CN108021172A - 一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路，包括信号调理电路、ADC转换单元、隔离通信单元和校准单元，所述信号调理电路包括无源衰减网络及高频补偿电路、选通电路、电压跟随器、单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器，其中，所述无源衰减网络及高频补偿电路的输出端与所述选通电路的输入端连接，所述选通电路的输出端与所述电压跟随器的输入端连接。本发明还提供了一种随输入信号量程实时自适应调节和多调节量情况下最优精度自动校准的高频宽输入隔离采样和精度校准方法。本发明的有益效果是：实现了宽范围电压信号隔离、低噪声高速率的隔离采样，具备量程自适应调节和精度自动校准功能。

Description

一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路与方法

技术领域

本发明涉及隔离采样电路，尤其涉及一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路与方法。

背景技术

在航天电源系统、发动机系统、引擎系统和电力系统等重大工程项目复杂系统测试领域，待测信号从毫伏级至几百伏特级别范围，频率范围涉及直流至兆赫兹。对强电信号直接观察和测量时，在保证较高测量精度的同时，电气隔离的水平影响到人员和相关设备的安全，需保证测量电路与被测信号间、测量电路各通道间的电气隔离。例如，当大容量电容器快速充/放电时，若存在接地等不良情况，电容地(一般为大地)电位会出现浮动，因此在与大地非良好接触的情况下，若测量控制电路与电容器有直接电气连接，将导致控制电路地随负载地浮动，该现象会对控制电路的正常工作造成恶劣影响，甚至损坏控制电路，危及操作人员安全，因此对充电电压进行测量时，须将负载电容地与测量控制电路地隔离。对于三相变频器各相发射极电位不同，通道间加上固定高压测量，需要全通道绝缘隔离输入的测量设备也是源于此。测量对象之间的地电位不同时也需要测量。因此，如何实现宽范围电压信号隔离、低噪声高速率的隔离采样是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路与方法。

本发明提供了一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路，包括信号调理电路、ADC转换单元、隔离通信单元和校准单元，所述信号调理电路包括无源衰减网络及高频补偿电路、选通电路、电压跟随器、单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器，其中，所述无源衰减网络及高频补偿电路的输出端与所述选通电路的输入端连接，所述选通电路的输出端与所述电压跟随器的输入端连接，所述电压跟随器的输出端与所述单端转差分电路的输入端连接，所述述单端转差分电路的输出端与所述可控增益放大器的输入端连接，所述可控增益放大器的输出端与所述差分低通滤波器的输入端连接，所述差分低通滤波器的输出端与所述ADC转换单元的输入端连接，所述ADC转换单元的输出端与所述隔离通信单元的输入端连接，所述校准单元分别与所述选通电路、单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器、隔离通信单元连接。

作为本发明的进一步改进，所述校准单元包括第一调节单元，所述第一调节单元的输出端与所述单端转差分电路的校准端口连接，所述第一调节单元用于前级调零。

作为本发明的进一步改进，所述校准单元包括第二调节单元，所述第二调节单元的输出端与所述差分低通滤波器的校准端口连接，所述第二调节单元用于所述差分低通滤波器和所述ADC转换单元调零。

作为本发明的进一步改进，所述校准单元包括第三调节单元，所述第三调节单元的输出端与所述可控增益放大器连接，所述第三调节单元用于调节所述可控增益放大器。

作为本发明的进一步改进，所述校准单元包括第四调节单元，所述第四调节单元的输出端与所述选通电路连接，所述第四调节单元为高精度稳定直流信号源。

作为本发明的进一步改进，所述高频宽输入隔离采样电路还包括差分并行数据总线和串行数据总线，所述隔离通信单元分别与所述差分并行数据总线、串行数据总线连接。

作为本发明的进一步改进，所述ADC转换单元的输出端分别与所述单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器连接，所述隔离通信单元为电源和信号隔离电路。

