CN108206696A - 一种自校准的a/d转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自校准的A/D转换电路，包括I/V转换电路、正电压基准模块、负电压基准模块、开关电路、电压跟随电路、比例运算电路、A/D转换模块、FPGA控制电路、DSP算法补偿电路以及通讯接口电路，输入电流依次经过所述I/V转换电路、开关电路、电压跟随电路和比例运算电路到达A/D转换模块进行模数转换，生成数字量通过所述FPGA控制电路发送至所述DSP算法补偿电路，所述DSP算法补偿电路根据所述正电压基准模块和负电压基准模块提供的基准电压计算补偿量，并对所述数字量进行补偿，补偿后的数字量通过通讯接口电路进行输出。

Description

一种自校准的A/D转换电路

技术领域

本发明涉及一种自校准的A/D转换电路。

背景技术

近年来，惯性测量技术越来越多的应用于导航外的其他领域及民用领域，惯性器件的误差是惯性系统的主要误差源，加速度计是惯性系统的核心部件之一，选用高精度的加速度计能够有效地提高惯性系统的测量精度，现代惯性系统中导航计算通常采用高性能的数字计算机，因此获取的加速度信息必须转换成数字信号才能为导航系统所用，国内许多惯性系统采用I/F转换，这种电路工作稳定可靠、精度高，其技术状态很成熟，与I/F转换相比，A/D转换具有体积小，动态范围大和成本低等特点。多用户出于成本考虑提出了惯性器件加A/D转换电路的惯性测量方案，目前，选用高分辨率的A/D芯片对加速度计输出进行A/D转换得到了广泛应用。因此，对A/D转换电路标度因数及零偏的时漂、温漂、长期稳定性等指标提出了较高要求。然而，高分辨率的A/D转换芯片的输出精度受温度漂移、线性度等因素的影响较大，在系统应用中必须加以补偿。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

为解决上述问题，本发明提出一种自校准的A/D转换电路。

一种自校准的A/D转换电路，包括I/V转换电路、正电压基准模块、负电压基准模块、开关电路、电压跟随电路、比例运算电路、A/D转换模块、FPGA控制电路、DSP算法补偿电路以及通讯接口电路，输入电流依次经过所述I/V转换电路、开关电路、电压跟随电路和比例运算电路到达A/D转换模块进行模数转换，生成数字量通过所述FPGA控制电路发送至所述DSP算法补偿电路，所述DSP算法补偿电路根据所述正电压基准模块和负电压基准模块提供的基准电压计算补偿量，并对所述数字量进行补偿，补偿后的数字量通过通讯接口电路进行输出。

本发明提供的自校准的A/D转换电路，有效地提高了惯性测量系统中使用的A/D转换电路的标度因数非线性指标和标度因数不对称性指标。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的自校准的A/D转换电路一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或者更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

参考图1，本实施例提供一种自校准的A/D转换电路，包括I/V转换电路1、正电压基准模块2、负电压基准模块3、开关电路4、电压跟随电路5、比例运算电路6、A/D转换模块7、FPGA控制电路8、DSP算法补偿电路9以及通讯接口电路10，输入电流依次经过I/V转换电路1、开关电路4、电压跟随电路5和比例运算电路6到达A/D转换模块7进行模数转换，生成数字量通过FPGA控制电路8发送至DSP算法补偿电路9，DSP算法补偿电路9根据正电压基准模块2和负电压基准模块3提供的基准电压计算补偿量，并对数字量进行补偿，补偿后的数字量通过通讯接口电路进行输出。

具体地，假设输入电流为I时的输出为D，I/V转换电路1的增益KI、引入的零偏I₀，则：

I＝{(D-D₀)/[(D_基准—D₀)/V₀]-I₀}/KI； (1)

自校准电路的I/V转换电路1的增益KI及引入的零偏I0不进行校准，会引入误差。实际应用中，I/V转换电路1选用一个高精度采样电阻实现，所引入的零偏I0取决于模拟开关的漏电以及电压跟随运放的输入偏置电流，二者的稳定性应可以控制在nA量级及以下，可以忽略，增益KI取决于采样电阻，可选用低漂移电阻；因此，可不考虑对I₀及KI的实时校准。

由于实际工作中正负方向存在不对称性，经过(1)式进行等价变换，可以得到正负I/D转换两个模型方程：

I′₊＝[(D₊-D₀)/(D_+基准-D₀)]-I′₀₊； (2)

I′_-＝[(D_--D₀)/(D_-基准-D₀)]-I′_0-； (3)

