CN105227184B - 一种adc/dac信号数字校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ADC/DAC信号数字校正方法，该方法后台在线确定调整参数，将最终参数反馈给ADC/DAC模块，实现连续地、高精度地在线校准。本发明还提供了实现上述方法的系统，包括存储调节参数的存储器、ADC/DAC模块、处理器、通信接口和上位机。应用本发明，无需对设备进行开箱操作，能够高精度、连续地调整ADC/DAC信号，解决传统机械式调解方式精度低、成本高的技术问题，以及现有数字式调解方式存在过冲和无法连续调整的技术问题。

Description

一种ADC/DAC信号数字校正方法及系统

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，更具体地，涉及一种ADC/DAC信号数字校正方法及系统。

背景技术

在控制系统中常见到当模数转换器ADC信号采集完成后如何校准采集值使之逼近实际测量值的问题，而输出基准源数模转换器DAC在控制环路中应用时也存在校准问题。

在现有技术常用的ADC信号采集电路中，一般通过机械式电位器或数字电位器调节自身阻值来改变ADC输入信号分压比，从而改变输入ADC采集器的信号强度，来校准最终ADC的测量值。同样的方法也可以实现调节DAC在环路中的电压值。采用机械式电位器校准ADC或调节DAC环路电位值存在以下不足：1、传统机械式电位器在精度上不能保证，而且由于温度系数的存在会导致显示值在整个温度范围内波动较大；2、通过电位器调电压的方式属于接触式调节，使用寿命较短；3、采用硬件调节，需增加元器件，会增加成本，而且降低可靠性。

采用数字电位器技术虽然是数控方式，具有使用灵活、精度高、无触点、低噪声、体积小、使用寿命长等优点，但是在调节过程中数字电位器值不是直接输出的，而是在经过调整后才能输出期望值。在实际使用过程中可能会在系统刚上电时造成ADC输入信号过冲。另外，由于数字电位器无法实现连续调整，而只能按照数字电位器电阻网络中最小电阻值为步进来调节。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种ADC/DAC信号数字校正方法及系统，其目的在于，能够高精度、连续地调整ADC/DAC信号，解决传统机械式调解方式精度低、成本高的技术问题，以及现有数字式调解方式存在过冲和无法连续调整的技术问题。

一种ADC信号数字校正方法，包括以下步骤：

S1、初始化调节参数K；

S2、对外部模拟量采样并转换得到初始数字量Temp1；

S3、将初始数字量Temp1调节为输出量Vdisp＝Temp1*K；

S4、调整K值，直到输出量Vdisp等于输出目标值，保持此时的K值不变，将其作为最终的调节系数K值。

一种ADC信号数字校正系统，包括：

存储器，用于存储调节参数K值；

ADC模块，用于对外部模拟量采样并转换得到初始数字量Temp1；

处理器，用于从存储器调用K值，将初始数字量Temp1调节为输出量Vdisp＝Temp1*K，并将输出量Vdisp通过通信接口传送给上位机；

通信接口，用于上位机与处理器之间的信息交互；

上位机，用于调整K值，并将调整后的K值通过异步收发传输器反馈给中央处理器，直到输出量Vdisp等于输出目标值，将此时的K值作为最终的调节参数值，并通知处理器将此时的K值保存到存储器。

一种DAC信号数字校正方法，包括以下步骤：

T1、初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

T2、依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中寄存器能写入的最大值；

T3、DAC模块将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值；

T4、DAC模块将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝Vref*K3，K3为DAC模块的信号放大系数；

T5、设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，按照步骤T2～T4处理得到输出电压Vout的实际值，不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，将其作为最终的高端偏移值；

T6、设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，按照步骤T2～T4处理得到输出电压Vout的实际值,不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset 0，保持此时的DAmin值不变，将其作为最终的低端偏移值。

一种DAC信号数字校正系统，包括：

存储器，用于初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

处理器，用于从存储器调用高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin，依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中的寄存器能写入的最大值；

DAC模块，用于将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，进而将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝Vref*K3，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值，K3为DAC模块的信号放大系数；

通信接口，用于上位机与处理器之间的信息交互；

上位机，用于首先通知处理器设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，进而不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，通知处理器将其作为最终的高端偏移值保存到存储器；然后通知处理器设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，进而不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset 0，保持此时的DAmin值不变，通知处理器将其作为最终的低端偏移值保存到存储器。

