CN107070453B - 一种分段线性实时积分误差补偿方法及其积分电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分段线性实时积分误差补偿方法及其积分电路，该方法应用于长时间工作的积分电路中，具体包括：将积分器工作时间划分为N(N>1)个区间；确定每个区间的线性函数；通过线性函数对相应的区间进行积分误差补偿；其积分电路包括模拟积分电路模块、模数转换器模块、FPGA模块和数模转换器模块四个模块。本发明的方法简单，既解决了模拟积分器长时间工作存在的积分误差问题，又解决了由于采用单一固定漂移补偿所导致的过补偿或补偿不足问题，使积分器具备长时间稳定工作的优点。

Description

一种分段线性实时积分误差补偿方法及其积分电路
技术领域
本发明涉及积分器技术领域，具体地说是涉及一种适用于长时间工作过程中的分段线性实时积分误差补偿方法及其积分电路。
背景技术
积分器是用于对输入信号进行积分运算的电子设备，广泛应用于测量变化的磁场。在托卡马克放电实验过程中，许多电磁测量诊断信号的输出有效量均需要利用积分器还原，例如等离子体电流和位移的测量等。随着托卡马克核聚变装置放电稳定性不断提高、放电时间越来越长，短期目标为1000s，因此积分时间要求也越来越长，需要研制长时间低零漂的积分器。
构成积分电路的运算放大器以及分立元件电容、电阻等，由于这些器件的非理想性，造成了积分误差。在实际应用中，随着积分时间的增加漂移量逐渐增大。同时，也会引起积分器的非线性输出。
目前，国内外普遍采用固定漂移补偿来进行误差补偿。虽然实际模拟积分器的积分误差具有一定的单调性，但是其在整体上还是非线性误差，在1000s长时间内采用固定漂移补偿就会出现过补偿或补偿不足等情况，积分误差仍然存在而且可能更大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种应用于长时间工作过程中的分段线性实时积分误差补偿方法及其积分电路，所要解决的技术问题是如何进行分段线性误差补偿，消除模拟积分器误差，使积分电路长时间稳定工作。
本发明解决技术问题，所采用的技术方案如下：
本发明首先公开了一种分段线性实时积分误差补偿方法，其特征在于：
本发明分段线性实时积分误差补偿方法，其特点在于：设积分器工作时间为T，将积分器工作时间划分为N个区间，N为大于1的整数；确定每个区间对地积分的线性函数，然后利用每个区间的线性函数对相应区间进行积分误差补偿。具体包括如下步骤：
(1)首先将积分器输入端接地，使积分器对地积分，积分时间为T；然后以△t为采样间隔，采集积分时间T内积分器输出的模拟电压并转换为数字量(ti,vi)，其中ti为采样时刻，vi为采样时刻ti处对应的积分器输出电压，i＝0、1、2、3、……、n，n为采样点个数；
从t1开始，依次计算相邻两个采样时刻ti和ti+1之间的积分器输出电压差值△vi：△vi＝vi+1-vi；(即t0与t1之间的输出电压差值为△v0、t1与t2之间的输出电压差值为△v1、……)
设置阈值δ，依次比较△vi与阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti，然后以筛选出的采样时刻为区间分界限，将积分器工作时间T划分为N个区间；若所有的△vi皆小于δ，则重新调整阈值δ，直至使N>1；存储各个区间的起始数据和末端数据；
(2)用v＝at+b(a为斜率，b为截距)作为线性函数模型，采用两点法计算各区间对地积分的的线性函数：
假设第m个区间的起始数据和末端数据分别为(tp,vp)、(tq,vq)，则该区间的斜率
Figure BDA0001276201650000021
截距
Figure BDA0001276201650000022
线性函数为
Figure BDA0001276201650000023
m＝1、2、……、N；
(3)将积分器输入端连接输入信号，对输入信号进行积分，同时利用步骤(2)中求出的各区间对地积分的线性函数来补偿积分器对输入信号积分的误差：