本发明还提供了一种高频宽输入隔离采样和精度校准方法，基于上述中任一项所述的高频宽输入隔离采样电路进行随输入信号量程实时自适应调节控制程序和采样精度校准程序，所述随输入信号量程实时自适应调节控制程序包括：采用二分法，将测量量程由中间量程往大和小量程依次尝试，高速读取当前多点测量数据，求取相应最大值、最小值、均值、均方根值作为有效判定依据，并按阈值进行判断，假使在阈值范围内，则选定当前量程测量；若大于阈值，则往大量程重新判断；若小于阈值，则往小量程重新判断，重新读取当前数据并判断，直到找到最优量程为止。

作为本发明的进一步改进，在无外部输入条件下，所述采样精度校准程序为：进行信号调理电路的零偏校准和ADC转换单元的自身零偏及非线性校准，需校准的参数包括信号通道零点、幅度、偏置电压，通过校准单元和可控增益放大器协同完成，校准单元采用高精度、低积分非线性误差、低差分非线性误差、低噪声、低温漂的稳定电压输出作为校准调节单元，校准单元分为四个调节单元，第四调节单元作为高精度稳定直流信号源注入，向选通电路注入高精度补偿电压值，第一调节单元作为前级调零，第三调节单元调节可控增益放大器，第二调节单元对差分低通滤波器和ADC转换单元调零。

作为本发明的进一步改进，在多调节量条件下，所述采样精度校准程序为：分为非线性校准和零点校准，非线性校准修正的是输入输出关系曲线的增益，零点校准修正的是输入输出关系曲线的偏置，无源衰减网络及高频补偿电路，由于采用高精度低温漂无源器件，且已事先标定，不参与校准，校准流程中的内置信号源为已标定过的高精度稳定直流信号源，校准过程需硬件和软件协调完成自动化过程，按照设定量程设定第三调节单元，且设定高精度稳定直流信号源注入电压为0V，读取当前ADC值并求取均值，若均值不为0，则微调第一调节单元输出电压值和第二调节单元电压值，采用二分法快速找到合理的第一调节单元和第二调节单元取值，直至测量值的均值为0，保持当前第一调节单元和第二调节单元取值，按当前量程将内置的高精度稳定直流信号源输出细分为适量等份，并依次注入选通电路，读取ADC测量值并求取均值，拟合输入输出关系曲线，若曲线为线性，则保存当前量程输入输出比例值；若不为线性关系，则保存当前量程输入输出拟合关系数据，至此该量程校准完毕，开始下一级量程校准，直至所有量程校准完毕。

本发明的有益效果是：实现了高频宽输入范围电压信号隔离、低噪声高速率的隔离采样，具备量程自适应调节和精度自动校准功能。

附图说明

图1是本发明一种具多量程调节功能的高频宽输入隔离采样电路及可在无外部输入条件下的采样精度校准拓扑的示意图。

图2是本发明一种高频宽输入隔离采样和精度校准方法中随输入信号量程实时自适应调节控制程序的流程图。

图3是本发明一种高频宽输入隔离采样和精度校准方法中在多调节量条件下最优采样精度自动校准程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路，包括信号调理电路、ADC转换单元7、隔离通信单元8和校准单元9，所述信号调理电路包括无源衰减网络及高频补偿电路1、选通电路2、电压跟随器3、单端转差分电路4、可控增益放大器5、差分低通滤波器6，其中，所述无源衰减网络及高频补偿电路1的输出端与所述选通电路2的输入端连接，所述选通电路2的输出端与所述电压跟随器3的输入端连接，所述电压跟随器3的输出端与所述单端转差分电路4的输入端连接，所述述单端转差分电路4的输出端与所述可控增益放大器5的输入端连接，所述可控增益放大器5的输出端与所述差分低通滤波器6的输入端连接，所述差分低通滤波器6的输出端与所述ADC转换单元7的输入端连接，所述ADC转换单元7的输出端与所述隔离通信单元8的输入端连接，所述校准单元9分别与所述选通电路2、单端转差分电路4、可控增益放大器5、差分低通滤波器6、隔离通信单元8连接。通过信号固定衰减配合高频补偿、高带宽及宽调幅范围的信号可控衰减和放大、配合多级低通差分滤波和基于变压器隔离的隔离电源方案，实现高频宽输入范围的信号调理、噪声抑制、信号间隔离及多量程调节功能。

