CN106918795A - 基于fpga的高精度电阻校准系统及采用该系统实现的电阻校准方法 - Google Patents

Abstract

基于FPGA的高精度电阻校准系统及采用该系统实现的电阻校准方法，属于电阻校准领域。解决了现有输出线性可调电阻的电阻校准系统结构复杂、精度和灵活性低的问题。它包括输入缓冲电路、数模转换电路、FPGA处理器、上位机和电源；FPGA处理器，根据上位机发出的指令信号，控制输入缓冲电路进行量程切换，还用于发出数字量控制信号对数模转换电路输出电压的幅值进行控制；所述的输入缓冲电路，用于将被侧仪器输出的激励电流信号转化为数字电压信号，数模转换电路，用于对接收的数字电压信号转化为模拟电压信号。本发明主要用于校准数字万用表等测量仪器的欧姆档。

Description

基于FPGA的高精度电阻校准系统及采用该系统实现的电阻校 准方法

技术领域

本发明属于电阻校准领域。

背景技术

高精度电阻校准系统通过数字控制，输出连续可调的高精度电阻值，电阻校准系统可用于检定万用表、多功能数字表等测量仪器。处理器应用FPGA解决在高精度系统设计、研发中遇到的实际问题，来达到节省系统成本、提升仪器稳准度、灵敏度的目的。

现有的电阻校准系统多采用模拟器件和电阻阵列来实现模拟电阻输出功能，通过程序控制输出端口电压和电流的比例关系，从而使得输出电阻线性可调。但此方法存在着系统组成复杂、成本较高、精度和灵活性较低的缺点，这种方法已无法满足当前测量仪器的校准需求。

发明内容

本发明是为了解决现有输出线性可调电阻的电阻校准系统结构复杂、精度和灵活性低的问题。本发明提供了一种基于FPGA的高精度电阻校准系统及采用该系统实现的电阻校准方法。

基于FPGA的高精度电阻校准系统，它包括输入缓冲电路、数模转换电路、FPGA处理器、上位机和电源；

FPGA处理器，根据上位机发出的指令信号，控制输入缓冲电路进行量程切换，还用于发出数字量控制信号对数模转换电路输出电压的幅值进行控制；

所述的输入缓冲电路，用于将被侧仪器输出的激励电流信号转化为数字电压信号，

数模转换电路，用于对接收的数字电压信号转化为模拟电压信号；

电源，用于对输入缓冲电路、数模转换电路和FPGA处理器进行供电。

所述的输入缓冲电路包括3个输入缓冲模块，3个输入缓冲模块的结构相同，分别定义为低量程输入缓冲模块、中量程输入缓冲模块和高量程输入缓冲模块；每个输入缓冲模块包括继电器组、放大器、电阻R1、电阻R2、电阻R_ref1、电阻R_ref2、电阻R_ref3和电阻R_ref4，且每个输入缓冲模块中电阻R_ref1、电阻R_ref2、电阻R_ref3和电阻R_ref4的阻值不同；

继电器组的控制端用于接收FPGA处理器输出的量程切换信号；

继电器组的电流输入端用于接收被侧仪器输出的电流信号；

继电器组的电压信号输出端与放大器的同相输入端连接，放大器的反相输入端同时与电阻R1的一端和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接电源地，电阻R2的另一端与放大器的电压信号输出端连接，并作为输入缓冲模块的电压信号出端；

继电器组的第一量程切换端子与电阻R_ref1的一端连接，继电器组的第二量程切换端子与电阻R_ref2的一端连接，继电器组的第三量程切换端子与电阻R_ref3的一端连接，继电器组的第四量程切换端子与电阻R_ref4的一端连接，

