也就不存在量化误差，从而能够保证测量精度。

校正补偿值中，测量信号经过校正处理之后得到的是经过校正计算而附加的额外校正补偿增减量。

校正处理输出并不直接就是A/D采样值，A/D采样值仅仅是作为标定点，所述校正补偿值和标定点的关系是—所述校正补偿值是所述标定点所对应的所述校正补偿增减量，这样，A/D转换的量化误差，仅仅影响标定点的准确性，并不直接影响校正补偿值。

比如，假定某传感器测量值特性，在10％F.S.标定点附近时，线性误差为10％S.P.，即

误差值为1％F.S.，那么，有下表：

由上表看出，在10％F.S.标定点：

A/D采样若为准确值100，则对应的校正补偿值为正确的-1.00％F.S.，则正确地予以合成补偿，不存在量化误差。

考虑到A/D采样量化误差，采样值偏差到101，则对应校正补偿值偏移到错误的-1.01％F.S.，其与正确的-1.00％F.S相差了0.01％F.S，所以导致补偿误差为-1‰S.P.。

综上所述，采用同样低廉的10位A/D转换器，在同样的10％F.S.标定点，公知的数字校正方法精度是±10‰S.P.，而本发明的方法精度为±1‰S.P.。精度显著地提高了10倍。

本发明提高精度的前提是假定某传感器测量值特性，即要求在标定点附近补偿值是缓慢平滑变化的，而这是普遍存在的现象，因此本发明的测量方法有着广泛的应用前景。

本发明中，S2包括：将测量信号与标准值信号进行比较，根据比较结果对经S1处理后的信号进行校正处理。

其中，S2包括：根据当前的温度对经S1处理后的信号进行补偿。具体地，先测得当前温度的模拟信号，再将该模拟的温度信号转化为数字温度信号，利用该数字温度信号对经S1处理后的信号进行补偿。

其中，S2包括：在接收到标定触发信号后，对经S1处理后的信号进行标定或校正处理。

如图2所示，本发明还提供一种测量信号的校正补偿和自动标定的装置，其包括第一A/D转换器、校正处理单元、D/A转换器和模拟加法器，所述第一A/D转换器的信号输入端与该装置的测量信号输入端相连，所述第一A/D转换器的信号输出端与所述校正处理单元的信号输入端相连，用于对经过第一A/D转换器后的信号进行校正处理；所述校正处理单元的信号输出端与所述D/A转换器的信号输入端相连，所述模拟加法器的第一信号输入端与所述D/A转换器的信号输出端相连，所述模拟加法器的第二信号输入端与该装置的测量信号输入端相连。

其中，第一A/D转换器、校正处理单元和D/A转换器可以由单片机来实现。

比如传感器的线性误差值最大为10％F.S.，那么，采用10位D/A转换器，用放大电路将其幅度压缩到10％F.S.，这样其分辨率将全部用于输出这10％F.S.的校正补偿值部分，其分辨率精度将达到:

10％F.S./1024＝0.009765625％F.S.≈0.01％F.S.

那么，在10％F.S.标定点，10位D/A转换器量化误差导致的精度损失为：

0.01％F.S./10％F.S.＝1‰S.P.

所以，此时并不需要高分辨率的D/A转换器，依然可以达到很高的信号输出精度。

另外的办法还可以是，如果10位D/A转换器是转换速度足够的，那么，用插补细分编码按时序顺次输出编码好的值，然后再滤波，这样，就可以得到高分辨率的值。

事实上，有些低廉的单片机，就带有16位PWM(脉冲宽度调制)，所以，只需将PWM滤波，很简单就可以得到极高精度的校正补偿值部分。

本发明的校正补偿可以包括零点漂移、线性、增益、温漂等项目，通过设计一套电路就可以实现上述全部项目。

要实现现场实时的自动校正、零点漂移，还应具备零点偏移比较器单元。如图3所示，该装置还可以包括比较器，所述比较器适于在线实时自动调零，所述比较器的第一信号输入端与该装置的所述测量信号输入端相连，所述比较器的第二信号输入端与该装置的标准值信号输入端相连，所述比较器的第二信号输入端还通过一个电阻与该装置的零信号相连，所述比较器的信号输出端与所述校正处理单元的一个信号输入端相连；所述校正处理单元用于根据所述比较器的比较结果对经过第一A/D转换器后的信号进行校正处理。该装置还可以包括温度传感器和第二A/D转换器，所述温度传感器通过所述第二A/D转换器与所述校正处理单元的另一个信号输入端相连，所述校正处理单元用于根据所述第二A/D转换器输入的信号对经过第一A/D转换器后的信号进行补偿。该装置还可以包括用于触发所述校正处理单元工作的标定开关。其中，引入的“0V”信号，用于自动校正零点漂移，作为标准零点；引入的“标准值”信号，用于线性和增益校正补偿，作为标定点标准值；引入的“标定开关”信号，用于指示仪器是处于标定还是正常使用的校正补偿状态。用自动逐点标定的办法，可以得到每个标定点所对应的校正补偿值，从而得到校正补偿表。用自动化操纵标定器逐点给定标定值(实际值)，被标定器具的测量值由第一A/D转换器得到相应记录作为标定点。同时，微处理器用策略算法给出不同的试探校正补偿值，送到模拟加法器电路作为校正补偿值部分。同时，模拟加法器执行校正补偿值部分与主要值部分相加工作，实时进行校正补偿输出。同时，将经过校正补偿的输出值和给定标定值(实际值)进行比较，如果正好相等或接近相等，则记录下此时给出的校正补偿值，这个校正补偿值就是正好合适的。通过此方法，就完成了自动标定，标定补偿表也就做好了。那么，被标定器具到现场实际运行时，只需仍由上述第一A/D转换器得到传感器当前测量值，由微处理器根据此值对应查表得到校正补偿值送出，仍由上述模拟加法器电路就实现了校正补偿。