一种DAC信号数字校正方法，包括以下步骤：

P1、初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

P2、依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中寄存器能写入的最大值；

P3、DAC模块将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值；

P4、DAC模块将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压值Vout＇＝K3*Vref，K3为DAC模块的信号放大系数；

P5、设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，按照步骤T2～T4得到输出电压Vout的实际值,不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset 0，保持此时的DAmin值不变，将其作为最终的低端偏移值；

P6、设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，按照步骤T2～T4得到输出电压Vout的实际值，不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，将其作为最终的高端偏移值。

一种DAC信号数字校正系统，包括：

存储器，用于初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

处理器，用于从存储器调用高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin，依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中的寄存器能写入的最大值；

DAC模块，用于将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，进而将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝K3*Vref，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值，K3为DAC模块的信号放大系数；

通信接口，用于上位机与处理器之间的信息交互；

上位机，用于首先通知处理器设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，进而不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset0，保持此时的DAmin值不变，通知处理器将其作为最终的低端偏移值保存到存储器；然后通知处理器设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，进而不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，通知处理器将其作为最终的高端偏移值保存到存储器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明后台在线确定调整用参数，将最终参数反馈给采样电路，实现连续地、高精度地在线校准。无需对设备进行开箱操作。这种方式不仅使用灵活，无硬件成本，操作方便，且在上电时无需调节，将直接得到期望结果，参与环路控制时也无温度系数影响。

附图说明

图1是本发明校准系统连接示意图；

图2是本发明校准系统操作界面示意图；

图3是本发明ADC信号数字校正方法流程图；

图4是本发明DAC信号数字校正方法流程图；

图5是本发明DAC调整参数在二维坐标系中对应关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明ADC/DAC信号数字校正系统主要功能是调节参数使之达到期望值，当调试开始时，初始化内部的EEPROM的调整参数，经计算后得到输出值，ADC信号数字校正系统将输出值与期望值比较，当两者相同时，记录此调节参数，并反馈给EEPROM模块，在下次上电时读取此参数参与计算。同理将所有要调节的参数都调节一次，即可对整个数字采集系统进行校准。

本发明ADC信号数字校正系统的硬件优选实施方式包括ADC模块、处理器CPU、电可擦写可编程只读存储器EEPROM、异步收发传输器UART和上位机。CPU的第一输入端连接ADC模块，第二输入端连接EEPROM，第三端连接UART。UART的一端连接处理器CPU，另一端连接上位机。

EEPROM主要是用来存放调节过程中的调节参数，它具有掉电数据不丢失功能，能在下次上电时读取之前的保存值供计算使用。

在ADC数字信号校正中，CPU的输出量＝ADC模块输出的数字量Temp1×K，只要改变系数K，就可以改变输出量并使之逼近目标测量值。将K值保存在EEPROM中，并在每次上电时系统自动读取K值并参与计算，即可得到准确采样值。

如图3所示，ADC信号数字校正的具体步骤如下：

(1)初始化EEPROM中的调节参数K；

(2)当一个模拟信号量被ADC模块采样时，它首先会被转换为数字量Temp1,这个数字量Temp1将会随着输入模拟信号的改变而改变。开启ADC模块开始采样第一通道的模拟信号，多次采样平均后得到此通道的ADC转换值Temp1，CPU将ADC模块输出的数字量Temp1调节为输出量Vdisp＝Temp1*K。

(3)在上位机，通过调整图2中①处的上下按钮，即可改变K值，每次改变K值时，上位机将会把K值经UART口送到CPU，CPU将把K代入到Vdisp＝Temp1*K中进行计算，得到新的Vdisp结果后，CPU立即将新的结果经UART口反馈到上位机显示，如图2中⑦处。

(4)通过参数调整区①处的上下按钮对应通道的K值来调节，在调整参数K时，可同时在信息反馈区中⑦处看到显示值的变化。当将此通道的显示值调整到与实测值接近时，停止调整。

(5)当通道停止调整时，UART模块在预定时间内没接收到调整指令时，EEPROM模块将自动保存调整结果K，完成此通道的显示校准。

(6)切换采样至下一通道，重复步骤1到5，即可完成其它通道的显示校准。

实例：

采样及处理系统中需要有中央处理器、ADC模块、EEPROM、UART，它们可以是分离的模块，也可以是集成在一个芯片里的，并不受局限。

假定以下使用场景，某目标输出电压为50.0V，而上位机显示电压为48.2V，系统要求设备显示误差小于0.1V。在ADC输入端，硬件采样模块中并无电位器调节输入信号幅度。

