CN110572157A - 一种i/f变换电路板的温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种I/F变换电路板的温度补偿方法，使得I/F变换电路板的输入电流通过电流/电压转换以及滤波电路后进入一片高精度A/D芯片采集并转换成数字量，此数字量就对应了当前输入的电流值；数字量进入误差校正电路，结合当前模块温度信息获得校正后的数值，消除零偏、温漂和非线性误差，再送至直接频率合成式脉冲生成电路产生所需的频率脉冲，其中A/D芯片采用逐次逼近或∑‑Δ型架构，量化位数达到16bit以上。本发明具有的优点是不需要依靠外部恒温措施提高温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种变换电路领域，尤其涉及一种I/F变换电路板的温度补偿方法。
背景技术
目前，在高精度惯性组合导航系统中，加速度测量传感器普遍采用石英加速度计，而石英加速度计输出为电流信号，在高精度惯性组合导航系统必须将电流信号转换为数字信号才能进行导航等处理；针对将电流信号转换为数字信号，在高精度的模数转换中普遍采用I/F变换电路板的温度补偿方法，以实现电流至频率的模数变换。
如图1所示，传统地I/F转换电路是纯硬件电路，输入电流进入到运放和电容组成的积分器，从而形成斜坡状积分电压，积分电压进入电压比较器进行上下门限比较，电压超限时通过逻辑控制单元输出控制脉冲，接通正恒流源或者负恒流源泄放积分电压；并且上述过程周而复始形成周期化脉冲，其频率与积分电压呈上升斜率，即输入电流成正比，以得到I/F转换的效果。
针对上述的传统结构，其具有的稳定性、精度，尤其是温度稳定性，完全依赖于硬件电路本身的特性，任何温度补偿措施都只能以硬件电路的形式勉强插入，甚至依靠外部恒温措施，不满足本产品对温度稳定性(标度因数温度系数)和体积功耗的严格要求；其它指标，例如零偏、二阶线性度，也存在同样问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是公开一种I/F变换电路板的温度补偿方法，将I/F变换电路板的输入电流通过电流/电压转换以及滤波电路后进入一片高精度A/D芯片采集并转换成数字量，此数字量就对应了当前输入的电流值；数字量进入误差校正电路，结合当前模块温度信息获得校正后的数值，消除零偏、温漂和非线性误差，再送至直接频率合成式脉冲生成电路产生所需的频率脉冲，进而解决了需要依靠外部恒温措施提高温度稳定性的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种I/F变换电路板的温度补偿方法，该I/F变换电路板上分别连接有电源电路和ADC测量模块，所述ADC测量模块通过加法器电路连接有数字补偿模块、所述数字补偿模块通过脉冲生成电路与DDS频率合成模块合成有固定宽度的频率脉冲，其中所述ADC测量模块和DDS频率合成模块由温补晶振时钟源驱动；其温度补偿的具体步骤如下：
(1)采用ADC测量模块和数字补偿模块将I/F变换电路板的输入电流转换成频率控制字；其具体过程包括：
(1-1)将I/F变换电路板的输入电流的电流X、电流Y、电流Z转换为积分电压；所述ADC测量模块包括ADC芯片、以及分别与ADC芯片连接的输入调理电路、测温电路；所述输入调理电路是由I/V转换电路、开关积分滤波电路两部分级联而成；其中所述I/F变换电路板的输入电流分为电流X、电流Y及电流Z，所述I/V转换电路将电流X、电流Y、电流Z分别转换得到的电压信号输送到开关积分滤波电路内，所述开关积分滤波电路在逻辑节拍的控制下对每个ADC芯片采样时隙内的电压信号进行短时积分，以将所得积分电压送给ADC芯片采集；
(1-2)采集表征I/F变换电路板温度值的数字量；所述测温电路是由固定电阻与热敏电阻串联而成，对其VCC和GND取点，以使所述固定电阻和热敏电阻形成分压，并将所述固定电阻两端电压馈入步骤S1中ADC芯片的差分参考电压输入端作为ADC芯片的参考电压；将热敏电阻两端电压馈入步骤S1中ADC芯片的差分输入端进行采集，以得到ADC芯片采样的温度值；其中所述热敏电阻为线性正温度系数PT1000热敏电阻；