其中，I'₊为输入正电流，D₊为I'₊对应的数字量输出，D_+基准为正基准电压对应的数字输出，D₀为跟随输入端接0时对应的数字输出，I'₀₊为当I'₊为0时计算出的数字量的偏置，I'_-为输入负电流，D_-为I'_-对应的数字量输出，D_-基准为负基准电压对应的数字输出，I'_0-为当I'_-为0时计算出的数字量的偏置。

将I′₊、I′_-修正到理论标度因数，修正因子分别记为Z+、Z-，修正后：

I″₊＝Z₊·I′₊； (4)

I″_-＝Z_-·I′_-；(5)

其中，I″₊为理论正标度因数，I″_-为理论负标度因数，Z₊为修正正因子，Z_-为修正负因子。

自校准电路分为初始校准和实时校准2个步骤：

初始校准：

自校准电路预热5分钟以上，是电路达到稳定状态；

自校准电路校零时将开关电路4切换到GND，0电压通过开关电路4接入电压跟随电路5的输入端，FPGA控制电路8采集到的数字量为D₀；

自校准电路校正标度因数时，将开关电路4切换到正电压基准2，正基准电压通过开关电路4接入电压跟随电路5的输入端。设正基准电压为V_基准+，FPGA控制电路8采集到的数字量为D_基准+；

自校准电路校负标度因数时，将开关电路4切换到负电压基准3，负基准电压通过开关电路4接入电压跟随电路5的输入端。设负基准电压为V_基准-，FPGA控制电路8采集到的数字量为D_基准-；

利用(2)式、(3)计算出I′₀₊、I′_0-；

令I＝0(电流输入端悬空)，则I′₊＝0，I′_-＝0，标定出此时的D；

令I＝1mA，利用(2)式计算出I′₊，根据(4)式将I′₊修正到理论标度因数I″₊，计算出修正因子Z+；

令I＝-1mA，利用(5)式计算出I′_-，将I′_-修正到理论标度因数I″_-，计算出修正因子Z-；

将参数I′₀₊、I′_0-、Z+、Z-作为常量写入DSP算法补偿电路9，将D0、D_+基准、D_-基准作为参考量写入算法补偿单元。

实时校准：

实时校准在产品工作时进行，步骤如下：

上电后，系统开始工作，此时因电路未校准，数据无效，可理解为启动时间，利用初始校准得到的D₀、D_+基准、D_-基准进行数据补偿，补偿后的数据通过串口发出；

将电压跟随单元输入端接地，标定出D₀；

将电压跟随单元输入端接正电压基准，标定出D_+基准；

将电压跟随单元输入端接负电压基准，标定出D_-基准；

利用(2)、(3)、(4)、(5)式进行数据补偿，补偿后的数据通过串口发出。

每5ms重复上述步骤，完成D₀、D_+基准、D_-基准参数的校准更新，如此反复，实现实时校准。

本发明提供的自校准的A/D转换电路，有效地提高了惯性测量系统中使用的A/D转换电路的标度因数非线性指标和标度因数不对称性指标。将标度因数指标和非线性指标直接提升了2个数量级，由原来的-3量级提升至-5量级。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (2)

1.一种自校准的A/D转换电路，其特征在于，包括I/V转换电路、正电压基准模块、负电压基准模块、开关电路、电压跟随电路、比例运算电路、A/D转换模块、FPGA控制电路、DSP算法补偿电路以及通讯接口电路，输入电流依次经过所述I/V转换电路、开关电路、电压跟随电路和比例运算电路到达A/D转换模块进行模数转换，生成数字量通过所述FPGA控制电路发送至所述DSP算法补偿电路，所述DSP算法补偿电路根据所述正电压基准模块和负电压基准模块提供的基准电压计算补偿量，并对所述数字量进行补偿，补偿后的数字量通过通讯接口电路进行输出。

2.根据权利要求1所述的自校准的A/D转换电路，其特征在于，所述补偿量通过以下公式进行计算：

I′₊＝[(D₊-D₀)/(D_+基准-D₀)]-I′₀₊；

I′_-＝[(D_--D₀)/(D_-基准-D₀)]-I′_0-；

I″₊＝Z₊·I′₊；

I″_-＝Z_-·I′_-：

其中，I'₊为输入正电流，D₊为I'₊对应的数字量输出，D_+基准为正基准电压对应的数字输出，D₀为跟随输入端接0时对应的数字输出，I'₀₊为当I'₊为0时计算出的数字量的偏置，I'_-为输入负电流，D_-为I'_-对应的数字量输出，D_-基准为负基准电压对应的数字输出，I'_0-为当I'_-为0时计算出的数字量的偏置，I″₊为理论正标度因数，I″_-为理论负标度因数，Z₊为修正正因子，Z_-为修正负因子。