假设在第m个区间的任意采样时刻tj积分器的输出电压为vOj，则补偿后的输出电压vO为vO＝vOj-amtj-bm。(其中amtj+bm即为第m个区间采样时刻tj处的积分误差)
本发明还公开了用于上述分段线性实时积分误差补偿方法的积分电路，其包括模拟积分电路模块、模数转换器(ADC)模块、FPGA模块和数模转换(DAC)模块四个模块；
所述模拟积分电路模块包括运算放大器、电容、电阻以及双掷电子开关，用于实现积分、切换输入信号以及对电容放电的功能；
所述ADC模块用于将所述模拟积分电路模块输出的模拟电压转换为数字量并送入FPGA模块内；
所述FPGA模块包括9个功能子模块：逻辑控制单元、ADC控制器、△v计算单元、△v判断单元、存储单元、线性函数求解存储单元、计时单元、误差补偿单元、DAC控制器；所述FPGA模块用于对接收到的数字量进行误差求解或误差补偿后输出至DAC模块；
所述DAC模块将补偿后的数字量转换为补偿后的模拟电压并输出。
所述逻辑控制单元用于产生逻辑控制信号，协调各个模块的工作时序；所述ADC控制器用于产生ADC控制信号，控制ADC模块的工作；所述△v计算单元用于在积分器对地积分时，计算相邻两个采样时刻之间的积分器输出电压差值△vi；所述△v判断单元用于比较△vi与设定阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti；所述存储单元用于存储所述△v判断单元筛选出的采样时刻以及各个区间的起始数据和末端数据；所述线性函数求解存储单元用于求解并存储积分器对地积分时各个区间的线性函数；所述计时单元用于在积分器对输入信号积分时，判断各采样时刻所处的区间；所述误差补偿单元用于根据各采样时刻所处的区间，调用该区间的线性函数，对积分器的输出电压进行补偿并输出给DAC模块；所述DAC控制器用于产生DAC控制信号，控制DAC模块的工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明方法简单，解决了采用固定漂移补偿所存在的过补偿或补偿不足的问题，减小了模拟积分器长时间工作存在的积分误差，保证积分器能够长时间稳定工作。
附图说明
下面将结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明分段线性实时积分误差补偿方法的示意图(以输入直流电压信号为例)；
图2为实现本发明分段线性实时积分误差补偿方法的积分电路示意图；
图3为本发明分段线性实时积分误差补偿方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例以直流电压作为输入信号。为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用附图配合详细的说明，说明如下：
本发明提出的采用随时间变化的分段线性实时积分误差补偿方法如下：
(1)首先将积分器输入端接地，使积分器对地积分，积分时间为T；然后以△t为采样间隔，采集积分时间T内积分器输出的模拟电压并转换为数字量(ti,vi)，其中ti为采样时刻，vi为采样时刻ti处对应的积分器输出电压，i＝0、1、2、3、……、n，n为采样点个数；
从t1开始，依次计算相邻两个采样时刻ti和ti+1之间的积分器输出电压差值△vi：△vi＝vi+1-vi；
设置阈值δ，依次比较△vi与阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti，然后以筛选出的采样时刻为区间分界限，将积分器工作时间T划分为N个区间；若所有的△vi皆小于δ，则重新调整阈值δ，直至使N>1；存储各个区间的起始数据和末端数据；阈值δ的设定会影响N的大小，可根据需要调整阈值。
(2)用v＝at+b作为线性函数模型，采用两点法计算各区间对地积分的的线性函数：
假设第m个区间的起始数据和末端数据分别为(tp,vp)、(tq,vq)，则该区间的斜率