显示电压为：Vdisp＝Temp1*K………(1)

当显示电压为48.2V时，ADC模块将输入模拟信号离散后得到的值为Temp1,调整图2中的②处“电压量程”的向上按钮，即可在图2中的⑥处看到“输出电压”的改变。当调整到“输出电压”显示50.0V时结束调整，当设备UART串口超过200ms未收到调整指令时，将自动保存此次调整参数K到EEPROM中，待下次上电时自动加载EEPROM中K值，并代入公式(1)中进行计算，将得到50.0V的显示值，无需再进行调节。

与ADC信号数字校正系统相似，本发明DAC信号数字校正系统的优选实施方式包括DAC模块、CPU、EEPROM、UART和上位机。EEPROM用来存放调节过程中的调节参数DAmax、DAmin值。

如图4所示，DAC信号数字校正的具体步骤如下：

(1)系统上电初始化时自动读取EEPROM中的DAmax、DAmin值；

(2)CPU依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2：

Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为输出电压变量,K2为DAC模块的寄存器能写入的最大值。

(3)DAC模块将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2。

K1为电压输出参考值可取的最大值，K2为DAC模块的寄存器能写入的最大值。譬如，某DAC模块最大输出参考电压为2.5V，最大12位精度，则此DAC模块最大输出参考电压K1为2.5V，寄存器最大写入值K2为4095。

(4)DAC模块将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝Vref*K3，K3为DAC模块的信号放大系数。

(5)上位机通知处理器设定输出电压变量Vout等于高端输出目标值Vset1，不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，将其作为最终的高端偏移值，通知CPU写入EEPROM。K3为DAC模块的信号放大系数，由DAC模块中的信号放大器的具体电路决定。

(6)上位机通知CPU设定输出电压变量Vout等于低端输出目标值Vset0，不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset 0，保持此时的DAmin值不变，将其作为最终的低端偏移值，通知CPU写入EEPROM。

当通道停止调整时，传输模块在预定时段没接收到调整指令时，将自动保存调整结果DAmax和DAmin，完成此通道的输出校准。依此类推，即可将第二通道的DAC输出进行校准。至此，ADC/DAC系统校准即可完成，当程序下次上电初始化时程序将自动加载之前保存在EEPROM中的参数值，并代入计算，以获得精确的显示以及准确的输出电压。

上述步骤(5)和(6)可交换顺序亦可实现。

实例：

假定以下使用场景，某设备要求输出从50.0V到100.0V连续可调，最小调节步进0.1V，这就需要一个高精确度、连续可变的、线性基准电压做为参考点：当设定输出为50.0V时对应Vref端电压为Vref0,当设定输出电压为100.0V时对应Vref端电压为Vref1。而VoutSet为用户要求设定的输出电压目标值，界于50.0V到100.0V之间。为了提高调节精度，本发明实例将Vref、Vref0、Vref1同比例放大10倍，由此得到：

电压输出参考值为Vref＝Temp2*2.5/4095.....(2)....

Temp2＝(DAmax-DAmin)*(1000-VoutSet)/(1000-500)+(4095-DAmax) (3)

此式中Temp2取值为最终送入DAC寄存器中的值，写入Temp2将对应输出一个Vref。2.5为Vref输出最大电压值，4095为12位DAC模块寄存器能写入的最大值，1000为输出100.0V放大10倍后的结果，VoutSet为Vout放大10倍后的结果即VoutSet＝10*Vout，方便CPU以整数来计算，以达到最小步进0.1V调节的要求，500同理。各变量在二维坐标系中的对应关系如图5所示。

调整图2中的③处的上下按钮，使目标输出VoutSet为100.0V，通过调节参数调整区的④DAmax的上下按钮处来调整Vref，使得Vref值经过硬件电路反馈后稳定在100.0V。

调整图2中的③处的上下按钮，使输出Vout为50.0V，通过调节参数调整区的⑤DAmin的上下按钮处来调整Vref，使得Vref值经过硬件电路反馈后稳定在50.0V。

当调节图2中参数调整区中的④和⑤处DAmax、DAmin值时，上位机经由UART串口向信号采集系统发送调整后的DAmax、DAmin值，系统接收到参数后经过计算，把更改后的输出结果经UART串口回传到后台校准界面上，直到Vref值与设定值相同时方可结束调整。