电阻R_ref1的另一端与电阻R_ref2的另一端、电阻R_ref3的另一端和电阻R_ref4的另一端同时接电源地。

所述的FPGA处理器嵌入有基于拟合算法的误差补偿IP核，且基于拟合算法的误差补偿IP核用于对输出电阻对应的数字控制量进行补偿。

所述的基于拟合算法的误差补偿IP核对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿的具体过程为：

步骤一，使用最小二乘法构建理想输出电阻与数字控制量间的初步拟合曲线，

步骤二，根据设定的允许误差值对初步拟合曲线采用迭代的方式进行去噪，获得去噪后的初步拟合曲线，

步骤三，采用插值法对去噪后的初步拟合曲线进行处理，从而获得实际输出电阻与补偿后的数字控制量间的控制曲线；

步骤四，根据电阻设定值在控制曲线上查找相应的数字控制量，该相应的数字控制量为补偿后的数字控制量，从而完成对电阻设定值所对应的数字控制量的补偿。

采用所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法，该方法包括如下步骤：

首先，上位机发出电阻设定值指令至FPGA处理器，FPGA处理器根据接收的电阻设定值指令确定相应的量程，并发出量程切换信号至输入缓冲电路，输入缓冲电路选定相应的校准量程，并根据选定的校准量程对被侧仪器输出的激励电流转化为数字电压信号；

其次，FPGA处理器根据接收的电阻设定值指令对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿，并将补偿后的数字控制量发送至数模转换电路，数模转换电路根据接收的补偿后的数字控制量对输入缓冲电路发出的数字电压信号进行数模转换，获得模拟电压信号；

最后，根据输入缓冲电路输出的模拟电压信号及被侧仪器输出的激励电流信号，获得用于校准被侧仪器的校准电阻，从而完成对被侧仪器电阻的校验。

采用基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法中，所述的FPGA处理器根据接收的电阻设定值指令对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿的具体过程为：

步骤一，使用最小二乘法构建理想输出电阻与数字控制量间的初步拟合曲线，

步骤二，根据设定的允许误差值对初步拟合曲线采用迭代的方式进行去噪，获得去噪后的初步拟合曲线，

步骤三，采用插值法对去噪后的初步拟合曲线进行处理，从而获得实际输出电阻与补偿后的数字控制量间的控制曲线；

步骤四，根据电阻设定值在控制曲线上查找相应的数字控制量，该相应的数字控制量为补偿后的数字控制量，从而完成对电阻设定值所对应的数字控制量的补偿。

本发明带来的有益效果是，本发明电阻校准系统结构简单，可直接用于校验数字万用表等测量仪器欧姆档，输入缓冲电路可对输入激励信号进行处理，同时具有多量程切换和误差补偿等功能，使得该系统可合成模拟电阻的范围广且能保证系统的稳定性。本发明通过改变输入数模转换电路的数字量即可控制其输出电压，控制简单且易于维护。

本发明所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统的校准精度最高可达十万分之三，达到国内领先水平。在系统设计基础上，进行了FPGA内部基于拟合算法的误差补偿IP核设计，该方法充分发挥了FPGA低成本、高可靠性、灵活性的特点，可进一步提高电阻校准系统的精度，测量精度可提高10％以上。

附图说明

图1为本发明所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统的原理示意图；

图2为输入缓冲电路的原理示意图；

图3为数模转换电路的一种电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统，它包括输入缓冲电路1、数模转换电路2、FPGA处理器3、上位机4和电源5；

FPGA处理器3，根据上位机4发出的指令信号，控制输入缓冲电路1进行量程切换，还用于发出数字量控制信号对数模转换电路2输出电压的幅值进行控制；

所述的输入缓冲电路1，用于将被侧仪器输出的激励电流信号转化为数字电压信号，

数模转换电路2，用于对接收的数字电压信号转化为模拟电压信号；

电源5，用于对输入缓冲电路1、数模转换电路2和FPGA处理器3进行供电。

本实施方式中，数模转换电路2可采用现有技术实现，具体可参见图2，本系统输出的高精度电阻主要用于校准数字万用表等测量仪器的欧姆档，而工程所用大部分测量仪器欧姆档测量原理为电流激励测试，因此，该系统在设计过程中主要是针对端口输入的固定电流激励信号进行处理，通过FPGA处理器3对系统端口两端电压进行控制，以输出所需阻值的模拟电阻。