如图1所示，所述无源衰减网络及高频补偿电路1的输入端输入待测信号。

如图1所示，所述校准单元9包括第一调节单元91，所述第一调节单元91的输出端与所述单端转差分电路4的校准端口连接，所述第一调节单元91用于前级调零。

如图1所示，所述校准单元9包括第二调节单元92，所述第二调节单元92的输出端与所述差分低通滤波器6的校准端口连接，所述第二调节单元92用于所述差分低通滤波器6和所述ADC转换单元7调零。

如图1所示，所述校准单元9包括第三调节单元93，所述第三调节单元93的输出端与所述可控增益放大器5连接，所述第三调节单元93用于调节所述可控增益放大器5。

如图1所示，所述校准单元9包括第四调节单元94，所述第四调节单元94的输出端与所述选通电路91连接，所述第四调节单元94为高精度稳定直流信号源。

如图1所示，所述高频宽输入隔离采样电路还包括差分并行数据总线和串行数据总线，所述隔离通信单元8分别与所述差分并行数据总线、串行数据总线连接。

如图1所示，所述ADC转换单元7的输出端分别与所述单端转差分电路4、可控增益放大器5、差分低通滤波器6连接，所述隔离通信单元8为电源和信号隔离电路。

图1为具多量程调节功能的高频宽输入隔离信号调理拓扑及可在无外部输入条件下的采样精度校准电路拓扑的实现框图。通道允许高达几百伏特的高压输入信号，当外部高压信号进入模拟通道，由于可控增益放大器5衰减范围有限，在有源放大衰减电路前需先加入无源衰减网络，使信号调理通道对输入信号的调理倍数达到设计要求，且使得信号到达有源器件前端时幅度在器件允许输入范围内，与此同时，根据测量量程输入阻抗随之切换，以减小前后级电路的相互影响，并增强对后级电路的驱动能力。同时，采用高频补偿电路配合，以达到高带宽信号调理。多量程调节功能使得拓扑适用于宽电压范围，低压小信号也能被高精度地采样。核心模数转换高精度，高采样速率，低功耗的ADC芯片，双倍数据速率LVDS数字输出，采用LVDS输入作为差分或单端时钟驱动，满功率高带宽的采样保持器和超低抖动实现高频信号的欠采样和卓越的噪声性能，模拟差分输入和LVDS数字差分信号输出确保测量信号的数字化精度，避免失真或附加互扰噪声。

如图2所示，一种输入信号量程实时自适应调节的控制方法，基于上述中任一项所述的高频宽输入隔离采样电路进行随输入信号量程实时自适应调节控制程序，所述随输入信号量程实时自适应调节控制程序包括：采用二分法，将测量量程由中间量程往大和小量程依次尝试，高速读取当前多点测量数据，求取相应最大值、最小值、均值、均方根值作为有效判定依据，并按阈值进行判断，假使在阈值范围内，则选定当前量程测量；若大于阈值，则往大量程重新判断；若小于阈值，则往小量程重新判断，重新读取当前数据并判断，直到找到最优量程为止。该控制程序目的在于跟踪输入信号，辅助保护硬件电路，快速判断并获得更高的数据有效精度。

跟踪输入信号，采用二分法以实时快速自适应设置采样量程，获得更高的有效精度。同时在高压输入而初始设定量程不正确情况时快速切换并自适应调节量程，以保护硬件电路。

采样通路无源器件寄生参数随频率变化、运放失调电压和偏置电流等参数影响，导致测量值与真实值之间差异，需要对测量结果和硬件参数进行校准。环境变化和时间推移，器件的参数和特性将会发生变化，如导致时钟温漂、零点漂移等问题，使得测量结果不准确，此时也需要对零点和幅度等参数重新进行硬件校准。