当通道停止调整时，模块UART串口在200ms内没接收到调整指令时，将自动保存调整结果DAmax和DAmin到EEPROM中，完成此通道的输出校准。依此类推，即可将第二通道的DAC输出进行校准。调整结束重新上电初始化时，系统将自动读取EEPROM中调整后的DAmax、DAmin值，并代入公式(2)进行计算，输出对应的Vref电压，DAC校准程序流程图如图4所示。

至此，ADC/DAC系统校准即可完成，当程序下次上电初始化时程序将自动加载之前保存在EEPROM中的参数值，并代入计算，以获得精确的显示以及准确的输出电压。整个调试校准过程中无需对产品进行开箱操作，只需将工装夹具按要求连接好，打开调试电脑并运行用于校准的后台程序即可对待调模块进行校准，这将大大缩短调试时间。

需要说明的是，存储器除采用EEPROM外，还可采用其它非易失性存储器，如FLASH存储器；通信接口除采用UART串口外，还可采用如以太网口、CAN接口、USB接口等可用于数据通信的接口。

在实际调试时，将Vout、Vref0、Vref1同比例放大，是为了提高调节精度，放大倍数不限定于实例中的10倍，可根据具体系统需求和DAC的最小分辨率确定。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种DAC信号数字校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

T1、初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

T2、依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中寄存器能写入的最大值；

T3、DAC模块将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值；

T4、DAC模块将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝Vref*K3，K3为DAC模块的信号放大系数；

T5、设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，按照步骤T2～T4处理得到输出电压的实际值Vout＇，不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，将其作为最终的高端偏移值；

T6、设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，按照步骤T2～T4处理得到输出电压的实际值Vout＇,不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset 0，保持此时的DAmin值不变，将其作为最终的低端偏移值。

2.根据权利要求1所述的DAC信号数字校正方法，其特征在于，还对所述低端输出目标值Vset0、高端输出目标值Vset1、输出电压变量Vout同比例放大。

3.一种DAC信号数字校正系统，其特征在于，包括：

存储器，用于初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

处理器，用于从存储器调用高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin，依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中的寄存器能写入的最大值；

DAC模块，用于将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，进而将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝Vref*K3，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值，K3为DAC模块的信号放大系数；

通信接口，用于上位机与处理器之间的信息交互；

上位机，用于首先通知处理器设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，进而不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，通知处理器将其作为最终的高端偏移值保存到存储器；然后通知处理器设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，进而不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset0，保持此时的DAmin值不变，通知处理器将其作为最终的低端偏移值保存到存储器。

4.一种DAC信号数字校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

P1、初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

P2、依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中寄存器能写入的最大值；

P3、DAC模块将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值；

P4、DAC模块将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压值Vout＇＝K3*Vref，K3为DAC模块的信号放大系数；

P5、设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，按照步骤P2～P4得到输出电压的实际值Vout＇,不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset 0，保持此时的DAmin值不变，将其作为最终的低端偏移值；

P6、设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，按照步骤P2～P4得到输出电压的实际值Vout＇，不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，将其作为最终的高端偏移值。

5.一种DAC信号数字校正系统，其特征在于，包括：

存储器，用于初始化调节参数，包括高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin；

处理器，用于从存储器调用高端偏移值DAmax和低端偏移值DAmin，依据低端输出目标值Vset0和高端输出目标值Vset1计算数字输入量Temp2＝(DAmax-DAmin)*(Vset1-Vout)/(Vset1-Vset0)+(K2-DAmax)，Vout为设定输出电压,K2为DAC模块中的寄存器能写入的最大值；

DAC模块，用于将数字输入量Temp2转换为模拟量输出参考值Vref＝Temp2*K1/K2，进而将模拟量输出参考值Vref放大得到实际输出电压Vout＇＝K3*Vref，其中，K1为输出参考值Vref可取的最大值，K3为DAC模块的信号放大系数；

通信接口，用于上位机与处理器之间的信息交互；

上位机，用于首先通知处理器设定输出电压Vout等值于低端输出目标值Vset0，进而不断调整低端偏移值DAmin，直到实际输出电压Vout＇＝Vset0，保持此时的DAmin值不变，通知处理器将其作为最终的低端偏移值保存到存储器；然后通知处理器设定输出电压Vout等值于高端输出目标值Vset1，进而不断调整高端偏移值DAmax，直到实际输出电压Vout＇＝Vset1，保持此时的DAmax值不变，通知处理器将其作为最终的高端偏移值保存到存储器。