标定过程中，校正补偿值的得出，可以有多种方式来实现。比如，标定过程主要由上位机系统来完成，标定器具的操纵、实际值、比较器都在上位机系统这边，被标定器具执行试探校正补偿，并把补偿结果送入上位机，上位机经过比较得到合适结果后，及时通过高低电平或通讯告诉被校正器具上的单片机，单片机完成记录，即做好校正补偿表。

比如，又有一种方法，标定过程主要由被标定器具上的单片机来完成，比较器也在被标定器具上。将标定器具的实际值送到比较器，比较器将此实际值和补偿结果进行比较，并以低电平或高电平的结果送到单片机端口，来告诉单片机试探校正补偿值是否恰当。

完成上述各个功能的部分，可以安排在上位机和被标定器具的任意一方，只需根据需要进行安排即可。

实际上，测量信号的校正补偿不只是线性校正补偿，还有零点漂移，温度漂移。完成这些功能只需所述一个单片机即可，与上述线性校正补偿的实施例，原理是一样的。只是需要增加相应的信号入口，增加相应的程序，相应的标定，这里不再赘述。由此，可以由一个低廉的只带有低分辨率A/D转换器的单片机实现高精度地解决零点、增益、线性和温漂等所有的校正补偿标定，同时又由该单片机在现场中实时执行。

本发明设计巧妙，通过低廉的低分辨率A/D转换器实现高精度的校正补偿并实现自动标定，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量信号校正补偿和自动标定的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将测量信号进行模数转换；

S2、将经S1处理后的信号进行校正处理；

S3、将经S2处理后的信号进行数模转换；

S4、将未处理的测量信号和经S3处理后的信号相加后输出，其中经S3处理后的信号经过加法器的比例设置而压缩。

2.如权利要求1所述的测量信号校正补偿和自动标定的方法，其特征在于，S2包括：将测量信号与标准值信号进行比较，根据比较结果对经S1处理后的信号进行校正处理。

3.如权利要求1所述的测量信号校正补偿和自动标定的方法，其特征在于，S2包括：根据当前的温度对经S1处理后的信号进行补偿。

4.如权利要求1所述的测量信号校正补偿和自动标定的方法，其特征在于，S2包括：在接收到标定触发信号后，对经S1处理后的信号进行标定或校正处理。

5.一种测量信号的校正补偿和自动标定的装置，其特征在于，包括第一A/D转换器、校正处理单元、D/A转换器和模拟加法器，所述第一A/D转换器的信号输入端与该装置的测量信号输入端相连，所述第一A/D转换器的信号输出端与所述校正处理单元的信号输入端相连，用于对经过第一A/D转换器后的信号进行校正处理；所述校正处理单元的信号输出端与所述D/A转换器的信号输入端相连，所述模拟加法器的第一信号输入端与所述D/A转换器的信号输出端相连，所述模拟加法器的第二信号输入端与该装置的测量信号输入端相连。

6.如权利要求5所述的测量信号的校正补偿和自动标定的装置，其特征在于，还包括比较器，所述比较器适于在线实时自动调零，所述比较器的第一信号输入端与该装置的所述测量信号输入端相连，所述比较器的第二信号输入端与该装置的标准值信号输入端相连，所述比较器的第二信号输入端还通过一个电阻与该装置的零信号相连，所述比较器的信号输出端与所述校正处理单元的一个信号输入端相连；所述校正处理单元用于根据所述比较器的比较结果对经过第一A/D转换器后的信号进行校正处理。

7.如权利要求5所述的测量信号的校正补偿和自动标定的装置，其特征在于，还包括温度传感器和第二A/D转换器，所述温度传感器通过所述第二A/D转换器与所述校正处理单元的另一个信号输入端相连，所述校正处理单元用于根据所述第二A/D转换器输入的信号对经过第一A/D转换器后的信号进行补偿。

8.如权利要求5所述的测量信号的校正补偿和自动标定的装置，其特征在于，还包括用于触发所述校正处理单元工作的标定开关。