在无外部输入条件下，所述采样精度自动校准程序为：进行信号调理电路的零偏校准和ADC转换单元7的自身零偏及非线性校准，需校准的参数包括信号通道零点、幅度、偏置电压，通过校准单元9和可控增益放大器5协同完成，校准单元9采用高精度、低积分非线性误差、低差分非线性误差、低噪声、低温漂的稳定电压输出作为校准调节单元，校准单元9分为四个调节单元，第四调节单元94作为高精度稳定直流信号源注入，向选通电路2注入高精度补偿电压值，第一调节单元91作为前级调零，第三调节单元93调节可控增益放大器5，第二调节单元92对差分低通滤波器6和ADC转换单元7调零。

如图3所示，在多调节量条件下，所述采样精度自动校准程序为：分为非线性校准和零点校准，非线性校准修正的是输入输出关系曲线的增益，零点校准修正的是输入输出关系曲线的偏置。无源衰减网络及高频补偿电路1，由于采用高精度低温漂无源器件，且已事先标定，不参与校准，校准流程中的内置信号源第四调节单元94为已标定过的高精度稳定直流信号源。校准过程需硬件和软件协调完成自动化过程，按照设定量程设定第三调节单元93，且设定高精度稳定直流信号源注入电压为0V，读取当前ADC值并求取均值，若均值不为0，则微调第一调节单元91输出电压值和第二调节单元92电压值，采用二分法快速找到合理的第一调节单元91和第二调节单元92取值，直至测量值的均值为0，保持当前第一调节单元91和第二调节单元92取值，按当前量程将内置的高精度稳定直流信号源输出细分为适量等份，并依次注入选通电路，读取ADC测量值并求取均值，拟合输入输出关系曲线，若曲线为线性，则保存当前量程输入输出比例值；若不为线性关系，则保存当前量程输入输出拟合关系数据，至此该量程校准完毕，开始下一级量程校准，直至所有量程校准完毕。通过配合采样精度校准拓扑，对线路中多个校准基点，完成多调节量情况下的最优精度自动校准。此时ADC前级信号调理电路可认定为黑盒，当前量程下测量值都由校准流程获得结果标定。

本发明提供的一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路，可量程自适应调节和精度自动校准，适用于高频宽电压范围的电压信号测量。该电路主要包括信号调理电路（无源衰减网络及高频补偿电路1、选通电路2、电压跟随器3、单端转差分电路4、可控增益放大器5、差分低通滤波器6）、ADC转换单元7、校准电路9、电源和信号隔离电路（电源隔离和LVDS隔离电路）的隔离通信单元8。无源衰减网络及高频补偿电路1的作用主要是按档位初步对宽范围输入信号进行降压。电压跟随器3增强驱动能力和提高输入阻抗。后级信号调理环节，单端转差分电路4有利于抑制包含零漂在内的共模噪声，以及抵消高速电路产生的同步开关噪声。可控增益放大器5可以实现进一步对信号的放大或缩小以满足垂直灵敏度。电源隔离和LVDS隔离电路的隔离通信单元8实现模拟电路之间隔离、模数信号隔离和数字信号与数字信号之间的变压器隔离。AD本身及信号调理电路影响，导致AD采样值与理论值之间存在误差，且该误差会在后续处理过程中累积，校准电路及算法作用在于对零偏校准和ADC转换单元7自身零偏及非线性校准，获得更高精度的AD值。

本发明提供的一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路，可用于航天器电源、高压充电电源、直流输电网络实时监控等领域的电压信号测量，实现高精度的电压采样。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：包括信号调理电路、ADC转换单元、隔离通信单元和校准单元，所述信号调理电路包括无源衰减网络及高频补偿电路、选通电路、电压跟随器、单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器，其中，所述无源衰减网络及高频补偿电路的输出端与所述选通电路的输入端连接，所述选通电路的输出端与所述电压跟随器的输入端连接，所述电压跟随器的输出端与所述单端转差分电路的输入端连接，所述述单端转差分电路的输出端与所述可控增益放大器的输入端连接，所述可控增益放大器的输出端与所述差分低通滤波器的输入端连接，所述差分低通滤波器的输出端与所述ADC转换单元的输入端连接，所述ADC转换单元的输出端与所述隔离通信单元的输入端连接，所述校准单元分别与所述选通电路、单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器、隔离通信单元连接。