根据图1所示，需要进行校准的数字万用表等测量仪器等效为电流源，各个量程的电流激励大小是固定的，电阻校准系统采集该固定电流并经过输入缓冲电路处理，输入缓冲电路将固定电流Ii转换为输入端固定电位Ui。根据上位机设定的输出电阻阻值，FPGA处理器计算出相应的数字量D并进行误差补偿等处理，将经过误差补偿的数字量D’送入数模转换器电路，控制该电路的输出电位Uo。由于电流Ii和输入端电位Ui是固定大小的，因此改变输出电位Uo及可改变模拟电阻输出端口电压U＝Ui-Uo，从而达到控制模拟电阻阻值的目的。

本发明所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统，使用FPGA作为处理器实现精确控制及误差补偿，可进一步提高输出合成电阻精度。

具体实施方式二：参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统的区别在于，所述的输入缓冲电路1包括3个输入缓冲模块，3个输入缓冲模块的结构相同，分别定义为低量程输入缓冲模块、中量程输入缓冲模块和高量程输入缓冲模块；每个输入缓冲模块包括继电器组1-1、放大器U1、电阻R1、电阻R2、电阻R_ref1、电阻R_ref2、电阻R_ref3和电阻R_ref4，且每个输入缓冲模块中电阻R_ref1、电阻R_ref2、电阻R_ref3和电阻R_ref4的阻值不同；

继电器组1-1的控制端用于接收FPGA处理器3输出的量程切换信号；

继电器组1-1的电流输入端用于接收被侧仪器输出的电流信号；

继电器组1-1的电压信号输出端与放大器U1的同相输入端连接，放大器U1的反相输入端同时与电阻R1的一端和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接电源地，电阻R2的另一端与放大器U1的电压信号输出端连接，并作为输入缓冲模块的电压信号出端；

继电器组1-1的第一量程切换端子与电阻R_ref1的一端连接，继电器组1-1的第二量程切换端子与电阻R_ref2的一端连接，继电器组1-1的第三量程切换端子与电阻R_ref3的一端连接，继电器组1-1的第四量程切换端子与电阻R_ref4的一端连接，

电阻R_ref1的另一端与电阻R_ref2的另一端、电阻R_ref3的另一端和电阻R_ref4的另一端同时接电源地。

本实施方式中，根据图3所示的电路设计原理图，输入电流首先经过参考电阻至R_ref1至R_ref4，切换参考电阻即可改变输出电阻量程范围，在量程切换电路中采用了双开关设计，即使用两个继电器选通一个基准电阻，双开关设计可减小继电器导通电阻引起的误差对系统精度的影响。电压经过同相比例放大电路处理后送入数模转换电路2，数模转换电路2主要包括模拟开关，数模转换器和反向放大电路。为了实现输出电阻量程范围尽可能广，设计了多个输入缓冲模块，分为低量程、中间量程和高量程，可分别对应0Ω-1KΩ、1KΩ-1MΩ和1MΩ-1GΩ的输出电阻，通过模拟开关来选择量程档位。经过输入缓冲模块处理的电压作为输入缓冲电路1的输入基准电压，FPGA控制数模转换器输出相应电压并经过反向放大电路作为系统输出。

具体实施方式三：参见图1至图说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统的区别在于，所述的FPGA处理器3嵌入有基于拟合算法的误差补偿IP核，且基于拟合算法的误差补偿IP核用于对输出电阻对应的数字控制量进行补偿。

本实施方式中，FPGA处理器3本身存在灵活性和可靠性高的特点，使得本系统更易扩展，稳定性和维护性更好。通过FPGA处理器3内部嵌入的误差补偿IP核对数据进行处理，消除了一部分误差，使本系统精度更高。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统的区别在于，所述的基于拟合算法的误差补偿IP核对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿的具体过程为：