Figure BDA0001276201650000031
截距
Figure BDA0001276201650000032
线性函数为
Figure BDA0001276201650000033
m＝1、2、……、N；
(3)将积分器输入端连接输入信号，对输入信号进行积分，同时利用步骤(2)中求出的各区间对地积分的线性函数来补偿积分器对输入信号积分的误差：
假设在第m个区间的任意采样时刻tj积分器的输出电压为vOj，则补偿后的输出电压vO为vO＝vOj-amtj-bm。
本实施例中输入信号为直流电压信号，则对信号积分以及积分误差补偿后的输出如图1所示。
基于上述的分段线性积分误差补偿方法，下面将详细介绍本发明的具体实现电路，见图2：
由图2所示，本发明的积分电路包括模拟积分电路模块、ADC模块、FPGA模块和DAC模块；
模拟积分电路模块包括运算放大器、电容、电阻以及双掷电子开关，用于实现积分、切换输入信号以及对电容放电的功能；运算放大器的负、正输入端分别连接电阻R1和R2，R1的另一端连接双掷电子开关k1，R2的另一端接地；双掷电子开关k1的两个端子分别连接输入信号和地；R1和运算放大器负输入端的连接处分别与积分电容器C、泄放电阻R3相连，积分电容器C的另一端连接双掷电子开关k2，k2的端子1连接运算放大器的输出端、端子2连接泄放电阻R3的另一端。
运算放大器的输出端连接ADC模块的输入。ADC模块用于将模拟积分电路模块输出的模拟电压转换为数字量并送入FPGA模块内；
FPGA模块包括9个功能单元：逻辑控制单元、ADC控制器、△v计算单元、△v判断单元、存储单元、线性函数求解存储单元、计时单元、误差补偿单元、DAC控制器；FPGA模块用于对接收到的数字量进行误差求解或误差补偿后输出至DAC模块。逻辑控制单元用于产生逻辑控制信号，协调各个模块的工作时序；ADC控制器用于产生ADC模块控制信号，控制ADC模块的工作；△v计算单元用于在积分器对地积分时，计算相邻两个采样时刻之间的积分器输出电压差值△vi；△v判断单元用于比较△vi与设定阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti；存储单元用于存储所述△v判断单元筛选出的采样时刻以及各个区间的起始数据和末端数据；线性函数求解存储单元用于求解并存储积分器对地积分时各个区间的线性函数；计时单元用于在积分器对输入信号积分时，判断各采样时刻所处的区间；误差补偿单元用于根据各采样时刻所处的区间，调用该区间的线性函数，对积分器的输出电压进行补偿并输出。
DAC模块将补偿后的数字量转换为模拟电压并输出。
工作时，首先FPGA模块的逻辑控制单元发出逻辑控制信号，使双掷电子开关k1接地、k2接端子1，使模拟积分电路模块对地积分时间T，并将模拟电压输出至ADC模块；FPGA模块的ADC控制器产生ADC模块控制信号，使ADC模块将模拟积分电路模块输出的模拟电压转换为数字量并送入FPGA模块内；△v计算单元计算相邻两个采样时刻之间的积分器输出电压差值△vi并传输给△v判断单元；△v判断单元比较△vi与设定阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti；存储单元存储△v判断单元筛选出的采样时刻以及各个区间的起始数据和末端数据；线性函数求解存储单元求解并存储积分器对地积分时各个区间的线性函数。FPGA模块的逻辑控制单元发出逻辑控制信号使双掷电子开关k2接端子2，积分电容C泄放。
然后，FPGA模块的逻辑控制单元再次发出逻辑控制信号，使双掷电子开关k1接输入信号v(t)、k2接端子1，使模拟积分电路模块对信号积分时间T；同时，启动计时模块，判断各采样时刻所处的区间。误差补偿单元根据各采样时刻所处的区间，调用该区间的线性函数，对积分器的输出电压进行补偿并输出给DAC模块。最后，DAC控制器产生DAC模块控制信号给DAC模块，将补偿后的数字量转换为模拟量输出。积分结束后，电子开关k2接端子2，使积分电容泄放。具体工作流程如图3所示。