2.根据权利要求1所述的高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：所述校准单元包括第一调节单元，所述第一调节单元的输出端与所述单端转差分电路的校准端口连接，所述第一调节单元用于前级调零。

3.根据权利要求2所述的高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：所述校准单元包括第二调节单元，所述第二调节单元的输出端与所述差分低通滤波器的校准端口连接，所述第二调节单元用于所述差分低通滤波器和所述ADC转换单元调零。

4.根据权利要求3所述的高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：所述校准单元包括第三调节单元，所述第三调节单元的输出端与所述可控增益放大器连接，所述第三调节单元用于调节所述可控增益放大器。

5.根据权利要求4所述的高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：所述校准单元包括第四调节单元，所述第四调节单元的输出端与所述选通电路连接，所述第四调节单元为高精度稳定直流信号源。

6.根据权利要求1所述的高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：所述高频宽输入隔离采样电路还包括差分并行数据总线和串行数据总线，所述隔离通信单元分别与所述差分并行数据总线、串行数据总线连接。

7.根据权利要求1所述的高频宽输入隔离采样和精度校准电路，其特征在于：所述ADC转换单元的输出端分别与所述单端转差分电路、可控增益放大器、差分低通滤波器连接，所述隔离通信单元为电源和信号隔离电路。

8.一种高频宽输入隔离采样和精度校准方法，其特征在于：基于如权利要求1至7中任一项所述的高频宽输入隔离采样电路进行随输入信号量程实时自适应调节控制程序和采样精度校准程序，所述随输入信号量程实时自适应调节控制程序包括：采用二分法，将测量量程由中间量程往大和小量程依次尝试，高速读取当前多点测量数据，求取相应最大值、最小值、均值、均方根值作为有效判定依据，并按阈值进行判断，假使在阈值范围内，则选定当前量程测量；若大于阈值，则往大量程重新判断；若小于阈值，则往小量程重新判断，重新读取当前数据并判断，直到找到最优量程为止。

9.根据权利要求8所述的高频宽输入隔离采样和精度校准方法，其特征在于：在无外部输入条件下，所述采样精度校准程序为：进行信号调理电路的零偏校准和ADC转换单元的自身零偏及非线性校准，需校准的参数包括信号通道零点、幅度、偏置电压，通过校准单元和可控增益放大器协同完成，校准单元采用高精度、低积分非线性误差、低差分非线性误差、低噪声、低温漂的稳定电压输出作为校准调节单元，校准单元分为四个调节单元，第四调节单元作为高精度稳定直流信号源注入，向选通电路注入高精度补偿电压值，第一调节单元作为前级调零，第三调节单元调节可控增益放大器，第二调节单元对差分低通滤波器和ADC转换单元调零。

10.根据权利要求9所述的高频宽输入隔离采样和精度校准方法，其特征在于：在多调节量条件下，所述采样精度校准程序为：分为非线性校准和零点校准，非线性校准修正的是输入输出关系曲线的增益，零点校准修正的是输入输出关系曲线的偏置，无源衰减网络及高频补偿电路，由于采用高精度低温漂无源器件，且已事先标定，不参与校准，校准流程中的内置信号源为已标定过的高精度稳定直流信号源，校准过程需硬件和软件协调完成自动化过程，按照设定量程设定第三调节单元，且设定高精度稳定直流信号源注入电压为0V，读取当前ADC值并求取均值，若均值不为0，则微调第一调节单元输出电压值和第二调节单元电压值，采用二分法快速找到合理的第一调节单元和第二调节单元取值，直至测量值的均值为0，保持当前第一调节单元和第二调节单元取值，按当前量程将内置的高精度稳定直流信号源输出细分为适量等份，并依次注入选通电路，读取ADC测量值并求取均值，拟合输入输出关系曲线，若曲线为线性，则保存当前量程输入输出比例值；若不为线性关系，则保存当前量程输入输出拟合关系数据，至此该量程校准完毕，开始下一级量程校准，直至所有量程校准完毕。