步骤一，使用最小二乘法构建理想输出电阻与数字控制量间的初步拟合曲线，

步骤二，根据设定的允许误差值对初步拟合曲线采用迭代的方式进行去噪，获得去噪后的初步拟合曲线，

步骤三，采用插值法对去噪后的初步拟合曲线进行处理，从而获得实际输出电阻与补偿后的数字控制量间的控制曲线；

步骤四，根据电阻设定值在控制曲线上查找相应的数字控制量，该相应的数字控制量为补偿后的数字控制量，从而完成对电阻设定值所对应的数字控制量的补偿。

本实施方式，因此在设计误差补偿IP核时，首先需要设定电阻校准系统的最大允许误差值，使用最小二乘法计算并绘出相应曲线后，去除数据噪声，直到最大距离小于误差允许值为止。使用拟合算法构建的经过误差补偿的拟合控制曲线，并嵌入FPGA处理器中，可减小系统误差，提高精度。

具体实施方式五：参见图1至图3说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法，该方法包括如下步骤：

首先，上位机4发出电阻设定值指令至FPGA处理器3，FPGA处理器3根据接收的电阻设定值指令确定相应的量程，并发出量程切换信号至输入缓冲电路1，输入缓冲电路1选定相应的校准量程，并根据选定的校准量程对被侧仪器输出的激励电流转化为数字电压信号；

其次，FPGA处理器3根据接收的电阻设定值指令对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿，并将补偿后的数字控制量发送至数模转换电路2，数模转换电路2根据接收的补偿后的数字控制量对输入缓冲电路1发出的数字电压信号进行数模转换，获得模拟电压信号；

最后，根据输入缓冲电路1输出的模拟电压信号及被侧仪器输出的激励电流信号，获得用于校准被侧仪器的校准电阻，从而完成对被侧仪器电阻的校验。

具体实施方式六：参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法的区别在于，所述的FPGA处理器3嵌入有基于拟合算法的误差补偿IP核，且基于拟合算法的误差补偿IP核用于对输出电阻对应的数字控制量进行补偿。

具体实施方式七：参见图1至图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五所述的采用基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法的区别在于，所述的FPGA处理器3根据接收的电阻设定值指令对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿的具体过程为：

步骤一，使用最小二乘法构建理想输出电阻与数字控制量间的初步拟合曲线，

步骤二，根据设定的允许误差值对初步拟合曲线采用迭代的方式进行去噪，获得去噪后的初步拟合曲线，

步骤三，采用插值法对去噪后的初步拟合曲线进行处理，从而获得实际输出电阻与补偿后的数字控制量间的控制曲线；

步骤四，根据电阻设定值在控制曲线上查找相应的数字控制量，该相应的数字控制量为补偿后的数字控制量，从而完成对电阻设定值所对应的数字控制量的补偿。

图3中FPGA处理器3的串口模块接收上位机4的命令，将设定的电阻值传送至基于拟合算法的误差补偿IP核，然后根据电阻值切换相应量程，控制模拟开关IO和继电器IO输出相应通道命令，最后将经过误差补偿IP核处理过的数据送入数模转换器IO。

Claims (7)

1.基于FPGA的高精度电阻校准系统，其特征在于，它包括输入缓冲电路(1)、数模转换电路(2)、FPGA处理器(3)、上位机(4)和电源(5)；

FPGA处理器(3)，根据上位机(4)发出的指令信号，控制输入缓冲电路(1)进行量程切换，还用于发出数字量控制信号对数模转换电路(2)输出电压的幅值进行控制；

所述的输入缓冲电路(1)，用于将被侧仪器输出的激励电流信号转化为数字电压信号，数模转换电路(2)，用于对接收的数字电压信号转化为模拟电压信号；

电源(5)，用于对输入缓冲电路(1)、数模转换电路(2)和FPGA处理器(3)进行供电。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统，其特征在于，所述的输入缓冲电路(1)包括3个输入缓冲模块，3个输入缓冲模块的结构相同，分别定义为低量程输入缓冲模块、中量程输入缓冲模块和高量程输入缓冲模块；每个输入缓冲模块包括继电器组(1-1)、放大器(U1)、电阻R1、电阻R2、电阻R_ref1、电阻R_ref2、电阻R_ref3和电阻R_ref4，且每个输入缓冲模块中电阻R_ref1、电阻R_ref2、电阻R_ref3和电阻R_ref4的阻值不同；