(1-3)采用数字补偿模块对步骤S1采集的积分电压、步骤S2采集的温度值数字量进行误差修正；所述数字补偿模块采用的是数字校正电路，其中数字校正电路包括供步骤S1和步骤S2采集数据输入的误差校正表格、输出修正后数据的异步Flash芯片，其中所述误差校正表格具有2个输入量和1个输出量，其中2个输入量分别为电流数据和温度数据，输出量为误差修正量；而所述异步Flash芯片将误差修正量输出，并将误差修正量与步骤S1、步骤S2采集的数据通过加法器电路累加得到频率控制字，其中误差修正量依靠生产测试阶段用标准电流源标定而得；
(2)将频率控制字送至DDS频率合成模块产生频率脉冲，具体过程如下：
(2-1)DDS频率合成模块内置有DAC转换器和电压比较器，所述DAC转换器产生的正弦信号反馈回电压比较器得到方波频率信号输出；
(2-2)方波频率信号进入脉冲生成电路，与频率控制字中的极性标志一起产生分别与电流X、电流Y、电流Z成正比的±脉冲X、±脉冲Y、±脉冲Z的频率脉冲。
通过上述技术方案，本发明将I/F变换电路板的输入电流通过电流/电压转换以及滤波电路后进入一片高精度A/D芯片采集并转换成数字量，即将模拟电压值转换为电压数字量，使得电压数字量就对应了当前输入的电流值；数字量进入误差校正电路，结合当前模块温度信息和Flash存储器查表以获得校正后的数值，消除零偏、温漂和非线性误差，再送至直接频率合成式脉冲生成电路产生所需的频率脉冲，其中A/D芯片采用逐次逼近或∑-Δ型架构，量化位数达到16bit以上，解决了现有需要依靠外部恒温措施提高温度稳定性的问题。另外，脉冲生成电路由若干数字逻辑器件构成，主要过程是检测输入信号的上升沿，并依据当前极性标志产生触发产生固定宽度的正频率或者负频率脉冲。
进一步地，所述电源电路包括3路电源：+5V，+15V，-15V；其中+5V用于产生给DDS频率合成模块、数字补偿模块供电的数字电源，±15V用于产生给ADC测量模块、测温电路供电的模拟电源。
通过上述技术方案，I/F变换电路板从J30J连接器引入3路电源：+5V，+15V，-15V；其中+5V用于产生所有数字电源，±15V用于产生模拟电源，包括用于运放工作的±12V电源和给ADC测量模块的+5V电源；为了改善DDS频率合成模块工作的稳定性，+5V单独产生独立的3.3V电源给DDS频率合成模块供电；其余电路，包括Flash存储器和时序控制采用一路统一的3.3V供电；并且在3路电源：+5V，+15V，-15V的输入都加有二极管防反接和磁珠、电容的滤波电路。
进一步地，所述电源电路的输出端设置有06030R电阻供断开检测。
进一步地，所述温补晶振时钟源为16MHz时钟，16MHz时钟扇出驱动三路DDS；并且16MHz时钟通过分频器分至100KHz后，100KHz时钟扇出驱动四路ADC。
通过上述技术方案，驱动四路ADC和驱动三路DDS都设有与16MHz时钟连接的时钟引脚，以便时钟信号的接入。
进一步地，所述I/F变换电路板包括积分电路，与积分电路连接的电压比较电路，与电压比较电路连接的逻辑控制模块，分别与积分电路、逻辑控制模块连接的开关电路，以及与开关电路连接的恒流源电路；其中恒流源电路包括与开关电路连接的正恒流源和负恒流源。
进一步地，所述误差校正表格是由全温度范围内取用若干温度测试点，每个温度点均通过软件脚本驱动仪器进行全量程的校准操作，并以温度为行向、以电流为列向形成的二维误差矩阵。
进一步地，所述误差校正表格固化于异步Flash芯片内供查表。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用开关积分滤波电路，其将两个采样点之间的信号变化过程积分为一个单电压值供ADC芯片采集，有效的避免了栅栏效应，确保整个传函过程可以充分利用所有的模拟波形信息，以达到最优精度；
2、由于输入电流首先进入I/V转换电路，而这部分电路是完全线性的，不存在电容漏电流的泄漏积累效应；并且I/V转换内的运算放大器会有nA级的微弱漏电流，其影响不会有阈值效果，而是会被计入零偏，并最终被数字矫正。
3、I/F变换电路板的电流通过电流/电压转换以及滤波电路后进入一片高精度A/D芯片采集并转换成数字量，此数字量就对应了当前输入的电流值；数字量进入误差校正电路，结合当前模块温度信息获得校正后的数值，消除零偏、温漂和非线性误差，再送至直接频率合成式脉冲生成电路产生所需的频率脉冲，其中A/D芯片采用逐次逼近或∑-Δ型架构，量化位数达到16bit以上。
附图说明