具体的，模数转换器模块和数模转换器模块均采用ADI公司的16位并行ADC/DAC；FPGA模块采用Altera公司的CycloneⅡ系列器件。
以上所述仅为本发明的示例性实施例而已，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 (3)

1.一种分段线性实时积分误差补偿方法，其特征在于：设积分器工作时间为T，将积分器工作时间划分为N个区间，N为大于1的整数；确定每个区间对地积分的线性函数，然后利用每个区间的线性函数对相应区间进行积分误差补偿；具体包括如下步骤：
(1)首先将积分器输入端接地，使积分器对地积分，积分时间为T；然后以△t为采样间隔，采集积分时间T内积分器输出的模拟电压并转换为数字量(ti,vi)，其中ti为采样时刻，vi为采样时刻ti处对应的积分器输出电压，i＝0、1、2、3、……、n，n为采样点个数；
从t1开始，依次计算相邻两个采样时刻ti和ti+1之间的积分器输出电压差值△vi：△vi＝vi+1-vi；
设置阈值δ，依次比较△vi与阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti，然后以筛选出的采样时刻为区间分界限，将积分器工作时间T划分为N个区间；若所有的△vi皆小于δ，则重新调整阈值δ，直至使N>1；存储各个区间的起始数据和末端数据；
(2)用v＝at+b作为线性函数模型，采用两点法计算各区间对地积分的的线性函数：
假设第m个区间的起始数据和末端数据分别为(tp,vp)、(tq,vq)，则该区间的斜率
Figure FDA0002367794480000011
截距
Figure FDA0002367794480000012
线性函数为
Figure FDA0002367794480000013
(3)将积分器输入端连接输入信号，对输入信号进行积分，同时利用步骤(2)中求出的各区间对地积分的线性函数来补偿积分器对输入信号积分的误差：
假设在第m个区间的任意采样时刻tj积分器的输出电压为vOj，则补偿后的输出电压vO为vO＝vOj-amtj-bm。
2.一种用于权利要求1所述分段线性实时积分误差补偿方法的积分电路，其特征在于：包括模拟积分电路模块、ADC模块、FPGA模块和DAC模块；
所述模拟积分电路模块包括运算放大器、电容、电阻以及双掷电子开关，用于实现积分、切换输入信号以及对电容放电的功能；
所述ADC模块用于将所述模拟积分电路模块输出的模拟电压转换为数字量并送入FPGA模块内；
所述FPGA模块包括：逻辑控制单元、ADC控制器、△v计算单元、△v判断单元、存储单元、线性函数求解存储单元、计时单元、误差补偿单元、DAC控制器；所述FPGA模块用于对接收到的数字量进行误差求解或误差补偿后输出至DAC模块；
所述DAC模块用于将补偿后的数字量转换为模拟电压并输出。
3.根据权利要求2所述的积分电路，其特征在于：所述逻辑控制单元用于产生逻辑控制信号，协调各个模块的工作时序；所述ADC控制器用于产生ADC控制信号，控制ADC模块的工作；所述△v计算单元用于在积分器对地积分时，计算相邻两个采样时刻之间的积分器输出电压差值△vi；所述△v判断单元用于比较△vi与设定阈值δ的大小，并筛选出△vi≥δ所对应的所有采样时刻ti；所述存储单元用于存储所述△v判断单元筛选出的采样时刻以及各个区间的起始数据和末端数据；所述线性函数求解存储单元用于求解并存储积分器对地积分时各个区间的线性函数；所述计时单元用于在积分器对输入信号积分时，判断各采样时刻所处的区间；所述误差补偿单元用于根据各采样时刻所处的区间，调用该区间的线性函数，对积分器的输出电压进行补偿并输出给DAC模块；所述DAC控制器用于产生DAC控制信号，控制DAC模块的工作。
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