继电器组(1-1)的控制端用于接收FPGA处理器(3)输出的量程切换信号；

继电器组(1-1)的电流输入端用于接收被侧仪器输出的电流信号；

继电器组(1-1)的电压信号输出端与放大器(U1)的同相输入端连接，放大器(U1)的反相输入端同时与电阻R1的一端和电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端接电源地，电阻R2的另一端与放大器(U1)的电压信号输出端连接，并作为输入缓冲模块的电压信号出端；

继电器组(1-1)的第一量程切换端子与电阻R_ref1的一端连接，继电器组(1-1)的第二量程切换端子与电阻R_ref2的一端连接，继电器组(1-1)的第三量程切换端子与电阻R_ref3的一端连接，继电器组(1-1)的第四量程切换端子与电阻R_ref4的一端连接，

电阻R_ref1的另一端与电阻R_ref2的另一端、电阻R_ref3的另一端和电阻R_ref4的另一端同时接电源地。

3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统，其特征在于，所述的FPGA处理器(3)嵌入有基于拟合算法的误差补偿IP核，且基于拟合算法的误差补偿IP核用于对输出电阻对应的数字控制量进行补偿。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统，其特征在于，所述的基于拟合算法的误差补偿IP核对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿的具体过程为：

步骤一，使用最小二乘法构建理想输出电阻与数字控制量间的初步拟合曲线，

步骤二，根据设定的允许误差值对初步拟合曲线采用迭代的方式进行去噪，获得去噪后的初步拟合曲线，

步骤三，采用插值法对去噪后的初步拟合曲线进行处理，从而获得实际输出电阻与补偿后的数字控制量间的控制曲线；

步骤四，根据电阻设定值在控制曲线上查找相应的数字控制量，该相应的数字控制量为补偿后的数字控制量，从而完成对电阻设定值所对应的数字控制量的补偿。

5.采用权利要求1所述的基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

首先，上位机(4)发出电阻设定值指令至FPGA处理器(3)，FPGA处理器(3)根据接收的电阻设定值指令确定相应的量程，并发出量程切换信号至输入缓冲电路(1)，输入缓冲电路(1)选定相应的校准量程，并根据选定的校准量程对被侧仪器输出的激励电流转化为数字电压信号；

其次，FPGA处理器(3)根据接收的电阻设定值指令对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿，并将补偿后的数字控制量发送至数模转换电路(2)，数模转换电路(2)根据接收的补偿后的数字控制量对输入缓冲电路(1)发出的数字电压信号进行数模转换，获得模拟电压信号；

最后，根据输入缓冲电路(1)输出的模拟电压信号及被侧仪器输出的激励电流信号，获得用于校准被侧仪器的校准电阻，从而完成对被侧仪器电阻的校验。

6.根据权利要求5所述的采用基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法，其特征在于，所述的FPGA处理器(3)嵌入有基于拟合算法的误差补偿IP核，且基于拟合算法的误差补偿IP核用于对输出电阻对应的数字控制量进行补偿。

7.根据权利要求5所述的采用基于FPGA的高精度电阻校准系统实现的电阻校准方法，其特征在于，所述的FPGA处理器(3)根据接收的电阻设定值指令对电阻设定值所对应的数字控制量进行补偿的具体过程为：

步骤一，使用最小二乘法构建理想输出电阻与数字控制量间的初步拟合曲线，

步骤二，根据设定的允许误差值对初步拟合曲线采用迭代的方式进行去噪，获得去噪后的初步拟合曲线，

步骤三，采用插值法对去噪后的初步拟合曲线进行处理，从而获得实际输出电阻与补偿后的数字控制量间的控制曲线；

步骤四，根据电阻设定值在控制曲线上查找相应的数字控制量，该相应的数字控制量为补偿后的数字控制量，从而完成对电阻设定值所对应的数字控制量的补偿。