图1是背景技术的示意图；
图2是本发明的流程框图；
图3是本发明的原理框图；
图4是本发明体现测温电路的原理框图；
图5是本发明体现时钟电路原理框图；
图6是本发明体现数字校正电路的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
一种I/F变换电路板的温度补偿方法，该I/F变换电路板上分别连接有电源电路和ADC测量模块，所述ADC测量模块通过加法器电路连接有数字补偿模块、所述数字补偿模块通过脉冲生成电路与DDS频率合成模块合成有固定宽度的频率脉冲，其中所述ADC测量模块和DDS频率合成模块由温补晶振时钟源驱动；如图2和图3所示，其温度补偿的具体步骤如下：
环节1：采用ADC测量模块和数字补偿模块将I/F变换电路板的输入电流转换成频率控制字；
步骤S1:将I/F变换电路板的输入电流转换为积分电压；所述ADC测量模块包括ADC芯片、以及分别与ADC芯片连接的输入调理电路、测温电路(见图4)；输入调理电路是由I/V转换电路、开关积分滤波电路两部分级联而成；其中I/F变换电路板的输入电流分为电流X、电流Y及电流Z，I/V转换电路将电流X、电流Y、电流Z分别转换得到的电压信号输送到开关积分滤波电路内，开关积分滤波电路在逻辑节拍的控制下对每个ADC芯片采样时隙内的电压信号进行短时积分，以将所得积分电压送给ADC芯片采集，且采样时隙是采样时钟频率的倒数；
步骤S2:采集表征I/F变换电路板温度值的数字量；如图4所示，测温电路是由固定电阻与热敏电阻串联而成，对其VCC和GND取点，以使所述固定电阻和热敏电阻形成分压，并将固定电阻两端电压馈入步骤S1中ADC芯片的差分参考电压输入端作为ADC芯片的参考电压；将热敏电阻两端电压馈入步骤S1中ADC芯片的差分输入端进行采集，以得到ADC芯片采样的温度值；其中热敏电阻为线性正温度系数PT1000热敏电阻；
步骤S3:采用数字补偿模块对步骤S1和步骤S2采集的数据进行误差修正，并依靠标准电流源来校准；如图6所示，数字补偿模块采用的是数字校正电路，其中数字校正电路包括供步骤S1和步骤S2采集数据输入的误差校正表格、输出修正后数据的异步Flash芯片，其中所述误差校正表格具有2个输入量和1个输出量，其中2个输入量分别为电流数据和温度数据，输出量为误差修正量；而所述异步Flash芯片将误差修正量输出，并将误差修正量与步骤S1、步骤S2采集的数据通过加法器电路累加得到频率控制字；
环节2：将频率控制字送至DDS频率合成模块产生频率脉冲；
步骤S4:DDS频率合成模块内置有DAC转换器和电压比较器，所述DAC转换器产生的正弦信号反馈回电压比较器得到方波频率信号输出；
步骤S5：方波频率信号进入脉冲生成电路，与频率控制字中的极性标志一起产生分别与电流X、电流Y、电流Z成正比的±脉冲X、±脉冲Y、±脉冲Z的频率脉冲；其中脉冲生成电路由若干数字逻辑器件构成，主要检测方波频率信号的上升沿，并依据极性标志产生触发，进而产生固定宽度的正频率或者负频率脉冲。
在上述方案的基础上，电源电路包括3路电源：+5V，+15V，-15V；其中+5V用于产生给DDS频率合成模块、数字补偿模块供电的数字电源，±15V用于产生给ADC测量模块、测温电路供电的模拟电源。
在上述方案的基础上，电源电路的输出端设置有06030R电阻供断开检测。
在上述方案的基础上，温补晶振时钟源优选地为16MHz时钟，如图5所示，16MHz时钟扇出驱动三路DDS；并且16MHz时钟通过分频器分至100KHz后，100KHz时钟扇出驱动四路ADC。
在上述方案的基础上，I/F变换电路板包括积分电路，与积分电路连接的电压比较电路，与电压比较电路连接的逻辑控制模块，分别与积分电路、逻辑控制模块连接的开关电路，以及与开关电路连接的恒流源电路；其中恒流源电路包括与开关电路连接的正恒流源和负恒流源。
在上述方案的基础上，误差校正表格是由全温度范围内取用若干温度测试点，每个温度点均通过软件脚本驱动仪器进行全量程的校准操作，并以温度为行向、以电流为列向形成的二维误差矩阵；并且误差校正表格固化于异步Flash芯片内供查表。
以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，该I/F变换电路板上分别连接有电源电路和ADC测量模块，所述ADC测量模块通过加法器电路连接有数字补偿模块、所述数字补偿模块通过脉冲生成电路与DDS频率合成模块合成有固定宽度的频率脉冲，其中所述ADC测量模块和DDS频率合成模块由温补晶振时钟源驱动；其温度补偿的具体步骤如下：
(1)采用ADC测量模块和数字补偿模块将I/F变换电路板的输入电流转换成频率控制字；其具体过程包括：
(1-1)将I/F变换电路板的输入电流的电流X、电流Y、电流Z转换为积分电压；所述ADC测量模块包括ADC芯片、以及分别与ADC芯片连接的输入调理电路、测温电路；所述输入调理电路是由I/V转换电路、开关积分滤波电路两部分级联而成；其中所述I/F变换电路板的输入电流分为电流X、电流Y及电流Z，所述I/V转换电路将电流X、电流Y、电流Z分别转换得到的电压信号输送到开关积分滤波电路内，所述开关积分滤波电路在逻辑节拍的控制下对每个ADC芯片采样时隙内的电压信号进行短时积分，以将所得积分电压送给ADC芯片采集；
(1-2)采集表征I/F变换电路板温度值的数字量；所述测温电路是由固定电阻与热敏电阻串联而成，对其VCC和GND取点，以使所述固定电阻和热敏电阻形成分压，并将所述固定电阻两端电压馈入步骤S1中ADC芯片的差分参考电压输入端作为ADC芯片的参考电压；将热敏电阻两端电压馈入步骤S1中ADC芯片的差分输入端进行采集，以得到ADC芯片采样的温度值；其中所述热敏电阻为线性正温度系数PT1000热敏电阻；
(1-3)采用数字补偿模块对步骤S1采集的积分电压、步骤S2采集的温度值数字量进行误差修正；所述数字补偿模块采用的是数字校正电路，其中数字校正电路包括供步骤S1和步骤S2采集数据输入的误差校正表格、输出修正后数据的异步Flash芯片，其中所述误差校正表格具有2个输入量和1个输出量，其中2个输入量分别为电流数据和温度数据，输出量为误差修正量；而所述异步Flash芯片将误差修正量输出，并将误差修正量与步骤S1、步骤S2采集的数据通过加法器电路累加得到频率控制字；
(2)将频率控制字送至DDS频率合成模块产生频率脉冲，具体过程如下：
(2-1)DDS频率合成模块内置有DAC转换器和电压比较器，所述DAC转换器产生的正弦信号反馈回电压比较器得到方波频率信号输出；
(2-2)方波频率信号进入脉冲生成电路，与频率控制字中的极性标志一起产生分别与电流X、电流Y、电流Z成正比的±脉冲X、±脉冲Y、±脉冲Z的频率脉冲。
2.根据权利要求1所述的I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，所述电源电路包括3路电源：+5V，+15V，-15V；其中+5V用于产生给DDS频率合成模块、数字补偿模块供电的数字电源，±15V用于产生给ADC测量模块、测温电路供电的模拟电源。
3.根据权利要求2所述的I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，所述电源电路的输出端设置有06030R电阻供断开检测。
4.根据权利要求1所述的I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，所述温补晶振时钟源为16MHz时钟，16MHz时钟扇出驱动三路DDS；并且16MHz时钟通过分频器分至100KHz后，100KHz时钟扇出驱动四路ADC。
5.根据权利要求1所述的I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，所述I/F变换电路板包括积分电路，与积分电路连接的电压比较电路，与电压比较电路连接的逻辑控制模块，分别与积分电路、逻辑控制模块连接的开关电路，以及与开关电路连接的恒流源电路；其中恒流源电路包括与开关电路连接的正恒流源和负恒流源。
6.根据权利要求1所述的I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，所述误差校正表格是由全温度范围内取用若干温度测试点，每个温度点均通过软件脚本驱动仪器进行全量程的校准操作，并以温度为行向、以电流为列向形成的二维误差矩阵。
7.根据权利要求6所述的I/F变换电路板的温度补偿方法，其特征在于，所述误差校正表格固化于异步Flash芯片内供查表。
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